Полуметалл — это материал с небольшим перекрытием энергий 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.
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 (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 увеличением 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), тогда 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 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 k-векторе), чем верх валентной зоны. Можно сказать, что полуметалл — это полупроводник с отрицательной непрямой запрещенной зоной, хотя их редко описывают в этих 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 Fe2VAl 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) 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.
Схематическое изображение
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.
Физические свойства
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.
Классические полуметаллы
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), а олово, висмут и графит обычно не считаются металлоидами.
Сообщалось о переходных полуметаллических состояниях в экстремальных условиях. Недавно было показано, что некоторые проводящие полимеры могут вести себя как полуметаллы.