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半金属 (能带理论)

一月 10, 2024

  此條目介紹的是能带理论中，介于金属和半导体之间的材料（英語：semimetal）。关于元素周期表中，介于金属和非金属之间的元素（英語：metalloid），请见「类金属」。关于对于不同自旋方向的电子，分别显示出金属性或非金属性的材料（英語：half-metal），请见「半金属 (自旋电子学)」。

半金属（英語：semimetal）是指导带和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、半导体和绝缘体。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]

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。在金属和半金属中，费米能级EF位于某一个能带中，而在绝缘体和半导体中，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，使得电子和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.）

命名的问题 编辑

英语中的semimetal和half-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

在倒空间中，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：硅
C) 半金属。如：锡、石墨和碱土金属

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砷、锑、铋、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

一月 10, 2024
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