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Un mwcgsemimetallo è un materiale caratterizzato da una sovrapposizione molto piccola tra la parte inferiore della mwcwbanda di conduzione e la parte superiore della mwdabanda di valenza.cite-ref-1[1] Secondo la mweqteoria delle bande elettroniche, i solidi possono essere classificati come isolanti, mwegsemiconduttori, semimetalli o mwewmetalli.cite-ref-2[2]

Negli isolanti e nei semiconduttori, allo mwgqzero assoluto, la banda di valenza è piena ed è separata da una banda di conduzione soprastante vuota da un intervallo di mwggenergia potenziale, detto mwgwintervallo proibito,cite-ref-3[3]cite-ref-4[4] e pertanto essi non conducono elettricità a 0mwja K. Per gli isolanti, l'ampiezza di questo intervallo proibito è maggiore (ad es. >mwjq 4mwjg mwjweV) rispetto a quello di un semiconduttore (es. <mwka 4mwkq eV). Il valore 4mwkg eV è qui puramente esemplificativo, perché la differenza tra un materiale isolante e uno semiconduttore non è qualitativa, ma solo quantitativa.cite-ref-5[5]

Nei semimetalli la banda di conduzione e quella di valenza risultano parzialmente sovrapposte, ma la sovrapposizione avviene a valori diversi del mwmavettore d'onda, come avviene nei semiconduttori a mwmqband-gap indiretto; la mwmgdensità degli stati al mwmwlivello di Fermi per essi è piccola, a differenza che nei metalli, nei quali è significativa, data la sovrapposizione diretta di tali bande.cite-ref-6[6]cite-ref-7[7]

• Dipendenza dalla temperatura

• Classificazione

• Popolamento delle bande elettroniche

• Proprietà fisiche

• Semimetalli classici

• Differenze tra "semimetallo" e "metalloide"

• Note

• Voci correlate

Gli stati isolanti/semiconduttori differiscono dagli stati semimetallici/metallici per la dipendenza della loro mwpwconducibilità elettrica dalla mwqatemperatura. Con un metallo, la conducibilità diminuisce con l'aumento della temperatura (a causa della crescente interazione degli elettroni con i mwqqfononi del reticolo cristallino, che sono vibrazioni quantizzate del reticolo stesso). Con un isolante o un semiconduttore (che hanno due tipi di portatori di carica: mwqglacune 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 mwqwzero assoluto (poiché più elettroni vengono spostati nella banda di conduzione, creando al tempo stesso lacune nella banda di valenza), 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 le lacune che gli elettroni contribuiscono alla conduzione elettrica e per essi è quindi possibile alterare la conducibilità con l'introduzione di adatte impurezze nel loro reticolo cristallino (mwrqdrogaggio), come si fa per i semiconduttori.cite-ref-8[8]cite-ref-9[9] Con alcuni semimetalli, come mwtgl'arsenico e l'mwtwantimonio, c'è una densità di portatori (elettroni di conduzione e lacune) che aumenta molto poco con la temperatura al di sotto della mwuatemperatura ambiente (come nei metalli); nel mwuqbismuto questo è vero a temperature molto basse ma a temperature più alte la densità di portatori aumenta con la temperatura dando luogo a una transizione semimetallo-semiconduttore.cite-ref-10[10]

Un semimetallo differisce inoltre da un isolante o semiconduttore in quanto la conduttività di un semimetallo è sempre diversa da zero anche a T = 0mwvw K, mentre un semiconduttore ha conducibilità nulla allo zero assoluto e gli isolanti hanno conduttività praticamente nulla anche a temperatura ambiente, perché l'intervallo proibito è più ampio.

Per classificare semiconduttori e semimetalli, le energie delle loro bande piene e vuote devono essere poste in relazione con la mwwgquantità di moto degli elettroni di conduzione nel cristallo. Secondo il mwwwteorema di Bloch, la conduzione degli elettroni dipende dalla periodicità del reticolo cristallino nelle diverse direzioni.

In un semimetallo l'estremo inferiore della banda di conduzione è tipicamente situata, nello spazio delle quantità di moto, in una posizione diversa rispetto all'estremo superiore della banda di valenza (sono situate a mwxqvettori d'onda diversi). Si potrebbe dire che un semimetallo è un mwxgsemiconduttore con un mwxwintervallo proibito indiretto avente valore mwyanegativo, anche se raramente vengono descritti in questi termini.cite-ref-11[11]cite-ref-12[12]

La classificazione di un materiale come semiconduttore o semimetallo può diventare complicata quando l'intervallo proibito è estremamente piccolo o leggermente negativo. Il noto composto intermetallico VFemwag2Al,cite-ref-13[13] ad esempio, è stato storicamente considerato semimetallico (con un mwbwband-mwcagap negativo, ≈mwcq -0,1mwcg eV) per oltre due decenni prima che si dimostrasse effettivamente, mediante l'analisi delle proprietà di trasporto della mwcwresistività elettrica e del mwdacoefficiente di Seebeck., che si trattava di un semiconduttore con un mwdqband-mwdggap esiguo (≈mwdw 0,03mwea eV).cite-ref-14[14] Le tecniche sperimentali comunemente utilizzate per studiare il mwfqband-mwfggap possono essere sensibili a molti parametri, come la sua ampiezza, le caratteristiche della struttura elettronica (mwfwband-mwgagap diretto contro indiretto) e anche il numero di portatori di carica libera, che spesso possono dipendere dalle condizioni di preparazione del campione. Il mwgqband-mwgggap 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 l'ampiezza del mwgwband-mwhagap.

A differenza dei mwjqmetallmwjgi, i semimetalli hanno portatori di carica di entrambi i tipi: lacune e elettroni. Tuttavia, entrambi i portatori di carica in genere si trovano in numero molto inferiore rispetto a un metallo tipico. Sotto questo aspetto i semimetalli assomigliano più da vicino ai semiconduttori degeneri. Questo spiega perché alcune proprietà elettriche dei semimetalli sono intermedie tra quelle dei metalli e dei mwjwsemiconduttori.

Poiché i semimetalli hanno meno portatori di carica rispetto ai metalli, in genere hanno mwkgconduttività 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 mwkwdiamagnetiche e mwlacostanti dielettriche reticolari elevate.

I classici elementi chimici che presentano stati semimetallici in condizioni ambiente sono collocati nel mwlwgruppo del carbonio e in quello adiacente dell'mwmaazoto. Nel primo ci sono la mwmqgrafite,cite-ref-15[15] che è l'mwngallotropo più stabile del mwnwcarboniocite-ref-3-16-0[16] e lo mwpastagno alfa (stagno grigio);cite-ref-0-17-0[17] nel secondo l'mwqqarsenico grigio, l'mwqgantimonio e il mwqwbismuto (tutte e tre sono le forme più stabili dell'elemento).

Tra i mwrqcomposti c'è ad esempio il mwrgtellururo di mercurio (HgTe),cite-ref-18[18] che formalmente è un mwswsale, ma anche un semimetallo.cite-ref-19[19] Stati semimetallici transitori sono stati riportati in condizioni estreme per composti molecolari.cite-ref-20[20] Nel 2014 è stato dimostrato che pure alcuni mwvapolimeri conduttori possono comportarsi come semimetalli.cite-ref-21[21]

Il termine "semimetallo" (analogamente a "semiconduttore") si riferisce a un dato mwwwmateriale in condizioni specificate di forma cristallina, temperatura e pressione, mentre il termine "mwxametalloide" si riferisce ad un mwxqelemento chimico, a prescidere dalle condizioni in cui può trovarsi.

Più in dettaglio, il termine «semimetallo» rappresenta una condizione fisica di un materiale, legata alla disposizione energetica delle bande di valenza e di conduzione, in funzione del mwxwvettore d'onda. D'altra parte, un mwyaelemento chimico può essere un «metalloide» in base alle sue proprietà chimiche e fisiche.

Inoltre, mentre il fosforo bianco (Pmwyg4 molecolare) è un isolante, il fosforo nero (l'allotropo più stabile) è un semiconduttore che però a seconda dello spessore del cristallo o per drogaggio può subire una transizione semiconduttore-semimetallo.cite-ref-22[22]cite-ref-23[23] A seguire, l'arsenico grigio (α-As, mw0wromboedrico) è semimetallico, l'arsenico nero (ortorombico) è un semiconduttorecite-ref-24[24] e l'arsenico molecolare (Asmw2a4) è un isolante; invece, gli unici allotropi stabili in condizioni ambiente dell'antimonio (Sb-romboedrico) e del bismuto sono semimetallici. Lo stagno come elemento è un metalloide, ma lo stagno alfa (reticolo cubico) è semimetallico con proprietà particolari,cite-ref-0-17-1[17]cite-ref-25[25] mentre lo stagno beta (reticolo tetragonale) è invece metallico.

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