Полиметалл - Semimetal

Заполнение электронных состояний в различных типах материалов при равновесии . Здесь высота - это энергия, а ширина - это плотность доступных состояний для определенной энергии в указанном материале. Оттенок соответствует распределению Ферми – Дирака ( черный : все состояния заполнены, белый : ни одно состояние не заполнено). В металлах и полуметаллах на уровень Ферми Е F лежит внутри по меньшей мере одной полосы.
В изоляторах и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны ; однако в полупроводниках зоны достаточно близки к уровню Ферми, чтобы их можно было термически заполнить электронами или дырками .

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 зоной проводимости и валентной зоной полуметалл не имеет запрещенной зоны и пренебрежимо малой плотностью состояний на уровне Ферми . Металл, напротив, имеет заметную плотность состояний на уровне Ферми, поскольку зона проводимости частично заполнена.

Температурная зависимость

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 (колебания решетки)). В случае изолятора или полупроводника (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 снижаться при промежуточных температурах, а затем, опять же, увеличиваться при еще более высоких температурах. Полуметаллическое состояние аналогично металлическому состоянию, но в полуметаллах и дырки, и электроны вносят вклад в электрическую проводимость. Для некоторых полуметаллов, таких как мышьяк и сурьма , существует не зависящая 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, 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

Чтобы классифицировать полупроводники и полуметаллы, необходимо построить график зависимости энергии их заполненных и пустых зон от импульса электронов проводимости кристалла . Согласно теореме Блоха проводимость электронов зависит от периодичности кристаллической решетки в разных направлениях.

В полуметалле дно зоны проводимости обычно находится 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

Эта диаграмма иллюстрирует прямой полупроводник (A), непрямой полупроводник (B) и полуметалл (C).

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 между металлами и полупроводниками .

Физические свойства

Поскольку в полуметаллах меньше носителей заряда, чем в металлах, 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

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), а олово , висмут и графит обычно не считаются металлоидами. Сообщалось о переходных состояниях полуметалла в экстремальных условиях. Недавно было показано, что некоторые проводящие полимеры могут вести себя как полуметаллы.

Смотрите также

использованная литература