Resolving the intrinsic short-range ordering of K+ ions on cleaved muscovite mica

Abstract

Muscovite mica, KAl2(Si3Al)O10(OH)2, is a common layered phyllosilicate with perfect cleavage planes. The atomically flat surfaces obtained through cleaving lend themselves to scanning probe techniques with atomic resolution and are ideal to model minerals and clays. Despite the importance of the cleaved mica surfaces, several questions remain unresolved. It is established that K+ ions decorate the cleaved surface, but their intrinsic ordering – unaffected by the interaction with the environment – is not known. This work presents clear images of the K+ distribution of cleaved mica obtained with low-temperature non-contact atomic force microscopy (AFM) under ultra-high vacuum (UHV) conditions. The data unveil the presence of short-range ordering, contrasting previous assumptions of random or fully ordered distributions. Density functional theory (DFT) calculations and Monte Carlo simulations show that the substitutional subsurface Al3+ ions have an important role for the surface K+ ion arrangement.

Real-time visualisation of ion exchange in molecularly confined spaces where electric double layers overlap

“…Similarly, AFM images show that the Li + population in the inner double layer depends on the bulk concentration, showing higher Li + adsorption at higher concentration. However, no charge compensation, as seen for freshly cleaved mica in vacuum, 61 is visible even at 200 mM bulk concentration.…”

Atomar aufgelöste Glimmeroberflächen

“…Stattdessen reagierte unser System empfindlich auf die Kräfte im Nahbereich, die den atomaren Kontrast erzeugen. Die so erhaltenen Bilder zeigen die Verstimmung der Resonanzfrequenz beim Abrastern in konstanter Höhe über der Oberfläche (Abbildung 2) [4]. Es stellte sich heraus, dass die Kaliumionen an der Oberfläche von Glimmer eine Nahordnung aufweisen.…”

“… AFM‐Bild im UHV Rasterkraftmikroskopiebild von im Ultrahochvakuum gespaltenem Glimmer, aufgezeichnet mit dem qPlus‐Sensor bei einer Probentemperatur von 4,7 K (Bild: adaptiert aus [4]). …”

“…Da Al und Si in der Röntgenbeugung ähn liche Wirkungsquerschnitte aufweisen, war es bisher schwierig, die Periodizität ihrer Anordnung zu untersuchen. Um die Nahordnung der K + -Ionen an der Glimmerober fläche besser zu verstehen und diese möglicherweise mit der Verteilung der Al 3+ -Ionen in der Schicht direkt unter der Oberfläche korrelieren zu können, haben wir die experimentellen Resultate der K + -Verteilungen mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie rechnungen und Monte-Carlo-Simulationen analysiert [4]. Üblicherweise ordnen sich Oberflächenatome so an, dass die Oberflächenenergie minimiert wird.…”

Phyllosilicates as earth-abundant layered materials for electronics and optoelectronics: Prospects and challenges in their ultrathin limit

“…117 Moreover, noncontact AFM can be employed to probe the distribution of K + atoms on cleaved mica. 118 Novel methodologies, based in 3D maps have been developed to perform nanomechanical characterization of materials. The basic principle of such methodology involves acquiring several force curves at every single pixel of the image.…”