ПОЛУМЕТАЛЛЫ


ПОЛУМЕТАЛЛЫ
ПОЛУМЕТАЛЛЫ

       
вещества, занимающие по электрич. свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками. Для П. характерно слабое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ), что приводит, с одной стороны, к тому, что П. остаются проводниками вплоть до абс. нуля темп-ры, а с др. стороны — к малой (по сравнению с металлами) концентрации носителей тока =1018—1020см-3. С ростом темп-ры число носителей увеличивается, электропроводность растёт. К П. относятся Bi, Sb, As, графит и др. Носители тока в П. отличаются большой подвижностью и малой эффективной массой. Благодаря этому П.— наиболее подходящие объекты для наблюдения размерных эффектов, фазовых переходов диэлектрик — металл в «ильных магн. полях и др.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

ПОЛУМЕТАЛЛЫ

- металлы, обладающие аномально малым числом 4004-90.jpgносителей заряда, приходящихся на один атом вещества. П. обладают всеми свойствами металлов при низких темп-pax Г (наличием вырожденной системы носителей заряда, постоянством их концентрации вплоть до темп-р Т =0 К, характером электропроводности). С др. стороны, ряд свойств П. делает их похожими на полупроводники: значительно более низкая электропроводность, чем у металлов; заметное возрастание числа носителей при повышении темп-ры. П. занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками.

П. являются элементы V группы периодич. системы элементов (As, Sb, Bi), графит и нек-рые соединения (GeTe и др.). Все П. имеют одинаковое число электронов и дырок и относятся к компенсиров. металлам с чётным числом валентных электронов, приходящихся на элементарную ячейку кристалла.

Полуметаллич. состояние у элементов V группы возникает вследствие структурной неустойчивости металла с простой кубич. решёткой, являющегося своеобразной "прафазой" П. Этот "праметалл" обладает ферми-поверхностъю с большими плоскими участками, размеры к-рых сопоставимы с размерами Бриллюэна зоны. При нормальных давлениях термодинамически более выгодной оказывается слабо искажённая ромбоэдрич. структура с удвоенным периодом в направлении одной из пространств. диагоналей исходного куба. Переход к искажённой структуре подобен Пайерлса переходу в одномерных металлах (см. Квазиодномерные соединения). При высоких давлениях p металлич. прафаза оказывается устойчивой. Её восстановление при всестороннем сжатии экспериментально наблюдалось у Bi(BiII) при p =26 кбар, у Sb(SbII) при p =78 кбар.

В отличие от одномерного случая, где Пайерлса переход приводит к образованию электронного энергетич. спектра диэлектрика с конечной величиной запрещённой зоны, в трёхмерном случае неустойчивость пра-фазы может приводить к образованию как диэлектрич. спектра, так и полуметаллического. Для последнего характерно перекрытие разрешённых зон. Оно оказывается возможным из-за чётности числа атомов и валентных электронов в элементарной ячейке, возникающей в результате удвоения периода решётки (у П. Vгруппы элементарная ячейка содержит 2 пятивалентных атома и 10 валентных электронов).

Чистые As, Sb, Bi имеют полуметаллич. спектр. Сплавы Bi и Sb4004-91.jpg в интервале составов 0,0654004-92.jpg0,23 являются полупроводниками с узкой запрещённой зоной 4004-93.jpg0,025 эВ.

Иную природу имеет происхождение полуметаллич. состояния в графите. Атомы С в отд. слое графита расположены в вершинах правильных шестиугольников и образуют структуру с полностью насыщенными связями. Электронный энергетич. спектр такого слоя является спектром бесщелевого полупроводника. Слабое перекрытие волновых ф-ций электронов в соседних слоях приводит к возникновению полуметаллич. спектра трёхмерного графита с перекрытием зон 4004-94.jpg 0,04 эВ.

Анализ происхождения электронного энергетич. спектра П. позволяет понять, с чем связано наиб. характерное для всех П. свойство - малое число носителей заряда на один атом вещества. Столь же типично для П. малое значение эфф. масс т электронов и дырок в нек-рых направлениях в зоне Бриллюэна (4004-95.jpg от массы m0 свободного электрона).

Совокупность этих свойств обусловливает то, что целый ряд физ. параметров П. имеет аномальное значение. Вследствие малого числа носителей весьма малыми являются сечения поверхностей Ферми (S4004-96.jpg). Малость эфф. масс приводит к высокой подвижности m носителей заряда (при низких темп-pax 4004-97.jpg, к большим значениям коэф. магнетосопротивления4004-98.jpg

4004-99.jpg термоэдс4004-100.jpg, g-фaторов4004-101.jpg магнитной восприимчивости4004-102.jpg

Диэлектрич. проницаемость 4004-103.jpgу П. V группы велика 4004-104.jpg Такая величина 4004-105.jpgсвязана с тем, что при удалении по энергии от уровня Ферми 4004-106.jpg на величину 4004-107.jpg эВ электронный энергетич. спектр этих веществ мало отличается от спектра в прафазе, для к-рого характерна большая плотность электронных состояний. У графита подобная аномалия отсутствует 4004-108.jpg

Полуметаллы V группы. Кристаллич. решётка имеет симметрию 4004-109.jpg (см. Симметрия кристаллов).

Она отличается от простой кубич. решётки ром-боэдрич. деформацией (угл. искажения 4004-110.jpg и сдвигом двух гранецентриров. подрешёток вдоль выделенной диагонали куба (относит. сдвиг 10%). Зона Бриллюэна близка по форме к зоне Бриллюэна для гранецентриров. кубич. решётки. Выделенное направление - ось 3-го порядка 4004-111.jpg (рис. 1). Электронные части поверхности Ферми у всех П. V группы представляют собой 3 вытянутые поверхности, близкие по форме к эллипсоидам (отношение макс. и мин. сечений 4004-113.jpg12-16) с центрами в точках 4004-114.jpgзоны Бриллюэна (рис. 2). Направления вытянутости квазиэллипсоидов у As и Sb отклонены на малые углы 4004-115.jpgот базисной плоскости и соответствующих биссекторных осей 4004-116.jpg Дырочные части поверхности Ферми у П. V группы сильно различаются между собой. У Bi поверхности Ферми дырок представляют собой эллипсоид вращения, вытянутый вдоль оси 4004-117.jpgс центром в точке Т зоны Брил-люэна (рис. 2). Отношение экстремальных дырочных сечений в Bi близко к 3. У Sb6 дырочных экстремумов, расположенных в точках H зоны Бриллюэна (рис. 3).


4004-112.jpg

Поверхности Ферми дырок - эллипсоиды вращения, направления вытяну-тости к-рых составляют углы 4004-118.jpg с осью 4004-119.jpg степень анизотропии экстремальных сечений близка к 3. Дырочные экстремумы в As находятся в тех же точках, что и в Sb, но поверхность Ферми дырок имеет значительно более сложную форму (рис. 4), что связано с большими размерами поверхности Ферми у As в зоне Бриллюэна по сравнению с соответствующими поверхностями у Sb и Bi.

4004-120.jpg


Эфф. массы электронов в П. V группы анизотропны: они близки к 4004-121.jpgв направлении вытянутости поверхности Ферми, тогда как в перпендикулярных направлениях 4004-122.jpg Эфф. массы дырок у Bi слабо анизотропны и составляют 4004-123.jpg У As и Sb дырочные массы более анизотропны и составляют 4004-124.jpg

Графит. Кристаллич. решётка относится к гексагональной системе, описывается пространств, группой симметрии 4004-125.jpgВыделенное направление (ось С )перпендикулярно слоям в решётке. Расстояние между атомами углерода в слое при Т =300 К а =1,4154004-127.jpg, межслоевое расстояние с/2= = 3,53384004-128.jpg. Зона Бриллюэна - гексагональная призма (рис. 5). Ось 4004-129.jpg совпадает с выделенным направлением С.

4004-126.jpg

4004-130.jpg

Поверхность Ферми сильно анизотропна. Её электронные и дырочные части вытянуты, вдоль боковых рёбер НКН зоны Бриллюэна и близки по форме к гофрированным в базисной плоскости эллипсоидам (рис. 6). Отношение экстремальных сечений поверхности Ферми для электронов и дырок 4004-131.jpg10.

В отличие от П. V группы электронные (с центром в точках K зоны Бриллюэна) и дырочные участки поверхности Ферми соприкасаются между собой. В малой окрестности точек соприкосновения поверхности близки к коническим. Эфф. массы электронов и дырок вдоль оси С:4004-132.jpgв плоскости графитовых слоев 4004-133.jpgКроме описанных частей поверхности Ферми, к-рые относятся к т. н. осн. носителям заряда вблизи точек К н H в зоне Бриллюэна расположены изоэнергетич. поверхности малых групп электронов и дырок (неосновные носители).

Физические свойства полуметаллов

Электропроводность. Высокая подвижность 4004-134.jpgносителей в П. частично компенсирует малость их концентрации. В результате электропроводность 4004-135.jpg П. значительно меньше отличается от проводимости металлов, чем концентрация носителей заряда (4004-136.jpg при Т =300 К и 4004-137.jpg при низких темп-pax). Высокие значения m и равенство концентраций электронов и дырок приводят к аномально сильной зависимости уд. сопротивления П. от магн. поля H. Напр., у Bi при Т =4,2 К уд. сопротивление r возрастает в 4004-138.jpg раз в поле H = 4004-139.jpg Э. При Т =300 К в том же поле наблюдается двукратное увеличение r у Bi, тогда как у Си изменение r при тех же условиях составляет 4004-140.jpg (см. Гальваномагнитные явления, Магнетосопротивление). При низких темп-pax Магнетосопротивление 4004-141.jpg обнаруживает осциллирующую зависимость от обратного магн. поля 1/Н (Шубникова- Де Хааза эффект). Сильная зависимость сопротивления r от Я широко используется для создания датчиков магн. поля.

Магнитные свойства полуметаллов. Все П.- диа-магнетики. Определяющий вклад в величину магн. восприимчивости c вносят электроны валентной зоны. Малость т обусловливает большое значение c, к-рая для П. достигает макс. значения среди всех известных диамагнетиков (исключая сверхпроводники, у к-рых

4004-142.jpg

При низких темп-pax у П. наблюдается осциллирующая зависимость c от 1/Н (Де Хааза- ван Альфена эффект). В наиб. чистых монокристаллич. П. амплитуда осцилляции превосходит величину монотонной части, иногда достигает теоретически возможного предела |c| = 1/4p. В последнем случае в кристалле возникает своеобразная структура магн. доменов. Среди П. макс. диамагнетизмом обладает графит (особенно искусственные квазидвумерные графиты с увеличенным межслоевым расстоянием). Высокий диамагнетизм П. (в частности, графита и Bi) позволяет их использовать для создания магнитных подвесов.

Термоэдс полуметаллов. С малостью энергии Ферми 4004-143.jpg большой подвижностью 4004-144.jpg носителей и заметным различием подвижностей электронов и дырок связаны высокие значения термоэдс П. 4004-145.jpgp её сильная зависимость от магн. поля H (см. Термогалъваномагнитные явления). С этим же связана большая величина т. н. термоэлектрич. добротности Z. В частности, у сплавов Bi - Sb при Т =77 К величина Z достигает значений 4004-146.jpgград 4004-147.jpg p увеличивается до 4004-148.jpg в поле Н4004-149.jpgЭ ( Нернста- Эттингсхаузена эффект). Высокая термоэлектрич. p термомагн. добротности позволяют использовать П. в качестве материалов для создания термоэлектрич. преобразователей или твердотельных холодильных устройств.

Чувствительность полуметаллов к внешним воздействиям. Малость энергий Ферми 4004-150.jpg электронов и дырок и энергии перекрытия зон является причиной того, что электронный спектр П. может претерпевать значит. изменения под действием разл. внеш. факторов (всестороннее сжатие, одноосные деформации, сильные магн. поля, изменение темп-ры, внесение примесей и т. д.). Чувствительность электронного энергетич. спектра П. к относительно слабым внеш. воздействиям позволяет наблюдать в них большое число эффектов, имеющих принципиальное значение в физике твёрдого тела. В П. V группы и их сплавов под давлением, при одноосных деформациях, легировании донорными или акцепторными примесями обнаружены фазовые переходы, к-рые связаны с изменением топологии и формы поверхности Ферми (топологич. переходы). Частным случаем таких переходов является переход металл- диэлектрик, к-рый сопровождается исчезновением поверхности Ферми электронов и дырок. Такой переход в П. V группы наблюдается под давлением, при одноосных деформациях и в магн. поле (у графита - в магн. поле). Вблизи критич. точки перехода металл-диэлектрик в П. в сильных магн. полях наблюдаются диэлектризация спектра в результате электронно-дырочного спаривания и образование фазы экситон-ного диэлектрика. В П. V группы происходят переходы в состояние бесщелевого полупроводника, к-рые сопровождаются резким уменьшением эфф. масс носителей, возрастанием их подвижности и анизотропии поверхности Ферми. В П. впервые обнаружены гигантские осцилляции поглощения ультразвука в магн. поле, разл. виды магнитоплазменных волн (альфеновские, циклотронные волны, доплероны), скачущие траектории электронов в магн. поле ( магнитные поверхностные уровни), циклотронный резонанс, радиочастотный размерный эффект (см. Гантмахера эффект), разл. осцилляц. эффекты, фокусировка электронов и т. п.

Лит.: Фальковский Л. А., Физические свойства висмута, "УФН", 1968, т. 94, с. 3; Брандт Н. Б., Ицкевич Е. С., Минина Н. Я., Влияние давления на поверхности Ферми металлов, "УФН", 1971, т. 104, с. 459; Абрикосов А. А., Некоторые вопросы теории полуметаллов "ЖЭТФ", 1973, т. 65, с. 2063; Эдельман В. С., Свойства электронов в висмуте, "УФН", 1977, т. 123, с. 257; Крэкнелл А., Уонг К., Поверхность Ферми, пер. с англ., М.. 1978; Clarke R., Uher С., High pressure properties ol graphite and its intercalation compounds, "Adv. Phys.", 1984, v. 33, № 5 p. 469; Brandt N. В., Сhudinоv S. М., Pоnо-mаrеv Y. G., Semimetals. 1. Graphite and its compounds, Amst., 1988. С. М. Чудинов, С. Д. Бенеславский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ПОЛУМЕТАЛЛЫ" в других словарях:

  • ПОЛУМЕТАЛЛЫ — ПОЛУМЕТАЛЛЫ, вещества (Bi, As, Sb, Te и др.), близкие по свойствам к металлам, но обладающие в 102 105 раз меньшей электропроводностью. Свойства полуметаллов зависят от внешних воздействий (температуры, магнитного поля и др.), что используется… …   Современная энциклопедия

  • ПОЛУМЕТАЛЛЫ — вещества (Bi, As, Sb, Te и др.), близкие по свойствам к типичным металлам, но обладающие в 102 105 раз меньшей электропроводностью. Свойства полуметаллов резко зависят от внешних воздействий (температуры, магнитного поля и др.), что используется… …   Большой Энциклопедический словарь

  • Полуметаллы — ПОЛУМЕТАЛЛЫ, вещества (Bi, As, Sb, Te и др.), близкие по свойствам к металлам, но обладающие в 102 105 раз меньшей электропроводностью. Свойства полуметаллов зависят от внешних воздействий (температуры, магнитного поля и др.), что используется… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • ПОЛУМЕТАЛЛЫ — вещества, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между (см.) и (см.). К полуметаллам относятся висмут, сурьма, мышьяк, графит и др …   Большая политехническая энциклопедия

  • Полуметаллы — У этого термина существуют и другие значения, см. Полуметалл (значения). 13 14 15 16 17 2 B Бор C Углерод N Азот O Кислород F …   Википедия

  • Полуметаллы — [semimetals] элементы, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками. Характерная особенность полуметаллов слабое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, что приводит к тому, что… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • Полуметаллы —         вещества, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами (См. Металлы) и полупроводниками (См. Полупроводники). Характерной особенностью П. является слабое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости (см.… …   Большая советская энциклопедия

  • ПОЛУМЕТАЛЛЫ — в ва, занимающие по своим электрофиз. св вам промежуточное положение между металлами и полупроводниками. Характерные особенности физ. св в П.: значительно меньшая, чем у металлов, электрич. проводимость; более слабо выраженный, чем у… …   Химическая энциклопедия

  • полуметаллы — ов; мн. (ед. полуметалл, а; м.). Элементы, близкие по свойствам к металлам, но обладающие меньшей электропроводностью. Свойства полуметаллов. Использование, применение полуметаллов. * * * полуметаллы вещества (Bi, As, Sb, Те и др.), близкие по… …   Энциклопедический словарь

  • ПОЛУМЕТАЛЛЫ — в ва (Bi, As, Sb, Те и др.), близкие по свойствам к типичным металлам, но обладающие в 102 105 раз меньшей электропроводностью. Свойства П. резко зависят от внеш. воздействий (темп ры, магн. поля и др.), что используется при их практич.… …   Естествознание. Энциклопедический словарь


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.