세미메탈

Semimetal
하프메탈과 혼동하지 마세요.
주기율표에 있는 화학 원소의 등급은 메탈로이드를 참조하십시오.
평형 상태에서 다양한 유형의 물질로 전자 상태를 채우는 것.여기서 높이는 에너지이고 폭은 나열된 재료의 특정 에너지에서 사용 가능한 상태의 밀도입니다.음영은 페르미-디락 분포를 따릅니다(검은색: 모든 상태가 채워지고 흰색: 채워지지 않음).금속 및 세미메탈에서 페르미F 레벨 E는 적어도 하나의 밴드 안에 있습니다.
절연체와 반도체의 경우 페르미 레벨이 밴드 갭 안에 있지만, 반도체의 경우 밴드가 전자 또는 구멍으로 열적으로 채워질 수 있을 정도로 페르미 레벨에 가깝습니다.
편집하다

세미메탈은 전도 밴드의 바닥과 원자가 밴드의 상단 사이에 매우 작은 중첩을 가진 재료입니다.전자 밴드 이론에 따르면, 고체는 절연체, 반도체, 세미메탈 또는 금속으로 분류될 수 있다.절연체 및 반도체는 충전된 원자가 밴드를 밴드갭에 의해 빈 전도 대역에서 분리한다.절연체의 경우 밴드갭의 크기는 반도체(예를 들어 < 4 eV)보다 크다(예를 들어 > 4 eV).전도 대역과 원자가 대역이 약간 겹치기 때문에 세미메탈은 밴드 갭이 없고 페르미 레벨에서 무시할 수 있는 상태의 밀도가 있습니다.반면 금속은 전도 대역이 부분적으로 [1]채워져 있기 때문에 페르미 수준에서 상당한 밀도의 상태를 가진다.

온도 의존성

절연/반전도 상태는 전기 전도성의 온도 의존성에 있어 반금속/금속 상태와 다릅니다.금속의 경우, 전도율은 온도 상승에 따라 감소합니다(전자와 포논(latice vibration)의 상호작용 증가로 인해).절연체 또는 반도체(공과 전자라는 두 가지 유형의 전하 캐리어가 있음)의 경우 캐리어 이동성과 캐리어 농도는 모두 전도도에 기여하며 온도 의존성이 다릅니다.궁극적으로, 절연체와 반도체의 전도율은 절대 영점 이상의 온도(더 많은 전자가 전도 대역으로 이동함에 따라)의 초기 상승에 따라 증가하다가 중간 온도에서 감소하다가 다시 증가하여 더 높은 온도에서 증가한다는 것이 관찰된다.반금속 상태는 금속 상태와 비슷하지만 반금속 상태에서는 구멍과 전자가 모두 전기 전도에 기여합니다.비소나 안티몬과 같은 일부 반금속에서는 상온(금속)보다 낮은 온도에서 캐리어 밀도가 발생하는 반면 비스무트에서는 매우 낮은 온도에서 캐리어 밀도가 증가하지만 온도가 높을 경우 반금속-반도체 전환이 발생합니다.세미메탈은 또한 반도체의 전도율이 항상 0이 아닌 반면 반도체는 0 온도에서 전도율이 0이고 절연체는 (밴드 갭이 넓기 때문에) 주변 온도에서도 0이라는 점에서 절연체 또는 반도체와 다릅니다.

분류

반도체와 세미메탈을 분류하기 위해서는 충전된 대역과 빈 대역의 에너지가 전도 전자의 결정 운동량에 대해 표시되어야 합니다.블로흐 정리에 따르면 전자의 전도는 서로 다른 방향의 결정 격자의 주기성에 의존한다.

세미메탈에서 전도 밴드의 하단은 일반적으로 운동량 공간의 다른 부분(다른 k-벡터)에 위치하며, 원자가 밴드의 상단에는 위치하지 않는다.세미메탈은 음의 간접 밴드갭을 가진 반도체라고 할 수 있지만, 그러한 용어로는 거의 묘사되지 않는다.

반도체 또는 세미메탈로 분류하는 것은 매우 작거나 약간 음의 밴드갭이 있는 경우 까다로워질 수 있습니다.예를 들어 잘 알려진 화합물2 FeVAl은 운송 특성, 전기 저항률 및 제벡 계수의 자가 일관성 분석을 사용하여 작은 간격(약 0.03 eV) 반도체로[2] 실제로 입증되기 전까지 20년 이상 동안 반금속(음극 -0.1 eV)으로 간주되었다.밴드갭을 조사하기 위해 일반적으로 사용되는 실험 기법은 밴드갭의 크기, 전자 구조 특징(직접 간격과 간접 간격) 및 자유 전하 캐리어의 수(합성 조건에 따라 자주 달라질 수 있음)와 같은 많은 것에 민감할 수 있습니다.전송 특성 모델링에서 얻은 밴드갭은 본질적으로 그러한 요인과는 무관하다.반면, 전자 구조를 계산하는 이론적 기법은 종종 밴드 갭을 과소평가할 수 있습니다.

개략도

이 다이어그램은 직접 반도체(A), 간접 반도체(B) 및 세미메탈(C)을 나타냅니다.

도식적으로 이 그림은

  1. 직접 간극이 있는 반도체(예를 들어 구리 인듐 셀렌화물(CuInSe2))
  2. (실리콘(Si)과 같은) 간접 갭을 가진 반도체
  3. 반금속(주석(Sn), 흑연 및 알칼리 토류 금속 등)

그림은 도식이며 운동량 공간(또는 k-공간)의 한 차원 내에서 가장 낮은 에너지 전도 대역과 가장 높은 에너지 원자가 대역만 보여준다.일반적인 고체에서 k-공간은 3차원이며, 밴드 수는 무한합니다.

일반 금속과 달리, 세미메탈은 두 가지 유형의 전하 운반체를 가지고 있기 때문에 세미메탈이 아닌 '이중 금속'이라고 불려야 한다고 주장할 수 있다.단, 일반적으로 충전 캐리어는 실제 금속보다 훨씬 적은 수로 발생합니다.이런 점에서 퇴화된 반도체와 더 흡사하다.이것은 세미메탈의 전기적 특성이 왜 금속과 반도체의 전기적 특성 사이에 있는지 설명해준다.

물리 속성

세미메탈은 금속보다 전하 캐리어가 적기 때문에 일반적으로 전기 및 열 전도율이 낮습니다.에너지의 중복은 보통 두 에너지 대역이 넓다는 사실의 결과이기 때문에 그들은 또한 구멍과 전자 모두에 대해 작은 유효 질량을 가지고 있습니다.또한 일반적으로 높은 반자성 감수성과 높은 격자 유전율을 나타냅니다.

클래식 세미메탈

전형적인 반금속 원소는 비소, 안티몬, 비스무트, α-주석(회색 주석) 및 탄소의 동소체인 흑연입니다.처음 두 개(As, Sb)도 메탈로이드로 간주되지만 세미메탈과 메탈로이드라는 용어는 동의어가 아니다.세미메탈은 금속과는 대조적으로 수은 텔루라이드(HgTe)[3]와 같은 화합물일 수 있으며 주석, 비스무트, 흑연은 일반적으로 [4]금속으로 간주되지 않습니다.극단적인 [5]조건에서 일시적인 반측정 상태가 보고되었습니다.최근 일부 전도성 고분자가 세미메탈 [6]역할을 할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Burns, Gerald (1985). Solid State Physics. Academic Press, Inc. pp. 339–40. ISBN 978-0-12-146070-9.
  2. ^ Anand, Shashwat; Gurunathan, Ramya; Soldi, Thomas; Borgsmiller, Leah; Orenstein, Rachel; Snyder, Jeff (2020). "Thermoelectric transport of semiconductor full-Heusler VFe2Al". Journal of Materials Chemistry C. 8 (30): 10174-10184. doi:10.1039/D0TC02659J. S2CID 225448662.
  3. ^ Wang, Yang; N. Mansour; A. Salem; K.F. Brennan & P.P. Ruden (1992). "Theoretical study of a potential low-noise semimetal-based avalanche photodetector". IEEE Journal of Quantum Electronics. 28 (2): 507–513. Bibcode:1992IJQE...28..507W. doi:10.1109/3.123280.
  4. ^ Wallace, P.R. (1947). "The Band Theory of Graphite". Physical Review. 71 (9): 622–634. Bibcode:1947PhRv...71..622W. doi:10.1103/PhysRev.71.622. S2CID 53633968.
  5. ^ Reed, Evan J.; Manaa, M. Riad; Fried, Laurence E.; Glaesemann, Kurt R.; Joannopoulos, J. D. (2007). "A transient semimetallic layer in detonating nitromethane". Nature Physics. 4 (1): 72–76. Bibcode:2008NatPh...4...72R. doi:10.1038/nphys806.
  6. ^ Bubnova, Olga; Zia, Ullah Khan; Wang, Hui (2014). "Semi-Metallic Polymers". Nature Materials. 13 (2): 190–4. Bibcode:2014NatMa..13..190B. doi:10.1038/nmat3824. PMID 24317188.