Полуметалл
Полуметалл — это материал с очень небольшим перекрытием нижней части проводимости зоны и верхней части валентной зоны .Согласно теории электронных зон , твердые тела можно классифицировать как изоляторы , полупроводники , полуметаллы и металлы . В изоляторах и полупроводниках заполненная валентная зона отделена от пустой зоны проводимости запрещенной зоной . Для изоляторов величина запрещенной зоны больше (например, > 4 эВ ), чем у полупроводника (например, < 4 эВ). Из-за небольшого перекрытия зон проводимости и валентной зоны полуметаллы не имеют запрещенной зоны и пренебрежимо малой плотности состояний на уровне Ферми . Металл, напротив, имеет заметную плотность состояний на уровне Ферми, поскольку зона проводимости частично заполнена. [1]
Зависимость от температуры [ править ]
Изолирующие/полупроводниковые состояния отличаются от полуметаллических/металлических состояний температурной зависимостью их электропроводности . У металла проводимость уменьшается с повышением температуры (из-за усиления взаимодействия электронов с фононами (колебаний решетки)). В случае изолятора или полупроводника (которые имеют два типа носителей заряда — дырки и электроны) как подвижность носителей, так и концентрация носителей будут способствовать проводимости, и они имеют разные температурные зависимости. В конечном итоге наблюдается, что проводимость изоляторов и полупроводников увеличивается с начальным увеличением температуры выше абсолютного нуля (по мере того, как все больше электронов перемещается в зону проводимости), затем снижается с промежуточными температурами, а затем снова увеличивается с еще более высокими температурами. Полуметаллическое состояние похоже на металлическое, но в полуметаллах как дырки, так и электроны способствуют электропроводности. С некоторыми полуметаллами, например Для мышьяка и сурьмы существует независимая от температуры плотность носителей ниже комнатной температуры (как в металлах), в то время как для висмута это верно при очень низких температурах, но при более высоких температурах плотность носителей увеличивается с температурой, что приводит к переходу полуметалл-полупроводник. . Полуметалл также отличается от изолятора или полупроводника тем, что проводимость полуметалла всегда отлична от нуля, тогда как полупроводник имеет нулевую проводимость при нулевой температуре, а изоляторы имеют нулевую проводимость даже при температуре окружающей среды (из-за более широкой запрещенной зоны).
Классификация [ править ]
Чтобы классифицировать полупроводники и полуметаллы, необходимо построить график зависимости энергий их заполненных и пустых зон от кристаллического импульса электронов проводимости. Согласно теореме Блоха проводимость электронов зависит от периодичности кристаллической решетки в разных направлениях.
В полуметалле низ зоны проводимости обычно расположен в другой части импульсного пространства (в другом k векторе ), чем верх валентной зоны. Можно было бы сказать, что полуметалл — это полупроводник с отрицательной непрямой запрещенной зоной , хотя их редко описывают в этих терминах.
Классификация материала как полупроводника или полуметалла может оказаться сложной, если у него очень маленькая или слегка отрицательная запрещенная зона. Например, хорошо известное соединение Fe 2 VAl исторически считалось полуметаллом (с отрицательной щелью ~ -0,1 эВ) на протяжении более двух десятилетий, прежде чем было фактически показано, что оно имеет малую щель (~ 0,03 эВ). полупроводник [2] с использованием самосогласованного анализа транспортных свойств, удельного электросопротивления и коэффициента Зеебека . Обычно используемые экспериментальные методы исследования запрещенной зоны могут быть чувствительны ко многим вещам, таким как размер запрещенной зоны, особенности электронной структуры (прямая или непрямая запрещенная зона), а также количество свободных носителей заряда (которое часто может зависеть от условий синтеза). ). Ширина запрещенной зоны, полученная в результате моделирования транспортных свойств, по существу не зависит от таких факторов. С другой стороны, теоретические методы расчета электронной структуры часто могут недооценивать ширину запрещенной зоны.
Схема [ править ]
Схематично на рисунке изображено
- полупроводник с прямым зазором (например, селенид меди и индия (CuInSe 2 ))
- полупроводник с непрямым зазором (например, кремний (Si))
- полуметалл (например, олово (Sn) или графит и щелочноземельные металлы ).
Рисунок схематический и показывает только зону проводимости с самой низкой энергией и валентную зону с самой высокой энергией в одном измерении импульсного пространства (или k-пространства). В типичных твердых телах k-пространство трехмерно и имеет бесконечное количество зон.
В отличие от обычного металла , полуметаллы имеют носители заряда обоих типов (дырки и электроны), поэтому можно также утверждать, что их следует называть «двойными металлами», а не полуметаллами. Однако носителей заряда обычно встречается в гораздо меньшем количестве, чем в реальном металле. В этом отношении они напоминают вырожденные полупроводники больше . Это объясняет, почему электрические свойства полуметаллов занимают промежуточное положение между свойствами металлов и полупроводников .
Физические свойства [ править ]
Поскольку полуметаллы имеют меньше носителей заряда, чем металлы, они обычно имеют более низкую электро- и теплопроводность . Они также имеют малые эффективные массы как для дырок, так и для электронов, поскольку перекрытие по энергии обычно является результатом того, что обе энергетические зоны широки. Кроме того, они обычно демонстрируют высокую диамагнитную восприимчивость и высокие диэлектрические проницаемости решетки .
Классические полуметаллы [ править ]
Классическими полуметаллическими элементами являются мышьяк , сурьма , висмут , α- ( серое олово) и графит , аллотроп углерода олово . Первые два (As, Sb) также считаются металлоидами, но термины «полуметалл» и «металлоид» не являются синонимами. Полуметаллы, в отличие от металлоидов, могут представлять собой и химические соединения , например теллурид ртути (HgTe), [3] а олово , висмут и графит обычно не считаются металлоидами. [4] Сообщалось о переходных полуметаллических состояниях в экстремальных условиях. [5] Недавно было показано, что некоторые проводящие полимеры могут вести себя как полуметаллы. [6]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Бернс, Джеральд (1985). Физика твердого тела . Academic Press, Inc., стр. 339–40. ISBN 978-0-12-146070-9 .
- ^ Ананд, Шашват; Гурунатан, Рамья; Сольди, Томас; Боргсмиллер, Лия; Оренштейн, Рэйчел; Снайдер, Джефф (2020). «Термоэлектрический транспорт полупроводника полного Гейслера VFe2Al». Журнал химии материалов C. 8 (30): 10174–10184. дои : 10.1039/D0TC02659J . S2CID 225448662 .
- ^ Ван, Ян; Н. Мансур; А. Салем; К. Ф. Бреннан и П. П. Руден (1992). «Теоретическое исследование потенциального малошумящего лавинного фотодетектора на полуметаллической основе». Журнал IEEE по квантовой электронике . 28 (2): 507–513. Бибкод : 1992IJQE...28..507W . дои : 10.1109/3.123280 .
- ^ Уоллес, PR (1947). «Лонточная теория графита». Физический обзор . 71 (9): 622–634. Бибкод : 1947PhRv...71..622W . дои : 10.1103/PhysRev.71.622 . S2CID 53633968 .
- ^ Рид, Эван Дж.; Манаа, М. Риад; Фрид, Лоуренс Э.; Глеземанн, Курт Р.; Джоаннопулос, JD (2007). «Переходный полуметаллический слой в детонирующем нитрометане». Физика природы . 4 (1): 72–76. Бибкод : 2008НатФ...4...72Р . дои : 10.1038/nphys806 .
- ^ Бубнова, Ольга; Зия, Улла Хан; Ван, Хуэй (2014). «Полуметаллические полимеры» . Природные материалы . 13 (2): 190–4. Бибкод : 2014NatMa..13..190B . дои : 10.1038/nmat3824 . ПМИД 24317188 . S2CID 205409397 .