Semimetallo (fisica)

Riempimento degli stati elettronici in diversi tipi di materiali all'equilibrio. L'altezza è l'energia mentre la larghezza è la densità degli stati disponibili per una certa energia. L'ombreggiatura segue la distribuzione di Fermi-Dirac (nero: tutti gli stati riempiti; bianco: nessuno stato riempito). Nei metalli e nei semimetalli il livello di Fermi E_F si trova dentro almeno una banda.

Un semimetallo è un materiale caratterizzato da una sovrapposizione molto piccola tra la parte inferiore della banda di conduzione e la parte superiore della banda di valenza. Secondo la teoria delle bande elettroniche, i solidi possono essere classificati come isolanti, semiconduttori, semimetalli o metalli. Negli isolanti e nei semiconduttori la banda di valenza riempita è separata da una banda di conduzione vuota da un intervallo tra bande, o banda proibita. Per gli isolanti, l'ampiezza di questa banda è maggiore (ad es. > 4 eV) rispetto a quello di un semiconduttore (es. < 4 eV). A causa della leggera sovrapposizione tra le bande di conduzione e di valenza, i semimetalli non hanno la banda proibita e una densità di stati trascurabile al livello di Fermi. Un metallo, invece, ha una densità di stati apprezzabile a livello di Fermi perché la banda di conduzione è parzialmente riempita.

Dipendenza dalla temperatura

Gli stati isolanti/semiconduttori differiscono dagli stati semimetallici/metallici per la dipendenza dalla temperatura della loro conducibilità elettrica. Con un metallo, la conduttività diminuisce con l'aumento della temperatura (a causa della crescente interazione degli elettroni con i fononi, quanti delle vibrazioni del reticolo). Con un isolante o un semiconduttore (che hanno due tipi di portatori di carica: lacune e elettroni), sia la mobilità dei portatori che le concentrazioni dei portatori contribuiranno alla conduttività e questi hanno diverse dipendenze dalla temperatura. In definitiva, si osserva che la conducibilità degli isolanti e dei semiconduttori aumenta con l'aumento iniziale della temperatura al di sopra dello zero assoluto (poiché più elettroni vengono spostati nella banda di conduzione), prima di diminuire con temperature intermedie e poi, ancora una volta, aumentare con temperature ancora più elevate. Lo stato semimetallico è simile allo stato metallico ma nei semimetalli sia i buchi che gli elettroni contribuiscono alla conduzione elettrica. Con alcuni semimetalli, come l'arsenico e l'antimonio, c'è una densità del vettore indipendente dalla temperatura al di sotto della temperatura ambiente (come nei metalli) mentre, nel bismuto, questo è vero a temperature molto basse ma a temperature più alte la densità del vettore aumenta con la temperatura dando luogo a una transizione semimetallo-semiconduttore. Un semimetallo differisce anche da un isolante o semiconduttore in quanto la conduttività di un semimetallo è sempre diversa da zero, mentre un semiconduttore ha conducibilità zero a temperatura zero e gli isolanti hanno conduttività zero anche a temperatura ambiente (a causa di un intervallo di banda più ampio).

Classificazione

Per classificare semiconduttori e semimetalli, le energie delle loro bande piene e vuote devono essere tracciate rispetto alla quantità di moto cristallina degli elettroni di conduzione. Secondo il teorema di Bloch la conduzione degli elettroni dipende dalla periodicità del reticolo cristallino in diverse direzioni.

In un semimetallo, la parte inferiore della banda di conduzione è tipicamente situata in una parte diversa dello spazio della quantità di moto (a un vettore d'onda diverso) rispetto alla parte superiore della banda di valenza. Si potrebbe dire che un semimetallo è un semiconduttore con un intervallo di banda indiretto negativo, anche se raramente vengono descritti in questi termini.

La classificazione di un materiale come semiconduttore o semimetallo può diventare complicata quando la banda proibita è estremamente piccola o leggermente negativa. Il noto composto Fe₂VAl, ad esempio, è stato storicamente considerato un semimetallo (con una banda proibita negativa ~ -0,1 eV) per oltre due decenni prima che si dimostrasse effettivamente che si tratti di un semiconduttore con un piccolo gap (~ 0,03 eV) mediante l'analisi delle proprietà di trasporto, della resistività elettrica e del coefficiente di Seebeck. Le tecniche sperimentali comunemente utilizzate per studiare il gap di banda possono essere sensibili a molte cose come la dimensione del gap di banda, le caratteristiche della struttura elettronica (gap diretto contro indiretto) e anche il numero di portatori di carica libera (che spesso possono dipendere dalle condizioni di sintesi ). Il gap di banda ottenuto dalla modellazione delle proprietà di trasporto è essenzialmente indipendente da tali fattori. D'altra parte, le tecniche teoriche per calcolare la struttura elettronica possono spesso sottostimare il gap di banda.

Schematico

Questo diagramma illustra un semiconduttore diretto (A), un semiconduttore indiretto (B), e un semimetallo (C).

A differenza di un metallo normale, i semimetalli hanno portatori di carica di entrambi i tipi (lacune e elettroni), quindi si potrebbe anche sostenere che dovrebbero essere chiamati "doppi metalli" piuttosto che semimetalli. Tuttavia, i portatori di carica in genere si trovano in numero molto inferiore rispetto a un metallo reale. Sotto questo aspetto assomigliano più da vicino ai semiconduttori degeneri. Questo spiega perché le proprietà elettriche dei semimetalli sono a metà tra quelle dei metalli e dei semiconduttori.

Proprietà fisiche

Poiché i semimetalli hanno meno portatori di carica rispetto ai metalli, in genere hanno conduttività elettriche e termiche inferiori. Hanno anche piccole masse efficaci sia per le lacune che per gli elettroni perché la sovrapposizione di energia risulta solitamente dal fatto che entrambe le bande di energia sono ampie. Inoltre mostrano tipicamente elevate suscettività diamagnetiche e costanti dielettriche reticolari elevate.

Semimetalli classici

Gli elementi semimetallici classici sono arsenico, antimonio, bismuto, α- stagno (stagno grigio) e grafite, un allotropo del carbonio. I primi due (As, Sb) sono anche detti metalloidi, ma i termini «semimetallo» e «metalloide» non sono sinonimi. I semimetalli, a differenza dei metalloidi, possono anche essere composti chimici, come il tellururo di mercurio (HgTe), mentre lo stagno, il bismuto e la grafite non sono generalmente considerati metalloidi. Stati semimetallici transitori sono stati riportati in condizioni estreme. Nel 2014 è stato dimostrato che pure alcuni polimeri conduttivi possono comportarsi come semimetalli.

Voci correlate

• Modello di Hubbard
• Isolante di Mott
• Fisica dello stato solido