Le mica, un isolant bien connu, s'est avéré se comporter comme un semi-conducteur lorsqu'il est aminci en quelques couches moléculaires

Le mica muscovite (MuM) est un minéral très stable qui est couramment utilisé comme isolant. Cependant, les propriétés électriques du MuM à une seule couche et à quelques couches ne sont pas bien comprises. Maintenant, un groupe de chercheurs du Japon et de l'Inde rapporte et explique une conductivité inhabituellement élevée dans les flocons de MuM qui ne sont épais que de quelques couches de molécules. Leurs découvertes pourraient ouvrir la voie au développement d'appareils électroniques bidimensionnels résistants aux environnements difficiles.

En 2004, des chercheurs de l'Université de Manchester ont utilisé du ruban adhésif pour retirer des feuilles d'atomes de carbone uniques du graphite afin de fabriquer du graphène, un matériau 1000 fois plus fin que les cheveux humains mais plus résistant que l'acier. Cette technique d'exfoliation révolutionnaire a ouvert la voie au développement d'une large gamme de matériaux bidimensionnels dotés de caractéristiques électriques et physiques distinctes pour la prochaine génération d'appareils électroniques.

Un tel matériau d'intérêt a été le mica muscovite (MuM). Ces minéraux ont la formule générale KAl₂ (AlSi₃ O₁₀ ) (F, OH)₂ et ont une structure en couches composée d'aluminium (Al), de potassium (K) et de silicium (Si). Comme le graphène, MuM a attiré l'attention en tant que substrat ultra-plat pour la construction de dispositifs électroniques flexibles. Contrairement au graphène, cependant, MuM est un isolant.

Cependant, les propriétés électriques de MuM ne sont pas tout à fait claires. En particulier, les propriétés des MuM épais à couche unique et à quelques molécules ne sont pas clairement comprises. En effet, dans toutes les études qui ont sondé les propriétés électriques du MuM jusqu'à présent, la conductivité a été dominée par un phénomène quantique appelé "effet tunnel". Cela a rendu difficile la compréhension de la nature conductrice du MuM fin.

Dans une étude récente publiée dans la revue Physical Review Applied , le professeur Muralidhar Miryala du Shibaura Institute of Technology (SIT), au Japon, ainsi que les professeurs M. S. Ramachandra Rao, Ananth Krishnan et M. Ankit Arora, titulaire d'un doctorat. Des étudiants de l'Institut indien de technologie de Madras, en Inde, ont maintenant observé un comportement semi-conducteur dans des flocons de MuM minces, caractérisés par une conductivité électrique 1000 fois supérieure à celle de MuM épais. "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. + Explorer plus loin

Controlled synthesis of crystal flakes paves path for advanced future electronics