Полуметалла представляет собой материал с очень небольшим перекрытием между нижней частью проводимости полосы и в верхней части валентной зоны . Согласно теории электронных зон твердые тела можно разделить на изоляторы , полупроводники , полуметаллы или 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 между зонами проводимости и валентной зоной полуметалл не имеет запрещенной зоны и незначительно плотность состояний на уровне Ферми . Металл же, напротив, имеет заметную плотность состояний на уровне Ферми, поскольку зона проводимости частично заполнена. [1]
Температурная зависимость [ править ]
Изолирующие / полупроводниковые состояния отличаются от полуметаллических / металлических состояний температурной зависимостью их электропроводности . В случае металла проводимость уменьшается с повышением температуры (из-за усиления взаимодействия электронов с фононами (колебания решетки)). С изолятором или полупроводником (которые имеют два типа носителей заряда - дырки и электроны), подвижность носителей и их концентрация будут влиять на проводимость, и они имеют разные температурные зависимости. В конечном итоге наблюдается, что проводимость изоляторов и полупроводников увеличивается с начальным повышением температуры выше абсолютного нуля.(по мере того, как все больше электронов перемещается в зону проводимости), прежде чем уменьшаться при промежуточных температурах, а затем снова увеличиваться при еще более высоких температурах. Полуметаллическое состояние аналогично металлическому состоянию, но в полуметаллах и дырки, и электроны вносят вклад в электрическую проводимость. У некоторых полуметаллов, таких как мышьяк и сурьма , существует не зависящая от температуры плотность носителей ниже комнатной температуры (как в металлах), в то время как в висмуте, это верно при очень низких температурах, но при более высоких температурах концентрация носителей увеличивается с температурой, вызывая переход 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 энергии заполненных и пустых зон от импульса электронов проводимости кристалла . Согласно теореме Блоха проводимость электронов зависит от периодичности кристаллической решетки в разных направлениях.
В полуметалле нижняя часть зоны проводимости обычно расположена в другой части импульсного пространства (в другом k- векторе ), чем верх валентной зоны. Можно сказать, что полуметалл - это полупроводник с отрицательной непрямой запрещенной зоной , хотя их редко описывают в таких терминах.
Схема [ править ]
Схематично на рисунке изображен
- A) полупроводник с прямым промежутком (например, селенид меди и индия (CuInSe 2 ))
- Б) полупроводник с непрямым промежутком (например, кремний (Si))
- C) полуметалл (например, олово (Sn) или графит и щелочноземельные металлы ).
На рисунке схематично показаны только зона проводимости с самой низкой энергией и валентная зона с самой высокой энергией в одном измерении импульсного пространства (или k-пространства). В типичных твердых телах k-пространство трехмерно, и существует бесконечное количество полос.
В отличие от обычного металла , полуметаллы имеют носители заряда обоих типов (дырки и электроны), так что можно утверждать, что их следует называть «двойными металлами», а не полуметаллами. Однако носителей заряда обычно гораздо меньше, чем в реальном металле. В этом отношении они больше напоминают вырожденные полупроводники . Это объясняет, почему электрические свойства полуметаллов находятся где-то посередине между свойствами металлов и полупроводников .
Физические свойства [ править ]
Поскольку у полуметаллов меньше носителей заряда, чем у металлов, они обычно имеют более низкую электрическую и теплопроводность . Они также имеют небольшие эффективные массы как для дырок, так и для электронов, потому что перекрытие по энергии обычно является результатом того факта, что обе энергетические зоны являются широкими. Кроме того, они обычно демонстрируют высокую диамагнитную восприимчивость и высокую диэлектрическую проницаемость решетки .
Классические полуметаллы [ править ]
Классические полуметаллических элементы являются мышьяк , сурьма , висмут , α- олова (серое олово) и графита , аллотроп из углерода . Первые два (As, Sb) также считаются металлоидами, но термины полуметалл и металлоид не являются синонимами. Полиметаллы, в отличие от металлоидов, также могут быть химическими соединениями , такими как теллурид ртути (HgTe) [2], а олово , висмут и графит обычно не считаются металлоидами. [3]Сообщалось о переходных состояниях полуметалла в экстремальных условиях. [4] Недавно было показано, что некоторые проводящие полимеры могут вести себя как полуметаллы. [5]
См. Также [ править ]
- Изоляторы для переноса заряда
- Полуметалл
- Модель Хаббарда
- Изолятор Мотта
- Физика твердого тела
Ссылки [ править ]
- ^ Бернс, Джеральд (1985). Физика твердого тела . Academic Press, Inc., стр. 339–40. ISBN 978-0-12-146070-9.
- ^ Ван, Ян; Н. Мансур; А. Салем; К.Ф. Бреннан и П.П. Руден (1992). «Теоретическое исследование потенциального малошумящего лавинного фотоприемника на основе полуметалла». Журнал IEEE по квантовой электронике . 28 (2): 507–513. Bibcode : 1992IJQE ... 28..507W . DOI : 10.1109 / 3.123280 .
- ^ Уоллес, PR (1947). «Ленточная теория графита» . Физический обзор . 71 (9): 622–634. Bibcode : 1947PhRv ... 71..622W . DOI : 10.1103 / PhysRev.71.622 . S2CID 53633968 .
- ^ Рид, Эван Дж .; Манаа, М. Риад; Жареный, Лоуренс Э .; Glaesemann, Kurt R .; Жоаннопулос, JD (2007). «Переходный полуметаллический слой в детонирующем нитрометане». Физика природы . 4 (1): 72–76. Bibcode : 2008NatPh ... 4 ... 72R . DOI : 10.1038 / nphys806 .
- ↑ Бубнова, Ольга; Зия, Уллах Хан; Ван, Хуэй (2014). «Полуметаллические полимеры» . Материалы природы . 13 (2): 190–4. Bibcode : 2014NatMa..13..190B . DOI : 10.1038 / nmat3824 . PMID 24317188 .
