A mica, um isolante bem conhecido, se comporta como um semicondutor quando diluída em algumas camadas moleculares
A mica moscovita (MuM) é um mineral altamente estável que é comumente usado como isolante. No entanto, as propriedades elétricas do MuM de camada única e de poucas camadas não são bem compreendidas. Agora, um grupo de pesquisadores do Japão e da Índia relata e explica a condutividade extraordinariamente alta em flocos de MuM que têm apenas algumas camadas de moléculas de espessura. Suas descobertas podem abrir portas para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos bidimensionais que são robustos contra ambientes hostis.

Em 2004, pesquisadores da Universidade de Manchester usaram fita adesiva para puxar folhas de átomos de carbono para longe do grafite para fazer grafeno – um material que é 1000 vezes mais fino que o cabelo humano, mas mais forte que o aço. Esta técnica de esfoliação inovadora abriu caminho para o desenvolvimento de uma ampla gama de materiais bidimensionais com características elétricas e físicas distintas para a próxima geração de dispositivos eletrônicos.

Um desses materiais de interesse tem sido a mica moscovita (MuM). Esses minerais têm a fórmula geral KAl₂ (AlSi₃ O₁₀ ) (F, OH)₂ e têm uma estrutura em camadas composta de alumínio (Al), potássio (K) e silício (Si). Assim como o grafeno, o MuM ganhou atenção como um substrato ultraplano para a construção de dispositivos eletrônicos flexíveis. Ao contrário do grafeno, no entanto, o MuM é um isolante.

No entanto, as propriedades elétricas do MuM não são totalmente claras. Em particular, as propriedades de MuMs de camada única e de poucas moléculas não são claramente compreendidas. Isso ocorre porque em todos os estudos que investigaram as propriedades elétricas do MuM até agora, a condutividade foi dominada por um fenômeno quântico chamado "tunelamento". Isso tornou difícil entender a natureza condutora do MuM fino.

Em um estudo recente publicado na revista Physical Review Applied , Professor Muralidhar Miryala do Shibaura Institute of Technology (SIT), Japão, juntamente com os professores M. S. Ramachandra Rao, Ananth Krishnan e Sr. Ankit Arora, Ph.D. estudante, do Instituto Indiano de Tecnologia Madras, na Índia, agora observaram um comportamento semicondutor em flocos finos de MuM, caracterizados por uma condutividade elétrica que é 1000 vezes maior que a do MuM espesso. "A mica é um dos isolantes elétricos mais populares usados ​​nas indústrias há décadas. No entanto, esse comportamento semelhante ao de um semicondutor não foi relatado anteriormente", diz o Prof. Miryala.

Em seu estudo, os pesquisadores esfoliaram flocos finos de MuM de espessura variável em silício (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. + Explorar mais

Controlled synthesis of crystal flakes paves path for advanced future electronics