白云母(MuM)是一種高度穩(wěn)定的礦物，通常用作絕緣體。然而，單層和少層MuM的電學(xué)特性尚不清楚?，F(xiàn)在，來(lái)自和的一組研究人員報(bào)告并解釋了只有幾個(gè)分子層厚的MuM薄片中異常高的電導(dǎo)率。他們的發(fā)現(xiàn)可能為開(kāi)發(fā)能夠抵御惡劣環(huán)境的二維電子設(shè)備打開(kāi)大門(mén)。

2004年，曼徹斯特大學(xué)的研究人員使用膠帶將單個(gè)碳原子片從石墨中拉出，從而制造出石墨烯——這種材料比人類(lèi)頭發(fā)細(xì)1000倍，但比鋼還要堅(jiān)固。這種突破性的剝離技術(shù)為開(kāi)發(fā)具有不同電氣和物理特性的各種二維材料用于下一代電子設(shè)備鋪平了道路。

白云母(MuM)就是這樣一種令人感興趣的材料。這些礦物具有通式KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2并且具有由鋁(Al)、鉀(K)和硅(Si)組成的層狀結(jié)構(gòu)。與石墨烯一樣，MuM作為用于構(gòu)建柔性電子設(shè)備的超平面基板而受到關(guān)注。然而，與石墨烯不同的是，MuM是一種絕緣體。

然而，MuM的電學(xué)特性并不完全清楚。特別是，單層和少分子層厚MuMs的性質(zhì)尚不清楚。這是因?yàn)樵谄駷橹固綔y(cè)MuM電學(xué)特性的所有研究中，電導(dǎo)率一直由一種稱(chēng)為“隧道效應(yīng)”的量子現(xiàn)象主導(dǎo)。這使得很難理解薄MuM的導(dǎo)電性質(zhì)。

在最近發(fā)表在《應(yīng)用物理評(píng)論》雜志上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自芝浦理工學(xué)院(SIT)的MuralidharMiryala教授與MSRamachandraRao教授、AnanthKrishnan教授和博士AnkitArora先生一起進(jìn)行了研究。來(lái)自馬德拉斯理工學(xué)院的學(xué)生現(xiàn)在觀察到薄MuM薄片中的半導(dǎo)體行為，其電導(dǎo)率是厚MuM薄片的1000倍。“幾十年來(lái)，云母一直是工業(yè)中最流行的電絕緣體之一。然而，這種類(lèi)似半導(dǎo)體的行為之前沒(méi)有報(bào)道過(guò)，”Miryala教授說(shuō)。

在他們的研究中，研究人員將不同厚度的MuM薄片剝離到硅(SiO2/Si)基板上，并且為了避免隧道效應(yīng)，在接觸電極之間保持1µm的間距。在測(cè)量電導(dǎo)率時(shí)，他們注意到隨著薄片被減薄到更少的層，向?qū)щ姞顟B(tài)的轉(zhuǎn)變逐漸發(fā)生。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于20nm以下的MuM薄片，電流取決于厚度，與20nmMuM相比，10nm厚的MuM(5層厚)的電流大1000倍。

為了理解這一結(jié)果，研究人員將實(shí)驗(yàn)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)擬合到稱(chēng)為“跳躍傳導(dǎo)模型”的理論模型中，該模型表明觀察到的電導(dǎo)率是由于導(dǎo)帶載流子密度隨著厚度的減小而增加。簡(jiǎn)而言之，隨著MuM薄片的厚度減小，將電子從固體塊體移動(dòng)到表面所需的能量降低，從而使電子更容易進(jìn)入“導(dǎo)帶”，在那里它們可以自由移動(dòng)以導(dǎo)電。至于載流子密度增加的原因，研究人員將其歸因于K+離子的表面摻雜(雜質(zhì)添加)貢獻(xiàn)和MuM晶體結(jié)構(gòu)的弛豫。

這一發(fā)現(xiàn)的意義在于，MuM的薄剝離片具有類(lèi)似于寬帶隙半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。再加上其出色的化學(xué)穩(wěn)定性，薄的MuM薄片成為既靈活又耐用的二維電子設(shè)備的理想材料。“MuM以其在惡劣環(huán)境中的出色穩(wěn)定性而聞名，例如那些以高溫、高壓和電應(yīng)力為特征的環(huán)境。我們研究中觀察到的類(lèi)似半導(dǎo)體的行為表明，MuM有可能為開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的電子產(chǎn)品鋪平道路，”Miryala教授說(shuō)。

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