Ultrathin natural biotite crystals as a dielectric layer for van der Waals heterostructure applications

Autor(es)

de Oliveira, Raphaela ; Yoshida, Ana B. Barbosa ; Rabahi, Cesar R. ; Freitas, Raul ; Teixeira, Veronica C. ; de Matos, Christiano J. S. ; Gobato, Yara Galvao ; Barcelos, Ingrid D. ; Cadore, Alisson R.

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: Nanotechnology; v. 35, n. 50, p. 11-pg., 2024-12-09.

Resumo

Biotite, an iron-rich mineral belonging to the trioctahedral mica group, is a naturally abundant layered material (LM) exhibiting attractive electronic properties for application in nanodevices. Biotite stands out as a non-degradable LM under ambient conditions, featuring high-quality basal cleavage-a significant advantage for van der Waals heterostructure (vdWH) applications. In this work, we present the micro-mechanical exfoliation of biotite down to monolayers (1Ls), yielding ultrathin flakes with large areas and atomically flat surfaces. To identify and characterize the mineral, we conducted a multi-elemental analysis of biotite using energy-dispersive spectroscopy mapping. Additionally, synchrotron x-ray fluorescence and infrared nano-spectroscopy were employed to probe its iron content and vibrational signature in few-layer form, respectively, with sensitivity to the layer number. We have also observed good morphological and structural stability in time (up to 12 months) and no important changes in their physical properties after thermal annealing processes in ultrathin biotite flakes. Conductive atomic force microscopy evaluated its electrical capacity, revealing an electrical breakdown strength of approximately 1 V nm-1. Finally, we explore the use of biotite as a substrate and encapsulating LM in vdWH applications. We have performed optical and magneto-optical measurements at low temperatures. We find that ultrathin biotite flakes work as a good substrate for 1L-MoSe2, comparable to hexagonal boron nitride flakes, but it induces a small change of the 1L-MoSe2 g-factor values, most likely due to natural impurities on its crystal structure. Furthermore, our results show that biotite flakes are useful systems to protect sensitive LMs such as black phosphorus from degradation for up to 60 days in ambient air. Our study introduces biotite as a promising, cost-effective LM for the advancement of future ultrathin nanotechnologies. (AU)

• Processo FAPESP: 15/13771-0 - EMU concedido no processo 14/19142-2: criostato de ultra baixa vibração com campo magnético e microscópio confocal
• Beneficiário: Gilmar Eugenio Marques
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Equipamentos Multiusuários
• Processo FAPESP: 19/14017-9 - De ondas de éxcitons a THz-fônons: a nano-óptica de materiais 2Ds via nanoespectroscopia de infravermelho síncrotron
• Beneficiário: Raul de Oliveira Freitas
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Jovens Pesquisadores
• Processo FAPESP: 22/11526-2 - EMU científico: aquisição de sistema de nanolitografia por feixe de elétrons de 100 kV para fabricação de alto rendimento de dispositivos com alta precisão
• Beneficiário: Newton Cesario Frateschi
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Infraestrutura - Científico
• Processo FAPESP: 14/07375-2 - EMU concedido no projeto 2013/18719-1: sistema de medidas resolvidas no tempo
• Beneficiário: Marcio Daldin Teodoro
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Equipamentos Multiusuários
• Processo FAPESP: 22/08329-0 - Efeito do padrão de Moiré nas propriedades físicas de heteroestruturas de van der Waals
• Beneficiário: Yara Galvão Gobato
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 22/10340-2 - EMU científico: aquisição de um sistema de fluorescência de alta resolução temporal, espacial, espectral e operando em amplo intervalo de temperatura
• Beneficiário: Gilmar Eugenio Marques
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Infraestrutura - Científico
• Processo FAPESP: 22/02901-4 - Nano-óptica de poláritons em cristais bidimensionais e na interface metal/dielétrico no infravermelho médio-distante
• Beneficiário: Francisco Carlos Barbosa Maia
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Projeto Inicial