Полуметалл - Semimetal

Не путать с Полуметалл.
Для класса химические элементы на периодическая таблица, видеть металлоид.
Заполнение электронных состояний в различных типах материалов при равновесие. Здесь высота - это энергия, а ширина - это плотность доступных состояний для определенной энергии в указанном материале. Тень следует за Распределение Ферми – Дирака (чернить = все состояния заполнены, белый = состояние не заполнено). В металлы и полуметаллы то Уровень Ферми EF лежит внутри хотя бы одной полосы. В изоляторы и полупроводники уровень Ферми находится внутри запрещенная зона; однако в полупроводниках зоны достаточно близки к уровню Ферми, чтобы их можно было термозаселенный с электронами или дыры.
редактировать

А полуметалл это материал с очень маленьким перекрытием между нижней частью проводимость группа и вершина валентная полоса.В соответствии с электронная зонная теория, твердые тела можно классифицировать как изоляторы, полупроводники, полуметаллы, или металлы. В изоляторах и полупроводниках заполненная валентная зона отделена от пустой зоны проводимости запрещенная зона. 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 Уровень Ферми. Металл же, напротив, имеет заметную плотность состояний на уровне Ферми, поскольку зона проводимости частично заполнена.[1]

Температурная зависимость

Изолирующие / полупроводниковые состояния отличаются от полуметаллических / металлических состояний в температура зависимость их электрическая проводимость. У металла проводимость уменьшается с повышением температуры (из-за увеличения взаимодействия электронов с фононы (колебания решетки)). С изолятором или полупроводником (у которых есть два типа носителей заряда - дыры и электроны), подвижности и концентрации носителей будут вносить вклад в проводимость, и они имеют разные температурные зависимости. В конечном итоге наблюдается, что проводимость изоляторов и полупроводников увеличивается с начальным повышением температуры выше абсолютный ноль (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. С некоторыми полуметаллами, например мышьяк и сурьма, существует не зависящая от температуры плотность носителей ниже комнатной температуры (как в металлах), а в висмут, 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

Чтобы классифицировать полупроводники и полуметаллы, энергии их заполненных и пустых зон должны быть нанесены на график в зависимости от импульс кристалла электронов проводимости. Согласно Теорема 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-вектор ), чем вершина валентной зоны. Можно сказать, что полуметалл - это полупроводник с отрицательным непрямая запрещенная зона, хотя они редко описываются в таких терминах.

Схема

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

Схематично на рисунке изображен

А) полупроводник с прямым промежутком (например, селенид индия меди (CuInSe2))
Б) полупроводник с непрямым промежутком (типа кремний (Si))
В) полуметалл (типа банка (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. импульсное пространство (или k-пространство). В типичных твердых телах k-пространство трехмерно, и существует бесконечное количество полос.

В отличие от обычного металл, полуметаллы имеют носители заряда обоих типов (дырки и электроны), так что можно также утверждать, что их следует называть «двойными металлами», а не полуметаллами. Однако носителей заряда обычно гораздо меньше, чем в реальном металле. В этом отношении они напоминают вырожденные полупроводники ближе. Это объясняет, почему электрические свойства полуметаллов находятся где-то между свойствами металлов и металлов. полупроводники.

Физические свойства

Поскольку полуметаллы имеют меньше носителей заряда, чем металлы, они обычно имеют более низкую электрические 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 показывают высокие диамагнитный восприимчивости и высокая решетка диэлектрические постоянные.

Классические полуметаллы

Классические полуметаллические элементы - это мышьяк, сурьма, висмут, α-банка (серая олово) и графит, аллотроп из углерод. Первые два (As, Sb) также считаются металлоиды но термины полуметалл и металлоид не являются синонимами. Полуметаллы, в отличие от металлоидов, тоже могут быть химические соединения, Такие как теллурид ртути (HgTe),[2] и банка, 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бернс, Джеральд (1985). Физика твердого тела. Academic Press, Inc., стр. 339–40. ISBN  978-0-12-146070-9.
  2. ^ Ван, Ян; Н. Мансур; А. Салем; К.Ф. Бреннан и П. Руден (1992). «Теоретическое исследование потенциального малошумящего лавинного фотоприемника на основе полуметалла». Журнал IEEE по квантовой электронике. 28 (2): 507–513. Bibcode:1992IJQE ... 28..507Вт. Дои:10.1109/3.123280.
  3. ^ Уоллес, П.Р. (1947). "Ленточная теория графита". Физический обзор. 71 (9): 622–634. Bibcode:1947PhRv ... 71..622Вт. Дои:10.1103 / PhysRev.71.622.
  4. ^ Рид, Эван Дж .; Манаа, М. Риад; Жареный, Лоуренс Э .; Glaesemann, Kurt R .; Джоаннопулос, Дж. Д. (2007). «Переходный полуметаллический слой в детонирующем нитрометане». Природа Физика. 4 (1): 72–76. Bibcode:2008НатФ ... 4 ... 72р. Дои:10.1038 / nphys806.
  5. ^ Бубнова, Ольга; Зия, Уллах Хан; Ван, Хуэй (2014). «Полуметаллические полимеры». Материалы Природы. 13 (2): 190–4. Bibcode:2014НатМа..13..190Б. Дои:10.1038 / nmat3824. PMID  24317188.