Félfém (szilárdtestfizika)

A szilárdtestfizikában és az anyagtudományban félfémnek nevezzük azokat az anyagokat, melyek sávszerkezetében a vegyértéksáv és a vezetési sáv kissé átfed.

Nem tévesztendő össze a következőkkel: Félfémek és Félfém (spintronika).

Fém, félfém, p típusú, intrinszik, n típusú félvezető és szigetelő sematikus sávdiagramja.

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

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

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]

Jegyzetek

1. 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

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.