Полуметалл — это материал с очень небольшим перекрытием нижней части зоны проводимости 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]
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 повышением 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. У некоторых полуметаллов, таких как мышьяк и сурьма , 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, 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).
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 векторе k ), 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 задачей, если у него очень малая или слегка отрицательная ширина запрещенной зоны. 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.
Схематично на рисунке изображено
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 больше напоминают вырожденные полупроводники . Это объясняет, почему электрические свойства полуметаллов занимают промежуточное положение между свойствами металлов и полупроводников .
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 .
Классическими полуметаллическими элементами являются мышьяк , сурьма , висмут , α- олово ( серое олово) и графит , аллотроп углерода . Первые два (As, Sb) также считаются металлоидами, но термины «полуметалл» и «металлоид» не являются синонимами. Полуметаллы, в отличие от металлоидов, также могут представлять собой химические соединения , такие как 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]