Félfém (szilárdtestfizika)
A szilárdtest-fizikában 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 | forrásszöveg szerkesztése]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 | forrásszöveg szerkesztése]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]
Megjegyzések
[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]- ↑ 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 | forrásszöveg szerkesztése]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.
Jegyzetek
[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]- ↑ Burns, Gerald. Solid State Physics. Academic Press, Inc., 339–40. o. (1985. június 6.). ISBN 0-12-146070-3
- ↑ Wang, Yang; N. Mansour; A. Salem; K.F. Brennan; P.P. Ruden (1992). "Theoretical study of a potential low-noise semimetal-based avalanche photodetector". IEEE Journal of Quantum Electronics. 28 (2): 507–513. Bibcode:1992IJQE...28..507W. doi:10.1109/3.123280.
{{cite journal}}: Unknown parameter|last-author-amp=ignored (|name-list-style=suggested) (súgó) - ↑ Reed, Evan J.; Manaa, M. Riad; Fried, Laurence E.; Glaesemann, Kurt R.; Joannopoulos, J. D. (2007). "A transient semimetallic layer in detonating nitromethane". Nature Physics. 4 (1). Springer Nature: 72–76. Bibcode:2008NatPh...4...72R. doi:10.1038/nphys806.
- ↑ Olga Bubnova (2014). "Semi-Metallic Polymers". Nature Materials. 13. Springer Nature: 190. Bibcode:2014NatMa..13..190B. doi:10.1038/nmat3824.
{{cite journal}}: Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (súgó) - ↑ "What the heck is a Dirac electron? | Spinograph.org". www.spinograph.org. 2015. november 26. dátummal az eredeti címről archiválva. Hozzáférés: 2015. november 26..
- ↑ Du, Xu; Skachko, Ivan; Barker, Anthony; Andrei, Eva Y. (2008). "Approaching ballistic transport in suspended graphene". Nature Nanotechnology. 3 (8). Springer Nature: 491–495. doi:10.1038/nnano.2008.199. Hozzáférés: 2015. november 26..
- ↑ Mayorov, Alexander S.; Gorbachev, Roman V.; Morozov, Sergey V.; Britnell, Liam; Jalil, Rashid; Ponomarenko, Leonid A.; Blake, Peter; Novoselov, Kostya S.; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Geim, A. K. (2011). "Micrometer-Scale Ballistic Transport in Encapsulated Graphene at Room Temperature". Nano Letters. 11 (6). Amerikai Kémiai Társaság: 2396–2399. doi:10.1021/nl200758b. Hozzáférés: 2015. november 26..