La mica moscovita (MuM) es un mineral en capas comúnmente utilizado como aislante. En un nuevo estudio, los investigadores observaron que, cuando se reduce a unas pocas capas de moléculas, MuM actúa más como un semiconductor con una conductividad dependiente del grosor. Crédito:James St. John
Se ha descubierto que la mica, un aislante bien conocido, se comporta como un semiconductor cuando se reduce a unas pocas capas moleculares.
La mica moscovita (MuM) es un mineral altamente estable que se usa comúnmente como aislante. Sin embargo, las propiedades eléctricas de MuM de una sola capa y de pocas capas no se conocen bien. Ahora, un grupo de investigadores de Japón e India informa y explica la conductividad inusualmente alta en escamas de MuM que tienen solo unas pocas capas de moléculas de espesor. Sus hallazgos podrían abrir las puertas al desarrollo de dispositivos electrónicos bidimensionales resistentes a entornos hostiles.
En 2004, investigadores de la Universidad de Manchester utilizaron cinta adhesiva para separar láminas de átomos de carbono individuales del grafito para fabricar grafeno, un material que es 1000 veces más delgado que el cabello humano pero más fuerte que el acero. Esta innovadora técnica de exfoliación allanó el camino para el desarrollo de una amplia gama de materiales bidimensionales con distintas características eléctricas y físicas para la próxima generación de dispositivos electrónicos.
Uno de estos materiales de interés ha sido la mica moscovita (MuM). Estos minerales tienen la fórmula general KAl2 (AlSi3 O10 ) (F, OH)2 y tienen una estructura en capas que consta de aluminio (Al), potasio (K) y silicio (Si). Al igual que el grafeno, MuM ha llamado la atención como sustrato ultraplano para construir dispositivos electrónicos flexibles. Sin embargo, a diferencia del grafeno, MuM es un aislante.
Sin embargo, las propiedades eléctricas de MuM no están del todo claras. En particular, las propiedades de los MuM gruesos de capa única y de pocas moléculas no se entienden claramente. Esto se debe a que en todos los estudios que han investigado las propiedades eléctricas de MuM hasta el momento, la conductividad ha estado dominada por un fenómeno cuántico llamado "tunelización". Esto ha dificultado la comprensión de la naturaleza conductora del MuM delgado.
En un estudio reciente publicado en la revista Physical Review Applied , Professor Muralidhar Miryala from Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, along with Professors M. S. Ramachandra Rao, Ananth Krishnan and Mr. Ankit Arora, a Ph.D. student, from Indian Institute of Technology Madras, India, have now observed a semiconducting behavior in thin MuM flakes, characterized by an electrical conductivity that is 1000 times larger than that of thick MuM. "Mica has been one of the most popular electrical insulators used in industries for decades. However, this semiconductor-like behavior has not been reported earlier," says Prof. Miryala.
In their study, the researchers exfoliated thin MuM flakes of varying thickness onto silicon (SiO2 /Si) substrates and, to avoid tunneling, maintained a separation of 1 µm between the contact electrodes. On measuring the electrical conductivity, they noticed that the transition to a conducting state occurred gradually as the flakes were thinned down to fewer layers. They found that for MuM flakes below 20 nm, the current depended on the thickness, becoming 1000 times larger for a 10 nm thick MuM (5 layers thick) compared to that in 20 nm MuM.
To make sense of this result, the researchers fitted the experimental conductivity data to a theoretical model called the "hopping conduction model," which suggested that the observed conductance is due to an increase in the conduction band carrier density with the reduction in thickness. Put simply, as the thickness of MuM flakes is reduced, the energy required to move electrons from the solid bulk to the surface decreases, allowing the electrons easier passage into the "conduction band," where they can freely move to conduct electricity. As to why the carrier density increases, the researchers attributed it to the effects of surface doping (impurity addition) contributions from K + ions and relaxation of the MuM crystal structure.
The significance of this finding is that thin exfoliated sheets of MuM have a band structure similar to that of wide bandgap semiconductors. This, combined with its exceptional chemical stability, makes thin MuM flakes an ideal material for two-dimensional electronic devices that are both flexible and durable. "MuM is known for its exceptional stability in harsh environments such as those characterized by high temperatures, pressures, and electrical stress. The semiconductor-like behavior observed in our study indicates that MuM has the potential to pave the way for the development of robust electronics," says Prof. Miryala. + Explore further
