Полуметалл — это материал с небольшим перекрытием энергии между дном зоны проводимости и верхом валентной зоны , но они не перекрываются в импульсном пространстве . Согласно электронной зонной теории , твердые тела можно классифицировать как 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 полуметаллы не имеют запрещенной зоны и имеют небольшую плотность 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 . В случае металла проводимость уменьшается с ростом температуры (из-за увеличения взаимодействия электронов с фононами (колебания решетки)). В случае изолятора или полупроводника (которые имеют два типа носителей заряда — дырки и электроны) как подвижность носителей, так и концентрация носителей будут вносить вклад в проводимость, и они имеют разные температурные зависимости. В конечном счете, наблюдается, что проводимость изоляторов и полупроводников увеличивается с начальным ростом температуры выше абсолютного нуля (поскольку больше электронов смещается в зону проводимости), прежде чем уменьшиться с промежуточными температурами, а затем снова увеличиться с еще более высокими температурами. Полуметаллическое состояние похоже на металлическое состояние, но в полуметаллах как дырки, так и электроны вносят вклад в электропроводность. У некоторых полуметаллов, таких как мышьяк и сурьма , существует независимая от температуры плотность носителей ниже комнатной температуры (как у металлов), тогда как у висмута это справедливо 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 не равна нулю, 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).
Для классификации полупроводников и полуметаллов необходимо построить графики энергий их заполненных и пустых зон в зависимости от кристаллического импульса электронов проводимости. Согласно теореме Блоха, проводимость электронов зависит от периодичности кристаллической решетки в различных направлениях.
В полуметалле дно зоны проводимости обычно расположено в другой части импульсного пространства (при другом векторе k ), чем верх валентной зоны. Можно сказать, что полуметалл — это полупроводник с отрицательной непрямой запрещенной зоной , хотя их редко описывают в таких терминах.
Классификация материала как полупроводника или полуметалла может стать сложной, если он имеет чрезвычайно малые или слегка отрицательные ширины запрещенной зоны. Например, хорошо известное соединение Fe 2 VAl исторически считалось полуметаллом (с отрицательной шириной запрещенной зоны ~ -0,1 эВ) в течение более двух десятилетий, прежде чем было фактически показано, что оно является полупроводником с малой шириной запрещенной зоны (~ 0,03 эВ) [2] с использованием самосогласованного анализа свойств переноса, электрического сопротивления 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 щель), а также количество свободных носителей заряда (которое часто может зависеть от условий синтеза). Ширина запрещенной зоны, полученная из моделирования свойств переноса, по существу не зависит от таких факторов. Теоретические методы расчета электронной структуры, с другой стороны, часто могут недооценивать ширину запрещенной зоны.
Схематически на рисунке показано
Рисунок схематичен 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 существует бесконечное количество зон.
В отличие от обычного металла , полуметаллы имеют носители заряда обоих типов (дырки и электроны), так что можно также утверждать, что их следует называть «двойными металлами», а не полуметаллами. Однако носители заряда обычно встречаются в гораздо меньших количествах, чем в настоящем металле. В этом отношении они больше напоминают вырожденные полупроводники . Это объясняет, почему электрические свойства полуметаллов находятся где-то между свойствами металлов и полупроводников .
Поскольку полуметаллы имеют меньше носителей заряда, чем металлы, они обычно имеют более низкую электро- и теплопроводность . Они также имеют небольшие эффективные массы как для дырок, так и для электронов, поскольку перекрытие энергии обычно является результатом того, что обе энергетические зоны широки. Кроме того, они обычно показывают высокую диамагнитную восприимчивость и высокую диэлектрическую проницаемость 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 быть химическими соединениями , такими как теллурид ртути (HgTe), [3] а олово , висмут и графит обычно не считаются металлоидами. [4] Переходные полуметаллические состояния были зарегистрированы при экстремальных условиях. [5] Недавно было показано, что некоторые проводящие полимеры могут вести себя как полуметаллы. [6]