Félfém (szilárdtestfizika)
A szilárdtestfizikában és az anyagtudományban félfémnek nevezzük azokat az anyagokat, melyek sávszerkezetében a vegyértéksáv és a vezetési sáv kissé átfed.
A felvezetők tiltott sávja jellemzően 1–4 eV körüli, a szigetelőké pedig ennél nagyobb. A félfémes anyagokban ez azonban nulla a megengedett sávok átfedése miatt. Nem mondható viszont, hogy a félfémek vezetési jellege fémes, ugyanis ezekben a sávok kicsi átfedése miatt a Fermi-szint körül kicsi az állapotsűrűség. A félfémek tehát köztes esetet képeznek a fémek és a félvezetők között.[1]
Fizikai jellemzők
[szerkesztés]Mivel a fémekhez képest a félfémekben kevesebb a töltéshordozó, elektromos és hővezetésük is gyengébb. Szintén az állapotsűrűség függvény sajátos jellegéből adódóan mind elektronjaik, mind elektronlyukaik effektív tömege kicsi (valójában a széles megengedett sávok hajlamosabbak az egymással való átfedésre és a kis effektív tömegre is). Továbbá gyakran diamágneses tulajdonságúak és jellemzőek nagy a dielektromos állandójuk.
Vezetési jellemzőik hőmérsékletfüggése a fémekéhez hasonló abban, hogy a hőmérséklet emelkedése a vezetőképesség csökkenésével jár, ugyanis egyre erősödik bennük a fononokon való szóródás. Viszont a félfémekben elektron és lyuk jellegű töltéshordozók is részt vesznek a vezetésben, mely egyébként a félvezetőkre jellemző.
A fémek 0 K közelében véges vezetőképességűek, ugyanis ezekben a Fermi-szint nagy állapotsűrűségű helyen van. Ellenben félvezetőkben és szigetelőkben nagyon alacsony hőmérsékleten nullára esik le a vezetőképesség, a termikus gerjesztés csökkenése ugyanis "befagyasztja" a töltéshordozókat. A félfémek, mivel kis hőmérsékleten is nemnulla vezetőképességűek, ebben a jellemzőjükben is inkább a fémekhez hasonlítanak.
Félfémes anyagok
[szerkesztés]A legismertebb félfémek az arzén, az antimon, a bizmut, az α-ón és a grafén (azaz a hatszöges grafitrács egyatomos rétege).[m 1] Félfémes vegyület például a higany-tellurid (HgTe).[2]
Bizonyos körülmények között egyes anyagok tranziens félfémes jelleget mutathatnak,[3] továbbá megfigyelték egyes vezető polimerek félfémes jellegét is.[4]
A végtelen grafén különleges jellemzője, hogy félfémes jellegét az első Brillouin-zóna határán a vezetési és vegyértéksáv direkt összeérése okozza. A félfémes jelleg például abban nyilvánul meg az esetében, hogy benne a relativisztikus Dirac-egyenletnek engedelmeskedő, úgynevezett Dirac-elektronok találhatók.[5] A következmény a grafén számos érdekes tulajdonsága, például negatív törésmutató, a közel fénysebességgel haladó, nulla effektív tömegű elektronok ballisztikus vezetés és más extrém transzportjelenségek.[6][7]
Jegyzetek
[szerkesztés]- ↑ A magyar szaknyelvben sajnálatos módon a félfém kifejezés három különböző jelentéssel is bír, melyeket nem szabad összetéveszteni. A szilárdtestfizikai értelemben vett félfémek (angol kifejezéssel semimetal) gyakran nem félfémes elemek (angolul metalloid, ezek a periódusos rendszerben a fémes és a nemfémes elemek között találhatók). Továbbá spintronikai értelemben vett félfémekről (angolul half-metal) is beszélhetünk aszerint, hogy a vizsgált anyag vezetési jellegének van-e spinfüggése. A kifejezés három értelme nem esik egybe, általában nem egyszerre jelentkező jelenségeken alapuló elnevezés, ezért megkülönböztetésük fontos.
Fordítás
[szerkesztés]Ez a szócikk részben vagy egészben a Semimetal című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
Források
[szerkesztés]- ↑ Burns, Gerald. Solid State Physics. Academic Press, Inc., 339–40. o. (1985. november 26.). ISBN 0-12-146070-3
- ↑ Wang, Yang (1992. november 26.). „Theoretical study of a potential low-noise semimetal-based avalanche photodetector”. IEEE Journal of Quantum Electronics 28 (2), 507–513. o. DOI:10.1109/3.123280.
- ↑ (2007. november 26.) „A transient semimetallic layer in detonating nitromethane”. Nature Physics 4 (1), 72–76. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nphys806.
- ↑ Olga Bubnova, Ullah Khan Zia, Hui Wang (2014. november 26.). „Semi-Metallic Polymers”. Nature Materials 13, 190. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nmat3824.
- ↑ What the heck is a Dirac electron? | Spinograph.org. www.spinograph.org. [2015. november 26-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2015. november 26.)
- ↑ Du, Xu (2008). „Approaching ballistic transport in suspended graphene”. Nature Nanotechnology 3 (8), 491–495. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nnano.2008.199. (Hozzáférés: 2015. november 26.)
- ↑ Mayorov, Alexander S. (2011). „Micrometer-Scale Ballistic Transport in Encapsulated Graphene at Room Temperature”. Nano Letters 11 (6), 2396–2399. o, Kiadó: Amerikai Kémiai Társaság. DOI:10.1021/nl200758b. (Hozzáférés: 2015. november 26.)