半金屬 (能帶理論)

半金屬(英語:semimetal)是指導帶價帶之間相隔很窄的材料。根據能帶理論,固體根據這個間隔從窄到寬,可以依次分為金屬、半金屬、半導體絕緣體。對於半導體和絕緣體,導帶和價帶之間的間隔相對較大,使得費米能階附近電子的態密度等於零,成為帶隙。其中絕緣體的帶隙比半導體的大,但具體的分界線比較模糊。而對於半金屬,導帶和價帶之間的間隔十分小,使得費米能階附近電子的態密度接近於零但不為零,因此也沒有帶隙。金屬的費米能階則在導帶當中,附近有足夠大的電子態密度,使得電流可以良好地傳導。[1]

不同材料中,熱平衡時的電子態密度分布。其中縱軸是能量,橫軸是所列材料的態密度。在金屬半金屬中,費米能階EF位於某一個能帶中,而在絕緣體半導體中,費米能階則處於帶隙當中。但是,在半導體當中能帶和費米能階足夠接近,使得電子電洞服從費米狄拉克分布。(However, in semiconductors the bands are near enough to the Fermi level to be thermally populated with electrons or holes.)

命名的問題

英語中的semimetalhalf-metal目前都被翻譯為半金屬,但二者概念完全不同。semimetal是本文所介紹的內容,而half-metal則是指一些順磁材料,它們對處於不同自旋方向的電子分別顯示出金屬性或非金屬性,詳見半金屬 (自旋電子學)。另外,類金屬(metalloid)也有可能被翻譯成「半金屬」。

為了不造成混淆,有人建議把semimetal翻譯成「半電導金屬」(或「半導金屬」),並把half-metal翻譯成「半極性金屬」(或「半極金屬」)。[2]

半金屬與半導體

倒空間中,半金屬的導帶底和價帶頂處於不同位置,即間接帶隙。雖然一般情況下不這樣說,但可以認為半金屬是一種有負間接帶隙的半導體,即它的導帶底的能量比價帶頂的低。

 
半導體中的直接帶隙(A)、半導體中的間接帶隙(B)以及半金屬(C)的能帶圖。

如圖,圖中分別標出了以下材料的能帶圖:

A) 有直接帶隙的半導體。如:CuInSe2
B) 有間接帶隙的半導體。如:
C) 半金屬。如:石墨鹼土金屬

這幅圖只是示意性的,只標出了一維倒空間中導帶的最低能階(導帶底)和價帶的最高能階(價帶頂)的情況。在一般的固體中,倒空間應該是三維的,而且導帶和價帶中應該有無數條能階。

與金屬不同,半金屬同時擁有兩種載流子(電子和電洞),但是每種載流子的數目又明顯少於金屬中載流子(電子)的數目。這一點和簡併半導體類似,因此半金屬的性質介於金屬和半導體之間。

如果考慮零溫情形,兩者的可以得到更大的區分。對於半導體,在零溫情形下,電子不會有任何的激發從低能帶到高能帶,因此是「絕緣的」。所謂半導體與絕緣體有類似的能帶結構,只是能隙較小,這裡較小是相比於溫度而言的。而對於半金屬,零溫下,依舊是可以導體。

物理性質

典型的半金屬

典型的半金屬包括了灰錫(α錫)以及石墨等。其中前兩者(砷和銻)同時也是類金屬,但鉍、灰錫和石墨則一般不被認為是類金屬,因此這兩個概念應該注意區分。

瞬時半金屬在極端情況下也被發現.[3],而一些導電聚合物也被發現有半金屬的性質。[4]

參考資料

  1. ^ Burns, Gerald. Solid State Physics. Academic Press, Inc. 1985: 339–40. ISBN 0-12-146070-3. 
  2. ^ 曹則賢, "「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