Полуметаллы: что это такое и как они используются в промышленности и науке
Полуметаллы — это уникальные материалы, которые занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками. Их свойства делают их интересными как для фундаментальной науки, так и для практического применения в промышленности. В этой статье мы разберем, что такое полуметаллы, как их классифицируют, какими свойствами они обладают и где используются.
Что такое полуметаллы?
Полуметаллы — это материалы, у которых зона проводимости и валентная зона немного перекрываются по энергии, но не совпадают в импульсном пространстве. Это означает, что в полуметаллах отсутствует запрещенная зона, которая характерна для изоляторов и полупроводников. Однако плотность состояний на уровне Ферми у полуметаллов значительно меньше, чем у обычных металлов.
Чтобы лучше понять это, рассмотрим основы электронной зонной теории. Все твердые тела можно разделить на четыре категории: изоляторы, полупроводники, полуметаллы и металлы. В изоляторах и полупроводниках между валентной зоной и зоной проводимости есть запрещенная зона. У изоляторов эта зона широкая (например, более 4 эВ), а у полупроводников — узкая (менее 4 эВ). В металлах зона проводимости частично заполнена, что обеспечивает высокую электропроводность. Полуметаллы же занимают промежуточное положение: у них нет запрещенной зоны, но и плотность носителей заряда значительно ниже, чем у металлов.
Температурная зависимость электропроводности
Одной из ключевых особенностей полуметаллов является их температурная зависимость электропроводности. У металлов проводимость уменьшается с ростом температуры, так как усиливается взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решетки (фононами). В изоляторах и полупроводниках проводимость, напротив, увеличивается с ростом температуры, так как больше электронов переходит в зона проводимости.
Полуметаллы ведут себя иначе. Их проводимость обычно слабо зависит от температуры, особенно в диапазоне ниже комнатной. Например, у таких материалов, как мышьяк и сурьма, плотность носителей заряда остается практически постоянной при низких температурах. Однако у висмута при повышении температуры плотность носителей увеличивается, что может привести к переходу из полуметаллического состояния в полупроводниковое.
Важно отметить, что проводимость полуметаллов никогда не равна нулю, даже при абсолютном нуле температуры. Это отличает их от полупроводников, которые при нулевой температуре становятся изоляторами, и от изоляторов, которые не проводят ток даже при комнатной температуре.
Классификация полуметаллов
Классификация полуметаллов основана на анализе их электронной структуры. Чтобы определить, является ли материал полуметаллом, необходимо построить график зависимости энергий заполненных и пустых зон от кристаллического импульса электронов. В полуметаллах низ зоны проводимости и верх валентной зоны расположены в разных частях импульсного пространства. Это означает, что полуметалл можно рассматривать как полупроводник с отрицательной непрямой запрещенной зоной, хотя такой термин используется редко.
Классификация может быть сложной, если материал имеет очень узкую или слегка отрицательную запрещенную зону. Например, соединение Fe₂VAl долгое время считалось полуметаллом с отрицательной запрещенной зоной около -0,1 эВ. Однако позже выяснилось, что это полупроводник с очень узкой запрещенной зоной (около 0,03 эВ). Такие ошибки возникают из-за сложностей в экспериментальных измерениях и расчетах электронной структуры.
Схематическое изображение электронной структуры
Электронная структура полуметаллов может быть представлена схематически. На таких схемах обычно показывают зону проводимости с самой низкой энергией и валентную зону с самой высокой энергией в одном измерении импульсного пространства (k-пространства). В реальных твердых телах k-пространство трехмерно, и существует бесконечное количество зон.
Полуметаллы отличаются от обычных металлов тем, что у них есть носители заряда обоих типов — электроны и дырки. Это позволяет называть их «двойными металлами», хотя количество носителей заряда в полуметаллах значительно меньше, чем в металлах. По своим электрическим свойствам полуметаллы ближе к вырожденным полупроводникам.
Физические свойства полуметаллов
Полуметаллы обладают рядом уникальных физических свойства. Из-за меньшего количества носителей заряда их электропроводность и теплопроводность обычно ниже, чем у металлов. При этом эффективные массы электронов и дырок в полуметаллах малы, так как перекрытие энергетических зон связано с их широким диапазоном.
Еще одной особенностью полуметаллов является их высокая диамагнитная восприимчивость. Это означает, что они слабо взаимодействуют с магнитным поле и могут использоваться в устройствах, где необходимо минимизировать магнитные эффекты. Кроме того, полуметаллы обладают высокой диэлектрической проницаемостью, что делает их интересными для применения в электронике.
Классические полуметаллы и их применение
Классическими примерами полуметаллов являются мышьяк (As), сурьма (Sb), висмут (Bi), серое олово (α-Sn) и графит. Интересно, что мышьяк и сурьма также относятся к металлоидам, но термины «полуметалл» и «металлоид» не являются синонимами. Полуметаллы могут быть как элементами, так и химическими соединениями, такими как теллурид ртути (HgTe).
Графит, аллотроп углерода, является одним из наиболее известных полуметаллов. Благодаря своей слоистой структуре он широко используется в качестве электрода в батареях и суперконденсаторах. Висмут, обладающий высокой диамагнитной восприимчивостью, применяется в магнитооптических устройствах и датчиках.
В последние годы полуметаллические свойства были обнаружены и в некоторых проводящих полимерах. Это открывает новые возможности для создания гибкой электроники и устройств на основе органических материалов.
Применение полуметаллов в промышленности и науке
Полуметаллы находят применение в различных областях промышленности и науки. Их уникальные свойства делают их ценными материалами для создания электронных устройств, датчиков и термоэлектрических преобразователей.
Электроника
Полуметаллы используются в производстве транзисторов, диодов и других электронных компонентов. Их промежуточные свойства позволяют создавать устройства с высокой эффективностью и низким энергопотреблением.
Термоэлектричество
Материалы на основе висмута и теллура применяются в термоэлектрических генераторах, которые преобразуют тепло в электричество. Такие устройства используются в космической отрасли, автомобильной промышленности и бытовой технике.
Магнитооптика
Полуметаллы с высокой диамагнитной восприимчивостью, такие как висмут, используются в магнитооптических устройствах для записи и чтения данных.
Энергетика
Графит и другие полуметаллы применяются в аккумуляторах и суперконденсаторах, обеспечивая высокую емкость и долговечность.
Будущее полуметаллов
Исследования полуметаллов продолжаются, и ученые открывают новые материалы с уникальными свойствами. Например, в последние годы были обнаружены полуметаллические состояния в экстремальных условиях, таких как высокое давление или низкие температуры. Это открывает новые перспективы для создания материалов с заданными свойствами.
Кроме того, развитие технологий синтеза и анализа позволяет более точно изучать электронную структуру полуметаллов. Это поможет лучше понять их свойства и найти новые области применения.
