Los antimonuros de bismuto , bismuto-antimonio o aleaciones de bismuto-antimonio (Bi 1− x Sb x ) son aleaciones binarias de bismuto y antimonio en diversas proporciones.
Algunos, en particular Bi 0,9 Sb 0,1 , fueron los primeros aislantes topológicos tridimensionales observados experimentalmente , materiales que tienen estados superficiales conductores pero tienen un interior aislante. [2]
Varias aleaciones de BiSb también son superconductoras a bajas temperaturas, [3] son semiconductores , [1] y se utilizan en dispositivos termoeléctricos . [4]
El antimonuro de bismuto en sí (ver el recuadro a la derecha) a veces se describe como Bi 2 Sb 2 . [5]
Los cristales de antimonuros de bismuto se sintetizan fundiendo bismuto y antimonio juntos bajo gas inerte o al vacío. La fusión por zonas se utiliza para disminuir la concentración de impurezas. [4] Al sintetizar monocristales de antimonuros de bismuto, es importante eliminar las impurezas de las muestras, ya que la oxidación que se produce en las impurezas conduce al crecimiento policristalino. [1]
El bismuto puro es un semimetal que contiene un pequeño intervalo de banda, lo que le confiere una conductividad relativamente alta (7,7 × 10 5 S/m a 20 °C). Cuando el bismuto se dopa con antimonio, la banda de conducción disminuye en energía y la banda de valencia aumenta en energía. A una concentración de antimonio del 4%, las dos bandas se intersecan, formando un punto de Dirac [2] (que se define como un punto donde las bandas de conducción y valencia se intersecan). Aumentos adicionales en la concentración de antimonio dan como resultado una inversión de banda, en la que la energía de la banda de valencia se vuelve mayor que la de la banda de conducción en momentos específicos. Entre concentraciones de Sb del 7 y el 22%, las bandas ya no se intersecan, y el Bi 1− x Sb x se convierte en un aislante de banda invertida. [6] Es a estas concentraciones más altas de Sb que la brecha de banda en los estados de la superficie desaparece, y el material, por lo tanto, conduce en su superficie. [2]
Las temperaturas más altas a las que Bi 0.4 Sb 0.6 , como una película delgada de espesores de 150–1350 Å, superconduce (la temperatura crítica T c ) es de aproximadamente 2 K. [3] El monocristal Bi 0.935 Sb 0.065 puede superconducir a temperaturas ligeramente más altas y, a 4,2 K, su campo magnético crítico B c (el campo magnético máximo que el superconductor puede expulsar) de 1,6 T a 4,2 K. [7]
La movilidad de los electrones es un parámetro importante que describe los semiconductores porque describe la velocidad a la que los electrones pueden viajar a través del semiconductor. A 40 K, la movilidad de los electrones oscilaba entre4,9 × 10 5 cm 2 /V·s a una concentración de antimonio de 0 a2,4 × 10 5 cm 2 /V·s a una concentración de antimonio del 7,2%. [1] Esto es mucho mayor que la movilidad electrónica de otros semiconductores comunes como el silicio , que es de 1400 cm 2 /V·s a temperatura ambiente. [8]
Otro parámetro importante de Bi 1− x Sb x es la masa electrónica efectiva (EEM), una medida de la relación entre la aceleración de un electrón y la fuerza aplicada a un electrón. La masa electrónica efectiva es2 × 10 −3 m e para x = 0,11 y9 × 10 −4 m e en x = 0,06. [2] Esto es mucho menor que la masa efectiva del electrón en muchos semiconductores comunes (1,09 en Si a 300 K, 0,55 en Ge y 0,067 en GaAs ). Un EEM bajo es bueno para aplicaciones termofotovoltaicas .
Los antimonuros de bismuto se utilizan como patas de tipo n en muchos dispositivos termoeléctricos por debajo de la temperatura ambiente. La eficiencia termoeléctrica, dada por su factor de mérito z T = σS2T/la , donde S es el coeficiente de Seebeck , λ es la conductividad térmica y σ es la conductividad eléctrica, describe la relación entre la energía proporcionada por el termoeléctrico y el calor absorbido por el dispositivo. A 80 K, la figura de mérito ( z T ) para Bi 1− x Sb x alcanza un máximo en6,5 × 10 −3 K −1 cuando x = 0,15. [4] Además, el coeficiente de Seebeck (la relación entre la diferencia de potencial entre los extremos de un material y la diferencia de temperatura entre los lados) a 80 K de Bi 0,9 Sb 0,1 es −140 μV/K, mucho menor que el coeficiente de Seebeck del bismuto puro, −50 μV/K. [9]