Semimetallo

Disambiguazione – Se stai cercando altri significati, vedi Metalloide.

Un semimetallo è un materiale caratterizzato da una sovrapposizione molto piccola tra la parte inferiore della banda di conduzione e la parte superiore della banda di valenza. Secondo la teoria delle bande elettroniche, i solidi possono essere classificati come isolanti, semiconduttori, semimetalli o metalli.^[1] Negli isolanti e nei semiconduttori la banda di valenza riempita è separata da una banda di conduzione vuota da un intervallo di energia potenziale, detto intervallo proibito. Per gli isolanti, l'ampiezza di questo intervallo proibito è maggiore (ad es. > 4 eV) rispetto a quello di un semiconduttore (es. < 4 eV). Il valore è puramente esemplificativo, perché la differenza tra un materiale isolante e uno semiconduttore non è qualitativa, ma solo quantitativa.^[2]

Riempimento degli stati elettronici in diversi tipi di materiali all'equilibrio. L'altezza è l'energia mentre la larghezza è la densità degli stati disponibili per una certa energia. L'ombreggiatura segue la distribuzione di Fermi-Dirac (nero: tutti gli stati riempiti; bianco: nessuno stato riempito). Nei metalli e nei semimetalli il livello di Fermi E_F si trova dentro almeno una banda.

Nei semimetalli la banda di conduzione e quella di valenza risultano parzialmente sovrapposte, ma la sovrapposizione avviene a valori diversi del vettore d'onda; la densità degli stati al livello di Fermi per essi è piccola. Un metallo, invece, ha una densità di stati apprezzabile al livello di Fermi perché la banda di conduzione è parzialmente riempita.^[3]

Dipendenza dalla temperatura

Gli stati isolanti/semiconduttori differiscono dagli stati semimetallici/metallici per la dipendenza dalla temperatura della loro conducibilità elettrica. Con un metallo, la conduttività diminuisce con l'aumento della temperatura (a causa della crescente interazione degli elettroni con i fononi, quanti delle vibrazioni del reticolo). Con un isolante o un semiconduttore (che hanno due tipi di portatori di carica: lacune 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 zero assoluto (poiché più elettroni vengono spostati nella banda di conduzione), 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. Con alcuni semimetalli, come l'arsenico e l'antimonio, c'è una densità del vettore indipendente dalla temperatura al di sotto della temperatura ambiente (come nei metalli) mentre, nel bismuto, questo è vero a temperature molto basse ma a temperature più alte la densità del vettore aumenta con la temperatura dando luogo a una transizione semimetallo-semiconduttore. Un semimetallo differisce anche da un isolante o semiconduttore in quanto la conduttività di un semimetallo è sempre diversa da zero (anche a T = 0 K), mentre un semiconduttore ha conducibilità nulla allo zero assoluto e gli isolanti hanno conduttività praticamente nulla anche a temperatura ambiente (a causa di un intervallo di banda più ampio).

Classificazione

Per classificare semiconduttori e semimetalli, le energie delle loro bande piene e vuote devono essere tracciate rispetto alla quantità di moto degli elettroni di conduzione nel cristallo. Secondo il teorema 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 vettori d'onda diversi). Si potrebbe dire che un semimetallo è un semiconduttore con un intervallo di banda indiretto negativo, anche se raramente vengono descritti in questi termini.^[4][5]

La classificazione di un materiale come semiconduttore o semimetallo può diventare complicata quando la banda proibita è estremamente piccola o leggermente negativa. Il noto composto intermetallico VFe₂Al,^[6] ad esempio, è stato storicamente considerato un semimetallo (con una banda proibita negativa ≈ -0,1 eV) per oltre due decenni prima che si dimostrasse effettivamente che si trattava di un semiconduttore con un piccolo gap (≈ 0,03 eV)^[7] mediante l'analisi delle proprietà di trasporto, della resistività elettrica e del coefficiente di Seebeck. Le tecniche sperimentali comunemente utilizzate per studiare il gap di banda possono essere sensibili a molti parametri, come l'entità del gap di banda, le caratteristiche della struttura elettronica (gap diretto contro indiretto) e anche il numero di portatori di carica libera (che spesso possono dipendere dalle condizioni di preparazione del campione). Il gap di banda 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 il gap di banda.

Schematico

 

Questo diagramma illustra i diagrammi di E vs. k di un semiconduttore diretto (A), un semiconduttore indiretto (B), e un semimetallo (C).

A differenza di un metallo, 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 le proprietà elettriche dei semimetalli sono a metà tra quelle dei metalli e dei semiconduttori.

Proprietà fisiche

Poiché i semimetalli hanno meno portatori di carica rispetto ai metalli, in genere hanno conduttività 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 diamagnetiche e costanti dielettriche reticolari elevate.

Semimetalli classici

Alcuni classici elementi chimici che presentano stati semimetallici in condizioni ambiente sono: arsenico grigio, antimonio, bismuto, stagno alfa (stagno grigio) e grafite,^[8] l'allotropo più stabile del carbonio.^[9] Il tellururo di mercurio (HgTe), che formalmente è un sale, ad esempio, a T ambiente è un semimetallo.^[10] Stati semimetallici transitori sono stati riportati in condizioni estreme per composti molecolari.^[11] Nel 2014 è stato dimostrato che pure alcuni polimeri conduttori possono comportarsi come semimetalli.^[12]

Differenze tra "semimetallo" e "metalloide"

Il termine "semimetallo" si riferisce a un dato materiale, mentre "metalloide" si riferisce ad un elemento chimico.

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 vettore d'onda. D'altra parte, un elemento chimico può essere un «metalloide» in base alle sue proprietà chimiche.

L'arsenico grigio (α-As, romboedrico) è semimetallico, l'arsenico nero (ortorombico) è un semiconduttore^[13] e l'arsenico molecolare (As₄) è un isolante. In condizioni ambiente, l'unico allotropo stabile dell'antimonio (romboedrico) è semimetallico. Lo stagno come elemento è un metalloide, ma lo stagno alfa è semimetallico e lo stagno beta è metallico.

Note

1. ^ (EN) Semiconductors and Semimetals, Academic Press, 6 settembre 1972, ISBN 978-0-08-086399-3. URL consultato il 26 marzo 2025.
2. ^ J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, 7 - Lo stato solido, in Chimica Inorganica, Seconda edizione italiana, sulla quarta edizione inglese, Piccin Nuova Libraria, Padova, 1999, pp. 281-284, ISBN 88-299-1470-3.
3. ^ Gerald Burns, Solid State Physics, 1ª ed., pp. 339-40, ISBN 978-0-12-146070-9.
4. ^ (EN) Cheng Guo, Viktar S. Asadchy e Bo Zhao, Light control with Weyl semimetals, in eLight, vol. 3, n. 1, 4 gennaio 2023, DOI:10.1186/s43593-022-00036-w. URL consultato il 27 marzo 2025.
5. ^ H.-S. Lan, S. T. Chang e C. W. Liu, Semiconductor, topological semimetal, indirect semimetal, and topological Dirac semimetal phases of ${\mathrm{Ge}}_{1\ensuremath{-}x}{\mathrm{Sn}}_{x}$ alloys, in Physical Review B, vol. 95, n. 20, 5 maggio 2017, pp. 201201, DOI:10.1103/PhysRevB.95.201201. URL consultato il 27 marzo 2025.
6. ^ Donald R. Askeland e Wendelin J. Wright, The science and engineering of materials, Seventh edition, Cengage Learning, 2016, pp. 387-389, ISBN 978-1-305-07676-1, OCLC 903959750. URL consultato il 26 marzo 2025.
7. ^ Thermoelectric transport of semiconductor full-Heusler VFe2Al, in Journal of Materials Chemistry C, vol. 8, n. 30, 2020, DOI:10.1039/D0TC02659J.
8. ^ The Band Theory of Graphite, vol. 71, DOI:10.1103/PhysRev.71.622.
9. ^ N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth-Heinemann, 1997, pp. 804-806, ISBN 0-7506-3365-4.
10. ^ Theoretical study of a potential low-noise semimetal-based avalanche photodetector, vol. 28, DOI:10.1109/3.123280.
11. ^ A transient semimetallic layer in detonating nitromethane, vol. 4, DOI:10.1038/nphys806.
12. ^ Semi-metallic polymers, vol. 13, DOI:10.1038/nmat3824, PMID 24317188.
13. ^ Caiping Wang, Shouyan Bai e Chunxiang Zhao, Arsenic K4 crystal: A new stable direct-gap semiconductor allotrope, in Solid State Communications, vol. 323, 1º gennaio 2021, pp. 114128, DOI:10.1016/j.ssc.2020.114128. URL consultato il 26 marzo 2025.

Voci correlate

• Modello di Hubbard
• Isolante di Mott
• Fisica dello stato solido

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