ПІВМЕТАЛИ - це
П. є елементи V групи періодич. системи елементів (As, Sb, Bi), графіт і деякі з'єднання (GeTe та ін). Всі П. мають однакову кількість електронів і дірок і відносяться до компенсацій. металів з парною кількістю валентних електронів, що припадають на елементарну комірку кристала.
Напівметаліч. стан елементів V групи виникає внаслідок структурної нестійкості металу з простий кубич. ґратами, що є своєрідною "прафазою" П. Цей "праметалл" маєфермі-поверхняз великими плоскими ділянками, розміри яких рівних зіставні з розмірамиБрілюена зони.При нормальних тисках термодинамічно більш вигідною виявляється слабо спотворена ромбоедрич. структура з подвоєним періодом у бік однієї з просторів. діагоналей вихідного куба. Перехід до спотвореної структури подібнийПайерлса переходув одновимірних металах (див.Квазіодномірні сполуки).При високих тискахpметаллич. прафаза виявляється стійкою. Її відновлення при всебічному стиску експериментально спостерігалося у Bi(BiII) приp =26 кбар, у Sb(SbII) приp =78 кбар.
На відміну від одновимірного випадку, де Пайєрлса перехід призводить до утворення електронного енергетич. спектра діелектрика з кінцевою величиною забороненої зони, у тривимірному випадку нестійкість прафази може призводити до утворення як діелектрич. спектра, так і напівметалевого. Для останнього характерне перекриття дозволених зон. Воно виявляється можливим через парність числа атомів і валентних електронів в елементарному осередку, що виникає в результаті подвоєння періоду ґрат (у П. V групи елементарний осередок містить 2 п'ятивалентні атоми і 10 валентних електронів).
Чисті As, Sb, Bi мають напівметаліч. Спектр. Сплави Bi та Sbв інтервалі складів 0,065 0,23 є напівпровідниками з вузькою забороненою зоною 0,025 ев.
Іншу природу має походження напівметаллич. стану у графіті. Атоми С у від. шарі графіту розташовані у вершинах правильних шестикутників і утворюють структуру з повністю насиченими зв'язками. Електронний енергетич. Спектр такого шару є спектром безщелевого напівпровідника. спектра тривимірного графіту з перекриттям зон 0,04 ев.
Аналіз походження електронного енергії. спектра П. дозволяє зрозуміти, із чим пов'язано наиб. характерна всім П. властивість - мале число носіїв заряду однією атом речовини. Так само типово для П. мале значення ефф. мастелектронів і дірок у деяких напрямах у зоні Бриллюена ( від маси m 0 вільного електрона).
Сукупність цих властивостей зумовлює те, що низку фіз. параметрів П. має аномальне значення Внаслідок малого числа носіїв дуже малими є перерізи поверхонь Фермі (S). Трохи ефф. мас призводить до високої рухливості m носіїв заряду (при низьких темп-pax, до великих значень коеф.магнетоопір
термоедс,g-фаторівмагнітної сприйнятливості
Діелектрич. проникність у П. V групи велика Така величина пов'язана з тим, що при видаленні енергії від рівня Фермі на величину еВ електронний енергетич. спектр цих речовин мало відрізняється від спектру в прафазі, для якого характерна велика щільність електронних станів. У графіту подібна аномалія відсутня.
Напівметали V групи. Кристалліч. грати мають симетрію (див.Симетрія кристалів).
Вона відрізняється відпростий кубіч. грати ром-боедрич. деформацією (кут. спотворення і зсувом двох гранецентриров. підрешіток вздовж виділеної діагоналі куба (відносить. зсув 10%). Зона Бріллюена близька за формою до зони Бріллюена для гранецентриров. кубич. решітки. Виділений напрямок - вісь 3-го порядку (рис. 1). ) Електронні частини поверхні Фермі у всіх П. V групи являють собою 3 витягнуті поверхні, близькі за формою до еліпсоїдів (відношення макс. і хв. перерізів 12-16) з центрами в точках зони Бріллюена (рис. 2). у As і Sb відхилені на малі кути від базисної площини і відповідних бісекторних осей Діркові частини поверхні Фермі у П. V групи різняться між собою. зони Бріл-люена (рис. 2) Відношення екстремальних діркових перерізів у Bi близько до 3. У Sb6 діркових екстремумів, розташованих у точкахHзони Бріллюена (рис. 3).
Поверхні Фермі дірок - еліпсоїди обертання, напрямки витягнутості к-рих складають кути з віссю ступінь анізотропії екстремальних перерізів близька до 3. Діркові екстремуми в As знаходяться в тих же точках, що і в Sb, але поверхня Фермі дірок має значно більш складну форму (рис. 4), що пов'язано з великими розмірами поверхні Фермі у As в зоні Бріллюена порівняно з відповідними поверхнями Sb і Bi.
Ефф. Маси електронів у П. V групи анізотропні: вони близькі до напрямку витягнутості поверхні Фермі, тоді як у перпендикулярних напрямках Ефф. маси дірок у Bi слабко анізотропні і становлять У As і Sb діркові маси більш анізотропні та становлять
Графіт. Кристалліч. грати відноситься до гексагональної системи, описуєтьсяпросторів, групою симетрії Виділений напрямок (вісьС)перпендикулярно шарам у ґратах. Відстань між атомами вуглецю в шарі приТ =300 Ка =1,415, міжшарову відстаньс/2= = 3,5338. Зона Бріллюена – гексагональна призма (рис. 5). Вісь збігається з виділеним напрямкомС.
Поверхня Фермі дуже анізотропна. Її електронні та дірочні частини витягнуті, уздовж бічних реберНКНзони Бріллюена і близькі за формою до гофрованих у базовій площині еліпсоїдів (рис. 6). Відношення екстремальних перерізів поверхні Фермі для електронів та дірок 10.
На відміну від П. V групи електронні (з центром у точкахKзони Бріллюена) та діркові ділянки поверхні Фермі стикаються між собою. У малій околиці точок дотику поверхні близькі до конічних. Ефф. маси електронів і дірок уздовж осіС:в площині графітових шарів Крім описаних частин поверхні Фермі, які відносяться до т.з. осн. носіям заряду поблизу точокК н Hзоні Бріллюена розташовані ізоенергетич. поверхні малих груп електронів та дірок (неосновні носії).
Фізичні властивості напівметалів
Електропровідність.Висока рухливість носіїв П. частково компенсує трохи їх концентрації. В результаті електропровідність П. значно менше відрізняється від провідності металів, ніж концентрація носіїв заряду (приТ =300 К і за низьких темп-pax). Високі значення m та рівність концентрацій електронів та дірок призводять до аномально сильної залежності уд. опору П. від магн. поляH. Напр., у Bi приТ =4,2 К уд. опір r зростає в один раз у поліH= Е. ПриТ =300 К у тому ж полі спостерігається дворазове збільшення r у Bi, тоді як уСи зміна r за тих же умов становить (див.Гальваномагнітні явища, Магнетоопір).При низьких темп-pax Магнетоопір виявляє осцилюючу залежність від зворотного магн. поля1/Н (Шубнікова-Де Хааза ефект).Сильна залежність опору r від Я широко використовується для створення датчиків магн. поля.
Магнітні властивості напівметалів.Всі П.-діа-магнетики. Визначальний внесок величину магн. сприйнятливості c вносять електрони валентної зони. Трохитобумовлює велике значення c, яка для П. досягає макс. значення серед усіх відомих діамагнетиків (виключаючи надпровідники, у яких брало
При низьких темп-pax у П. спостерігається осцилююча залежність c від1/Н (Де Хааза-ван Альфена ефект).наиб. чистих монокристаллічів. П. амплітуда осциляції перевищує величину монотонної частини, іноді досягає теоретично можливої межі c = 1/4 p. В останньому випадку в кристалі з'являється своєрідна структура магн. доменів. Серед П. макс. діамагнетизм має графіт (особливо штучні квазідвовимірні графіти зі збільшеною міжшаровою відстанню). Високий діамагнетизм П. (зокрема, графіту та Bi) дозволяє їх використовувати для створення магнітних підвісів.
Термоедс напівметалів.З дещицею енергії Фермі великою рухливістю носіїв і помітною відмінністю рухливостей електронів і дірок пов'язані високі значення термоедс П. p її сильна залежність від магн. поляH(див.Термогал'ваномагнітні явища).З цим же пов'язана велика величина т.з. термоелектрич. добротності Z. Зокрема, у сплавів Bi - Sb приТ =77 До величина Z досягає значень град p збільшується до поляНЕ (Нернста-Еттінгсхаузена ефект).Високатермоелектрич. p термомагн. добротності дозволяють використовувати П. як матеріали для створення термоелектрич. перетворювачів або твердотільних холодильних пристроїв.
Чутливість напівметалів до зовнішніх впливів.Малість енергій Фермі електронів і дірок та енергії перекриття зон є причиною того, що електронний спектр П. може зазнавати значить. зміни під впливом разл. зовніш. факторів (всебічне стиснення, одновісні деформації, сильні магн. поля, зміна температури, внесення домішок і т. д.). Чутливість електронного енергії. спектра П. до відносно слабких зовніш. впливам дозволяє спостерігати в них велика кількість ефектів, що мають важливе значення у фізиці твердого тіла. У П. V групи та їх сплавів під тиском, при одновісних деформаціях, легуванні донорними або акцепторними домішками виявлені фазові переходи, які пов'язані зі зміною топології і форми поверхні Фермі (топологічні переходи). Приватним випадком таких переходів єперехід метал-діелектрик,який супроводжується зникненням поверхні Фермі електронів і дірок. Такий перехід у П. V групи спостерігається під тиском, при одновісних деформаціях та в магн. поле (у графіту – у магн. полі). Поблизу критич. точки переходу метал-діелектрик П. в сильних магн. полях спостерігаються діелектризація спектра в результаті електронно-діркового спарювання та утворення фазиекситон-ного діелектрика.У П. V групи відбуваються переходи в стан безщілинного напівпровідника, які супроводжуються різким зменшенням ефф. мас носіїв, зростанням їхньої рухливості та анізотропії поверхні Фермі. У П. вперше виявлено гігантські осциляції поглинання ультразвуку магн. поле, розл. види магнітоплазмових хвиль (альфенівські, циклотронніхвилі, доплерони), що скачають траєкторії електронів у магн. поле (магнітні поверхневі рівні), циклотронний резонанс,радіочастотний розмірний ефект (див.Гантмахера ефект),разл. осциляц. ефекти, фокусування електронів тощо.
Літ.:Фальковський Л. А., Фізичні властивості вісмуту, "УФН", 1968, т. 94, с. 3; Брандт Н. Би., Іцкевич Є. С., Мініна Н. Я., Вплив тиску на поверхні Фермі металів, "УФН", 1971, т. 104, с. 459; Абрикосов А. А., Деякі питання теорії напівметалів "ЖЕТФ", 1973, т. 65, с. 2063; Едельман Ст С., Властивості електронів у вісмуті, "УФН", 1977, т. 123, с. 257; Крекнелл А., Уонг К., Поверхня Фермі, пров. з 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., Сhudinов S. М., Pоnо-марев Y. G., Semimetals. 1. Graphite and its compounds, Amst., 1988.З. М. Чудінов, С. Д. Бенеславський.