新研究中的科学家说薄云母显示出半导体行为

白云母(MuM)是一种高度稳定的矿物，通常用作绝缘体。然而，单层和少层MuM的电学特性尚不清楚。现在，来自和的一组研究人员报告并解释了只有几个分子层厚的MuM薄片中异常高的电导率。他们的发现可能为开发能够抵御恶劣环境的二维电子设备打开大门。

2004年，曼彻斯特大学的研究人员使用胶带将单个碳原子片从石墨中拉出，从而制造出石墨烯——这种材料比人类头发细1000倍，但比钢还要坚固。这种突破性的剥离技术为开发具有不同电气和物理特性的各种二维材料用于下一代电子设备铺平了道路。

白云母(MuM)就是这样一种令人感兴趣的材料。这些矿物具有通式KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2并且具有由铝(Al)、钾(K)和硅(Si)组成的层状结构。与石墨烯一样，MuM作为用于构建柔性电子设备的超平面基板而受到关注。然而，与石墨烯不同的是，MuM是一种绝缘体。

然而，MuM的电学特性并不完全清楚。特别是，单层和少分子层厚MuMs的性质尚不清楚。这是因为在迄今为止探测MuM电学特性的所有研究中，电导率一直由一种称为“隧道效应”的量子现象主导。这使得很难理解薄MuM的导电性质。

在最近发表在《应用物理评论》杂志上的一项研究中，来自芝浦理工学院(SIT)的MuralidharMiryala教授与MSRamachandraRao教授、AnanthKrishnan教授和博士AnkitArora先生一起进行了研究。来自马德拉斯理工学院的学生现在观察到薄MuM薄片中的半导体行为，其电导率是厚MuM薄片的1000倍。“几十年来，云母一直是工业中最流行的电绝缘体之一。然而，这种类似半导体的行为之前没有报道过，”Miryala教授说。

在他们的研究中，研究人员将不同厚度的MuM薄片剥离到硅(SiO2/Si)基板上，并且为了避免隧道效应，在接触电极之间保持1µm的间距。在测量电导率时，他们注意到随着薄片被减薄到更少的层，向导电状态的转变逐渐发生。他们发现，对于20nm以下的MuM薄片，电流取决于厚度，与20nmMuM相比，10nm厚的MuM(5层厚)的电流大1000倍。

为了理解这一结果，研究人员将实验电导率数据拟合到称为“跳跃传导模型”的理论模型中，该模型表明观察到的电导率是由于导带载流子密度随着厚度的减小而增加。简而言之，随着MuM薄片的厚度减小，将电子从固体块体移动到表面所需的能量降低，从而使电子更容易进入“导带”，在那里它们可以自由移动以导电。至于载流子密度增加的原因，研究人员将其归因于K+离子的表面掺杂(杂质添加)贡献和MuM晶体结构的弛豫。

这一发现的意义在于，MuM的薄剥离片具有类似于宽带隙半导体的能带结构。再加上其出色的化学稳定性，薄的MuM薄片成为既灵活又耐用的二维电子设备的理想材料。“MuM以其在恶劣环境中的出色稳定性而闻名，例如那些以高温、高压和电应力为特征的环境。我们研究中观察到的类似半导体的行为表明，MuM有可能为开发强大的电子产品铺平道路，”Miryala教授说。

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