半金属 (能带理论)

✍ dations ◷ 2025-08-03 06:51:48 #半金属 (能带理论)

半金属(英语: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。

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”)。

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。

如图,图中分别标出了以下材料的能带图:

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。

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.,而一些导电聚合物也被发现有半金属的性质。

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