Un semimetal es un material con una superposición muy pequeña entre la parte inferior de la banda de conducción y la parte superior de la banda de valencia . Según la teoría de bandas electrónicas , los sólidos se pueden clasificar en aislantes , semiconductores , semimetales o metales . En aisladores y semiconductores, la banda de valencia llena está separada de una banda de conducción vacía por una banda prohibida . Para los aisladores, la magnitud de la banda prohibida es mayor (p. ej., > 4 eV ) que la de un semiconductor (p. ej., < 4 eV). Debido a la ligera superposición entre las bandas de conducción y valencia, los semimetales no tienen banda prohibida y una densidad insignificante de estados en el nivel de Fermi . Un metal, por el contrario, tiene una densidad apreciable de estados en el nivel de Fermi porque la banda de conducción está parcialmente llena. [1]
Los estados aislantes/semiconductores se diferencian de los estados semimetálicos/metálicos en la dependencia de la temperatura de su conductividad eléctrica . En el caso de un metal, la conductividad disminuye con el aumento de la temperatura (debido a la creciente interacción de los electrones con los fonones (vibraciones de la red)). Con un aislante o semiconductor (que tiene dos tipos de portadores de carga: huecos y electrones), tanto la movilidad como las concentraciones de los portadores contribuirán a la conductividad y estas tienen diferentes dependencias con la temperatura. En última instancia, se observa que la conductividad de los aisladores y semiconductores aumenta con los aumentos iniciales de temperatura por encima del cero absoluto (a medida que más electrones se desplazan a la banda de conducción), antes de disminuir con temperaturas intermedias y luego, una vez más, aumentar con temperaturas aún más altas. El estado semimetálico es similar al estado metálico, pero en los semimetales tanto los huecos como los electrones contribuyen a la conducción eléctrica. Con algunos semimetales, como el arsénico y el antimonio , existe una densidad de portador independiente de la temperatura por debajo de la temperatura ambiente (como en los metales), mientras que, en el bismuto , esto es cierto a temperaturas muy bajas, pero a temperaturas más altas la densidad del portador aumenta con la temperatura dando lugar a una transición semimetal-semiconductor. Un semimetal también se diferencia de un aislante o semiconductor en que la conductividad de un semimetal siempre es distinta de cero, mientras que un semiconductor tiene conductividad cero a temperatura cero y los aisladores tienen conductividad cero incluso a temperatura ambiente (debido a una banda prohibida más amplia).
Para clasificar semiconductores y semimetales, las energías de sus bandas llenas y vacías deben compararse con el momento cristalino de los electrones de conducción. Según el teorema de Bloch, la conducción de electrones depende de la periodicidad de la red cristalina en diferentes direcciones.
En un semimetal, la parte inferior de la banda de conducción suele estar situada en una parte diferente del espacio de momento (en un vector k diferente ) que la parte superior de la banda de valencia. Se podría decir que un semimetal es un semiconductor con una banda prohibida indirecta negativa , aunque rara vez se describen en esos términos.
La clasificación de un material como semiconductor o semimetal puede resultar complicada cuando tiene bandas prohibidas extremadamente pequeñas o ligeramente negativas. El conocido compuesto Fe 2 VAL, por ejemplo, se consideró históricamente como un semimetal (con una brecha negativa ~ -0,1 eV) durante más de dos décadas antes de que se demostrara que era una brecha pequeña (~ 0,03 eV). semiconductor [2] mediante análisis autoconsistente de las propiedades de transporte, resistividad eléctrica y coeficiente de Seebeck . Las técnicas experimentales comúnmente utilizadas para investigar la banda prohibida pueden ser sensibles a muchas cosas, como el tamaño de la banda prohibida, las características de la estructura electrónica (brecha directa versus indirecta) y también el número de portadores de carga libres (que frecuentemente pueden depender de las condiciones de síntesis). ). La banda prohibida obtenida a partir del modelado de propiedades de transporte es esencialmente independiente de dichos factores. Por otro lado, las técnicas teóricas para calcular la estructura electrónica a menudo pueden subestimar la banda prohibida.
Esquemáticamente, la figura muestra
La figura es esquemática y muestra solo la banda de conducción de menor energía y la banda de valencia de mayor energía en una dimensión del espacio de impulso (o espacio k). En los sólidos típicos, el espacio k es tridimensional y hay un número infinito de bandas.
A diferencia de un metal normal , los semimetales tienen portadores de carga de ambos tipos (huecos y electrones), por lo que también se podría argumentar que deberían denominarse "metales dobles" en lugar de semimetales. Sin embargo, los portadores de carga suelen aparecer en cantidades mucho menores que en un metal real. En este aspecto se parecen más a los semiconductores degenerados . Esto explica por qué las propiedades eléctricas de los semimetales están a medio camino entre las de los metales y las de los semiconductores .
Como los semimetales tienen menos portadores de carga que los metales, normalmente tienen conductividades eléctricas y térmicas más bajas . También tienen masas efectivas pequeñas tanto para los huecos como para los electrones porque la superposición de energía suele ser el resultado del hecho de que ambas bandas de energía son anchas. Además, suelen mostrar altas susceptibilidades diamagnéticas y constantes dieléctricas de red altas .
Los elementos semimetálicos clásicos son el arsénico , el antimonio , el bismuto , el α- estaño (estaño gris) y el grafito , un alótropo del carbono . Los dos primeros (As, Sb) también se consideran metaloides, pero los términos semimetal y metaloide no son sinónimos. Los semimetales, a diferencia de los metaloides, también pueden ser compuestos químicos , como el telururo de mercurio (HgTe), [3] y el estaño , el bismuto y el grafito normalmente no se consideran metaloides. [4] Se han informado estados semimetálicos transitorios en condiciones extremas. [5] Recientemente se ha demostrado que algunos polímeros conductores pueden comportarse como semimetales. [6]