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半金属 (能带理论)

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不同材料中,热平衡时的电子态密度分布。其中纵轴是能量,横轴是所列材料的态密度。在金属半金属中,费米能级EF位于某一个能带中,而在绝缘体半导体中,费米能级则处于带隙当中。但是,在半导体当中能带和费米能级足够接近,使得电子空穴服从费米狄拉克分布。(However, in semiconductors the bands are near enough to the Fermi level to be thermally populated with electrons or holes.)

半金属(英語:semimetal)是指导带价带之间相隔很窄的材料。根据能带理论,固体根据这个间隔从窄到宽,可以依次分为金属、半金属、半导体绝缘体。对于半导体和绝缘体,导带和价带之间的间隔相对较大,使得费米能级附近电子的态密度等于零,成为带隙。其中绝缘体的带隙比半导体的大,但具体的分界线比较模糊。而对于半金属,导带和价带之间的间隔十分小,使得费米能级附近电子的态密度接近于零但不为零,因此也没有带隙。金属的费米能级则在导带当中,附近有足够大的电子态密度,使得电流可以良好地传导。[1]

命名的问题[编辑]

英语中的semimetalhalf-metal目前都被翻译为半金属,但二者概念完全不同。semimetal是本文所介绍的内容,而half-metal则是指一些顺磁材料,它们对处于不同自旋方向的电子分别显示出金属性或非金属性,详见半金属 (自旋电子学)。另外,类金属(metalloid)也有可能被翻译成“半金属”。

为了不造成混淆,有人建议把semimetal翻译成“半电导金属”(或“半导金属”),并把half-metal翻译成“半极性金属”(或“半极金属”)。[2]

半金属与半导体[编辑]

倒空间中,半金属的导带底和价带顶处于不同位置,即间接带隙。虽然一般情况下不这样说,但可以认为半金属是一种有负间接带隙的半导体,即它的导带底的能量比价带顶的低。

半导体中的直接带隙(A)、半导体中的间接带隙(B)以及半金属(C)的能带图。

如图,图中分别标出了以下材料的能带图:

A) 有直接带隙的半导体。如:CuInSe2
B) 有间接带隙的半导体。如:
C) 半金属。如:石墨碱土金属

这幅图只是示意性的,只标出了一维倒空间中导带的最低能级(导带底)和价带的最高能级(价带顶)的情况。在一般的固体中,倒空间应该是三维的,而且导带和价带中应该有无数条能级。

与金属不同,半金属同时拥有两种载流子(电子和空穴),但是每种载流子的数目又明显少于金属中载流子(电子)的数目。这一点和简并半导体类似,因此半金属的性质介于金属和半导体之间。

如果考虑零温情形,两者的可以得到更大的区分。对于半导体,在零温情形下,电子不会有任何的激发从低能带到高能带,因此是“绝缘的”。所谓半导体与绝缘体有类似的能带结构,只是能隙较小,这里较小是相比于温度而言的。而对于半金属,零温下,依旧是可以导体。

物理性质[编辑]

典型的半金属[编辑]

典型的半金属包括了灰锡(α锡)以及石墨等。其中前两者(砷和锑)同时也是类金属,但铋、灰锡和石墨则一般不被认为是类金属,因此这两个概念应该注意区分。

瞬时半金属在极端情况下也被发现.[3],而一些导电聚合物也被发现有半金属的性质。[4]

参考资料[编辑]

  1. ^ Burns, Gerald. Solid State Physics. Academic Press, Inc. 1985: 339–40. ISBN 0-12-146070-3. 
  2. ^ 曹则贤, "“半”里乾坤大", 《物理》, 2007, 36, 12, 958-960, doi:Null
  3. ^ Reed, Evan J.; Manaa, M. Riad; Fried, Laurence E.; Glaesemann, Kurt R.; Joannopoulos, J. D. A transient semimetallic layer in detonating nitromethane. Nature Physics. 2007, 4 (1): 72–76. Bibcode:2008NatPh...4...72R. doi:10.1038/nphys806. 
  4. ^ Bubnova . O, et al, "Semi-Metalic Polymers" Nature Materials, 2014, 13, 190, doi:10.1038/nmat3824