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半金属与半导体有何差异如何准确b体育区分?

发布日期:2023-07-17 07:06 浏览次数:

  二者的区别还是来自于能带结构的不同。根据能带理论,根据价带与导带之间的间隔从窄到宽,固体可以依次分为金属、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,称为带隙。

  先说半导体半导体,这个概念没什么疑议,即价带和导带之间存在带隙,一般在1~3eV,通过热激发或者施加外电场可以使电子从价带跃迁至导带。

  半金属,在英文中对应两个侧重点不同的词,semimetal和half-metal。

  半金属(semimetal)是指价带和导带之间相隔很窄的材料。由于导带和价带之间的间隔十分小b体育,使得费米能级附近电子的态密度接近于零。

  半金属(half-metal)是指对于自旋为某一方向的电子表现为导体,但是对于自旋为另一方向的电b体育子表现为半导体或绝缘体的材料。所有半金属都是铁磁性或亚铁磁性的,但是大多数铁磁性或亚铁磁性的材料都不是半金属。许多已知的半金属都属于氧化物、硫化物或赫斯勒合金。

  有人建议把half-metal翻译成“半极性金属”(或“半极金属”)以示与semimetal的区别,但文献中大多依旧两种都称作半金属。

  实际上半金属和半导体的主要区别并不仅是禁带宽度,也和能带的具体结构有关。

  图中横轴是倒空间位矢,具体解释起来有点麻烦,不过可以理解成与空间位置对应的向量。

  可以看到半金属的导带底会向下弯曲,在最低处低于价带顶,但是由于价带顶和导带底的位置不同,所以导带价带并没有重合。

  在半导体中,我们把导带底和价带顶位置不同的半导体称为间接带隙半导体,不过间接带隙半导体的导带底依然是高于价带顶的(带隙为正)。

  而半金属,就相当于带隙为负的间接带隙半导体,由于带隙为负,价带顶的电子可以直接隧穿到导带底,这一特点导致半金属和间接带隙半导体的导电性有明显区别。

  另外考虑绝对零度下的平衡态,可以看出会有一部分电子填充到导带底,而价带顶可能并没有填满,所以此时半金属是有导电性的,和半导体不同。

  先看上图各种电子填充能带情况的示意图,是不是就能明白点呢?再加上简短的科学定义,就明白了吧b体育。

  半金属:能带之间有很小的重叠,一个能带几乎被电子充满,而另一个能带则几乎是空的。其导电性介于金属与半导体之间,称作“半金属”。

  在金属中,被电子填充的最高能带是不满的,而且能带中的电子密度很高,和原子密度具有相同的量级,因此金属有良好的导电性。

  对于半导体和绝缘体,在绝对零度时,被电子占据的最高能带是满带半导体,而上面的能带则是空的,满带与空带之间被禁带隔开。半导体与绝缘体之间的差别仅在于,半导体的禁带宽度比较窄,电子容易从满带激发到空带中去,而绝缘体中禁带宽度很宽,电子很难从满带激发到空带。

  的答案基本没有问题,指出了semi-和half-metal的核心区别,做点小补充:

  1. “半金属(semimetal)是指价带和导带之间相隔很窄的材料。由于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。”

  应该说semimetal是价带和导带有一个很小的重叠,因而它没有带隙但同时费米能级处态密度又几乎没有。这一概念不涉及自旋方向的区分

  2. half-metal 是跟自旋极化相关的定义,因此补充一张图[1]:

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