В 2004 году исследователи из Манчестерского университета использовали клейкую ленту, чтобы отделить листы из отдельных атомов углерода от графита, чтобы получить графен - материал, который в 1000 раз тоньше человеческого волоса, но прочнее стали. Эта новаторская технология отшелушивания проложила путь к разработке широкого спектра двумерных материалов с отличными электрическими и физическими характеристиками для следующего поколения электронных устройств.
Одним из таких материалов, представляющих интерес, была мусковитовая слюда (MuM). Эти минералы имеют общую формулу KAl2(АлСи3O10) (F, OH)2 и имеют слоистую структуру, состоящую из алюминия (Al), калия (K) и кремния (Si). Как и графен, MuM привлек внимание как ультраплоская подложка для создания гибких электронных устройств. Однако, в отличие от графена, MuM является изолятором.
Однако электрические свойства MuM не совсем ясны. В частности, свойства однослойных и маломолекулярных мамочек не совсем понятны. Это связано с тем, что во всех исследованиях, которые до сих пор изучали электрические свойства MuM, в проводимости доминировало квантовое явление, называемое "туннелированием". Это затруднило понимание проводящей природы тонких материалов.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Примененный физический обзор, профессор Муралидхар Мирьяла из Технологического института Сибаура (SIT), Япония, вместе с профессорами М. С. Рамачандрой Рао, Анантом Кришнаном и г-ном Анкитом Аророй, аспирантом из Индийского технологического института Мадрас, Индия, в настоящее время наблюдали полупроводниковое поведение в тонких хлопьях MuM, характеризующихся электропроводностью, которая в 1000 раз больше, чем у толстой мамы. "Слюда была одним из самых популярных электрических изоляторов, используемых в промышленности на протяжении десятилетий. Однако об этом полупроводниковом поведении ранее не сообщалось". говорит проф. Мирьяла.
В своем исследовании исследователи отслаивали тонкие хлопья MuM различной толщины на кремний (SiO2/Si) подложки и, чтобы избежать туннелирования, поддерживали расстояние в 1 мкм между контактными электродами. При измерении электропроводности они заметили, что переход в проводящее состояние происходил постепенно, по мере того как хлопья истончались до меньшего количества слоев. Они обнаружили, что для хлопьев MuM толщиной менее 20 нм ток зависит от толщины, становясь в 1000 раз больше для MuM толщиной 10 нм (толщина 5 слоев) по сравнению с таковым для MuM толщиной 20 нм.
Чтобы разобраться в этом результате, исследователи сопоставили экспериментальные данные о проводимости с теоретической моделью, называемой "прыгающей моделью проводимости", которая предположила, что наблюдаемая проводимость обусловлена увеличением плотности носителей в зоне проводимости с уменьшением толщины. Проще говоря, по мере уменьшения толщины хлопьев, энергия, необходимая для перемещения электронов из твердой массы на поверхность, уменьшается, позволяя электронам легче проходить в "зону проводимости", где они могут свободно перемещаться для проведения электричества. Что касается того, почему плотность носителей увеличивается, исследователи объяснили это эффектами поверхностного легирования (добавления примеси), вносимого K+ ионы и релаксация кристаллической структуры MuM.
Значение этого открытия заключается в том, что тонкие слоистые листы MuM имеют зонную структуру, аналогичную структуре полупроводников с широкой запрещенной зоной. Это, в сочетании с исключительной химической стабильностью, делает тонкие хлопья MuM идеальным материалом для двумерных электронных устройств, которые являются одновременно гибкими и долговечными. "MuM известен своей исключительной стабильностью в суровых условиях, таких как те, которые характеризуются высокими температурами, давлением и электрическим напряжением. Поведение, подобное поведению полупроводника, наблюдаемое в нашем исследовании, указывает на то, что MuM обладает потенциалом проложить путь для разработки надежной электроники", - говорит профессор. Мирьяла.
Комментарии