Un semimetal es un material con una pequeña superposición de energía entre la parte inferior de la banda de conducción y la parte superior de la banda de valencia , pero no se superponen en el espacio de momento . Según la teoría de bandas electrónicas , los sólidos se pueden clasificar como aislantes , semiconductores , semimetales o metales . En los aislantes y semiconductores, la banda de valencia llena está separada de una banda de conducción vacía por un intervalo de banda . Para los aislantes, la magnitud del intervalo de banda 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 intervalo de banda y una pequeña densidad 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 difieren de los estados semimetálicos/metálicos en la dependencia de la temperatura de su conductividad eléctrica . Con un metal, la conductividad disminuye con el aumento de la temperatura (debido al aumento de la interacción de los electrones con los fonones (vibraciones reticulares)). Con un aislante o semiconductor (que tienen dos tipos de portadores de carga: huecos y electrones), tanto las movilidades de los portadores como las concentraciones de portadores contribuirán a la conductividad y estas tienen diferentes dependencias de la temperatura. En última instancia, se observa que la conductividad de los aislantes 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. En el caso de algunos semimetales, como el arsénico y el antimonio , la densidad de portadores es independiente de la temperatura por debajo de la temperatura ambiente (como en los metales), mientras que en el caso del bismuto esto es así a temperaturas muy bajas, pero a temperaturas más altas la densidad de portadores aumenta con la temperatura, lo que da lugar a una transición de semimetal a 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 aislantes tienen conductividad cero incluso a temperatura ambiente (debido a una brecha de banda más amplia).
Para clasificar los semiconductores y semimetales, las energías de sus bandas llenas y vacías deben representarse gráficamente en función del 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 se encuentra normalmente 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 los describe en esos términos.
La clasificación de un material como semiconductor o semimetal puede volverse complicada cuando tiene brechas de banda extremadamente pequeñas o ligeramente negativas. El conocido compuesto Fe2VAl, por ejemplo, se consideró históricamente un semimetal (con una brecha negativa ~ -0,1 eV) durante más de dos décadas antes de que se demostrara realmente que era un semiconductor de brecha pequeña (~ 0,03 eV) [2] mediante un análisis autoconsistente de las propiedades de transporte, la resistividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck . Las técnicas experimentales comúnmente utilizadas para investigar la brecha de banda pueden ser sensibles a muchas cosas, como el tamaño de la brecha de banda, las características de la estructura electrónica (brecha directa versus brecha indirecta) y también el número de portadores de carga libres (que con frecuencia puede depender de las condiciones de síntesis). La brecha de banda 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 brecha de banda.
Esquemáticamente, la figura muestra
La figura es esquemática y muestra únicamente la banda de conducción de energía más baja y la banda de valencia de energía más alta en una dimensión del espacio de momento (o espacio k). En los sólidos típicos, el espacio k es tridimensional y hay una cantidad infinita 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 llamarse "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 sentido, 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 los semiconductores .
Como los semimetales tienen menos portadores de carga que los metales, suelen tener 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 amplias. Además, suelen mostrar susceptibilidades diamagnéticas elevadas y constantes dieléctricas reticulares elevadas .
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]