半金属调研结果

1、半金属 (metalloid ; semi-metals 元素 1在元素周期表中处于金属向非金属过渡位置,通常包括硼 B 、硅 Si碲 Te 、硒 Se 、钋 Po 和砹 At ,锗 Ge 、锑 Sb 也可归入半金属。半金属性脆,呈金属光泽,电负性在 1.82.4之间,大于金属,小于非金属。 半金属与非金属作用时常作为电子给予体,而与金属作用时常作为电子接受体。其氧 化物与水作用生成弱酸性或弱碱性的溶液 。半金属大多是半导体 ,具有导电性,电阻 率介于金属(10-5欧姆 ·厘米以下和非金属(1010欧姆 ·厘米以上之间,导电性对 温度的依从关系通常与金属相反, 如果加热半金

2、属,其电导率随温度的升高而上升。 半金属大都具有多种不同物理、化学性质的同素异形体,广泛用作半导体材料。半金属的特点目前半金属载流子电子浓度 远低于 正常金属的一类金属。正常金属的载流 子浓度都在 1022厘米 -3以上。而半金属的载流子浓度在 10221017厘米 -3之间。典型的数据如下:砷 As Arsenic (2.12±0.01×1020厘米 -3锑 Sb Antimony (5.54±0.05×1019厘米 -3铋 Bi Bismuth 2.88×1017厘米 -3石墨 2.72×1018厘米 -3半金属能带的特点,是它的

3、导带与价带之间有一小部分重叠 。不需要 热激发,价带顶部的电子会流入能量较低的导带底部。因此在 绝对零度 时, 导带中就已有一定的电子浓度,价带中也有相等的空穴浓度。这是半金属 与半导体的根本区别。但因重叠较小,它和典型的金属也有所区别。除上述元素外,化合物也可以是半金属,如 Mg2Pb。另有一些 化合物,如 HgTe 、 HgSe 等禁带宽度等于零,有时称作零禁带半导体,实质 上也是半金属。半金属磁性材料半金属材料的一个重要特征为具有高达 100 %的传导电子自旋极化率。半金 属磁性材料是一种具有极大的应用潜能的自旋电子学材料。半金属材料有多种分类方法。1. 根据材料结构的不同 , 半金属可

4、分为尖晶石结构型半金属材料 ,如 :Fe3O4 , CuV2S4 等 ;钙钛矿结构型半金属材料 ,如 : La2/ 3Sr1/ 3MnO3 , La0. 7Sr0. 3MnO3 等 ; 金红石结构型半金属材 料 , 如 : CrO2 , CoS2 等 ; Half- Heusler和 Heusler 结构半金属材料 , 如 : NiMnSb , PtMnSb和 Mn2VAl 等。2. 根据材料磁性的不同可分为铁磁性半金属 ,如 : CrO2 ;亚铁磁性半金属 ,如 : Fe3O4 等 ;反铁磁性半金属。如 : V7MnFe8Sb7 In 和 LaVMnO6等。3. 根据半金属性的来源又可分为共

5、价键带隙半金属 ,如 : NiMnSb , GaAs10 和 CrO2 ;电荷传输能带带隙半金属 ,如 : 庞磁阻材料和双钙钛矿结构材料 ;d- d 相互作用能带带隙半金属 ,如 : Fe3O4、 Fe xCo1- x S2和 Mn2VAl 。自旋能带带隙是半金属的本质要素 , 根据半金属性的本质来源划分半金属 的种类更为重要和科学。电荷传输能带带隙半金属的能态密度示意图 , 一种自旋取向的电子为巡游电子 (处于能带的内部 ,而 另一种自旋取向的电子为局域电子 (处于能带的边沿 半金属是一种具有特殊电子结构的固体材料 , 费米面附近传导电子的自旋 方向都相同 , 极化率为 100 %。通常的铁

6、磁材料并不是半金属 , 如铁 (3d64s2 , 钴 (3d74s2 , 镍 (3d84s2 。虽然它们的 3d 能带电子是极化的 , 3d 巡游电子对传导电流有一定的贡献 , 但传导电子主要为 4s 电子 , 4s 电 子的自旋极化与 3d 不同 , 一般铁磁金属传导电子极化率约为 30 %50 %铁磁材料 Fe , Co 和 Ni 元素的电子态 密度目前对半金属材料的研究主要处于实验探索及靠能带结构的理论计算。具 有重要潜在应用价值的半金属材料还没进入半金属产品开发和应用阶段。 对半金属材料的研究所面临的关键问题是对传导电子极化率如何准确直观 地进行测量表征。半金属材料传导电子极化率的测量受表面传导电子的影 响较大 , 表面和块体的电子态密度有很大不同 , 对极化率的测量具有重要 影响。极化率还与温度有密切的关系 , 主要取决于半金属内部自旋波的激 发。传导电子极化率不仅与两种电子自旋取向的数目有