Es wurde festgestellt, dass Glimmer, ein bekannter Isolator, sich wie ein Halbleiter verhält, wenn er auf wenige molekulare Schichten verdünnt wird – ScienceDaily

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Im Jahr 2004 verwendeten Forscher der Universität Manchester Klebeband, um Blätter aus einzelnen Kohlenstoffatomen von Graphit abzuziehen, um Graphen herzustellen – ein Material, das 1000-mal dünner als menschliches Haar, aber stärker als Stahl ist. Diese bahnbrechende Peeling-Technik ebnete den Weg für die Entwicklung einer breiten Palette zweidimensionaler Materialien mit unterschiedlichen elektrischen und physikalischen Eigenschaften für die nächste Generation elektronischer Geräte.

Ein solches interessantes Material war Muskovit-Glimmer (MuM). Diese Mineralien haben die allgemeine Formel KAl2(AlSi3Ö10) (F, OH)2 und haben eine Schichtstruktur, die aus Aluminium (Al), Kalium (K) und Silizium (Si) besteht. Wie Graphen hat MuM als ultraflaches Substrat für den Bau flexibler elektronischer Geräte Aufmerksamkeit erregt. Im Gegensatz zu Graphen ist MuM jedoch ein Isolator.

Die elektrischen Eigenschaften von MuM sind jedoch nicht ganz klar. Insbesondere die Eigenschaften von MuMs mit einer Dicke von einzelnen und wenigen Molekülschichten sind nicht klar verstanden. Dies liegt daran, dass in allen Studien, die bisher die elektrischen Eigenschaften von MuM untersucht haben, die Leitfähigkeit von einem Quantenphänomen namens „Tunneln“ dominiert wurde. Dies hat es schwierig gemacht, die leitfähige Natur von dünnem MuM zu verstehen.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Körperliche Überprüfung angewendetProfessor Muralidhar Miryala vom Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, zusammen mit den Professoren MS Ramachandra Rao, Ananth Krishnan und Mr. Ankit Arora, einem Doktoranden, vom Indian Institute of Technology Madras, Indien, haben nun ein halbleitendes Verhalten in beobachtet dünne MuM-Flocken, gekennzeichnet durch eine elektrische Leitfähigkeit, die 1000-mal größer ist als die von dickem MuM. „Glimmer ist seit Jahrzehnten einer der beliebtesten elektrischen Isolatoren, die in der Industrie verwendet werden. Dieses halbleiterähnliche Verhalten wurde jedoch nicht früher berichtet.“ sagt Prof. Miryala.

In ihrer Studie exfolierten die Forscher dünne MuM-Flocken unterschiedlicher Dicke auf Silizium (SiO2/Si)-Substrate und hielten zur Vermeidung von Tunneleffekten einen Abstand von 1 um zwischen den Kontaktelektroden ein. Bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit stellten sie fest, dass der Übergang in einen leitenden Zustand allmählich erfolgte, als die Flocken auf weniger Schichten verdünnt wurden. Sie fanden heraus, dass bei MuM-Flocken unter 20 nm der Strom von der Dicke abhängt und bei einem 10 nm dicken MuM (5 Schichten dick) 1000-mal größer wird als bei 20 nm MuM.

Um dieses Ergebnis zu verstehen, passten die Forscher die experimentellen Leitfähigkeitsdaten an ein theoretisches Modell namens „Hopping Conduction Model“ an, das darauf hindeutet, dass die beobachtete Leitfähigkeit auf eine Zunahme der Ladungsträgerdichte im Leitungsband mit der Verringerung der Dicke zurückzuführen ist. Einfach ausgedrückt, wenn die Dicke der MuM-Flocken verringert wird, nimmt die Energie ab, die erforderlich ist, um Elektronen von der festen Masse zur Oberfläche zu bewegen, was den Elektronen einen leichteren Durchgang in das „Leitungsband“ ermöglicht, wo sie sich frei bewegen können, um Elektrizität zu leiten. Warum die Ladungsträgerdichte zunimmt, führten die Forscher auf die Effekte der Oberflächendotierung (Hinzufügen von Verunreinigungen) durch K+ Ionen und Relaxation der MuM-Kristallstruktur.

Die Signifikanz dieses Ergebnisses besteht darin, dass dünne abgeblätterte Schichten aus MuM eine Bandstruktur aufweisen, die der von Halbleitern mit großer Bandlücke ähnlich ist. Dies, kombiniert mit seiner außergewöhnlichen chemischen Stabilität, macht dünne MuM-Flocken zu einem idealen Material für zweidimensionale elektronische Geräte, die sowohl flexibel als auch langlebig sind. „MuM ist bekannt für seine außergewöhnliche Stabilität in rauen Umgebungen, wie sie durch hohe Temperaturen, Drücke und elektrische Belastungen gekennzeichnet sind. Das in unserer Studie beobachtete halbleiterähnliche Verhalten zeigt, dass MuM das Potenzial hat, den Weg für die Entwicklung robuster Elektronik zu ebnen “, sagt Prof. Miryala.

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Materialien zur Verfügung gestellt von Shibaura Institute of Technology. Hinweis: Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.