ПОЛУМЕТА́ЛЛЫ

ПОЛУМЕТА́ЛЛЫ, ве­ще­ст­ва, за­ни­маю­щие по сво­им элек­трич. свой­ст­вам про­ме­жу­точ­ное по­ло­же­ние ме­ж­ду ме­тал­ла­ми и по­лу­про­вод­ни­ка­ми. Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью П. яв­ля­ет­ся сла­бое пе­ре­кры­ва­ние ва­лент­ной зо­ны и зо­ны про­во­ди­мо­сти (см. Зон­ная тео­рия), что при­во­дит, с од­ной сто­ро­ны, к то­му, что П. ос­та­ют­ся про­вод­ни­ка­ми элек­трич. то­ка вплоть до аб­со­лют­но­го ну­ля темп-ры, а с дру­гой – к ма­лой (по срав­не­нию с ме­тал­ла­ми) кон­цен­тра­ции но­си­те­лей за­ря­да (по­ряд­ка 10¹⁸-10²⁰ см^–3), ко­то­рая за­мет­но воз­рас­та­ет с по­вы­ше­ни­ем темп-ры. Для но­си­те­лей за­ря­да в П. ха­рак­тер­ны боль­шая под­виж­ность и ма­лая эф­фек­тив­ная мас­са. П. яв­ля­ют­ся эле­мен­ты V груп­пы ко­рот­кой фор­мы пе­рио­дич. сис­те­мы эле­мен­тов (As, Sb, Bi), гра­фит и не­ко­то­рые хи­мич. со­еди­не­ния (GeTe и др.).

В от­ли­чие от ти­пич­ных ме­тал­лов, кри­стал­лич. струк­ту­ра П. не от­но­сит­ся к чис­лу плот­ней­ших атом­ных упа­ко­вок и об­ла­да­ет ани­зо­тро­пи­ей, что обу­слов­ле­но не­рав­но­цен­но­стью хи­мич. свя­зи (по энер­гии, а ино­гда и по ти­пу) в раз­ных кри­стал­ло­гра­фич. на­прав­ле­ни­ях. Это при­во­дит к то­му, что рель­еф дна зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны, оп­ре­де­ляе­мый ха­рак­те­ром кри­стал­лич. струк­ту­ры, сло­жен и в не­ко­то­рых кри­стал­ло­гра­фич. на­прав­ле­ни­ях воз­мож­но пе­ре­кры­ва­ние ука­зан­ных зон. Сле­до­ва­тель­но, ва­лент­ные элек­тро­ны, осу­ще­ст­в­ляю­щие хи­мич. связь, де­ло­ка­ли­зу­ют­ся вдоль оп­ре­де­лён­ных на­прав­ле­ний в крис­тал­ле и ста­но­вят­ся элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти. В то же вре­мя вдоль др. кри­с­тал­ло­гра­фич. на­прав­ле­ний энер­ге­тич. за­зор ме­ж­ду дном зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ком ва­лент­ной зо­ны со­хра­ня­ет­ся, и с рос­том темп-ры воз­мо­жен ак­ти­ва­ци­он­ный пе­ре­ход элек­тро­нов ме­ж­ду зо­на­ми и рост элек­трич. про­во­ди­мо­сти с темп-рой, т. е. ти­пич­ное для по­лу­про­вод­ни­ков по­ве­де­ние. Напр., в гра­фи­те элек­тро­ны де­ло­ка­ли­зо­ва­ны в атом­ных сло­ях, пер­пен­ди­ку­ляр­ных оси с эле­мен­тар­ной ячей­ки (гек­са­го­наль­ной приз­мы). Вдоль этой оси атом­ные слои свя­за­ны сла­бы­ми ван-дер-ва­аль­со­вы­ми си­ла­ми и в этом на­прав­ле­нии со­хра­ня­ет­ся зна­чит. меж­зон­ный за­зор.

Вы­со­кая под­виж­ность но­си­те­лей за­ря­да в П. час­тич­но ком­пен­си­ру­ет­ся их ма­лой кон­цен­тра­ци­ей, и в ре­зуль­та­те элек­трич. про­во­ди­мость П. ма­ло от­ли­ча­ет­ся от про­во­ди­мо­сти ме­тал­лов (2·10²-3·10⁴ Ом^–1·см^–1 при темп-ре 300 К и 10⁵-10⁷ Ом^–1·см^–1 при низ­ких темп-pax). Для П. ха­рак­тер­на силь­ная за­ви­си­мость удель­но­го со­про­тив­ле­ния от ве­ли­чи­ны маг­нит­но­го по­ля. Напр., в Bi при темп-ре 4,2 К оно воз­рас­та­ет в 10⁴ раз в маг­нит­ном по­ле на­пря­жён­но­стью 10⁶ А/м, а при темп-ре 300 К в том же по­ле в 2 раза, то­гда как в Cu из­ме­не­ние со­про­тив­ле­ния при тех же ус­ло­ви­ях со­став­ля­ет 10^–4 (см. Галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния, Маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние). При низ­ких темп-pax маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние об­на­ру­жи­ва­ет ос­цил­ли­рую­щую за­ви­си­мость от на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля (Шуб­ни­ко­ва – де Хаа­за эф­фект).

Все П. яв­ля­ют­ся диа­маг­не­ти­ка­ми. Осн. вклад в ве­ли­чи­ну маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти вно­сят элек­тро­ны ва­лент­ной зо­ны. Ма­лая эф­фек­тив­ная мас­са но­си­те­лей за­ря­да обу­слов­ли­ва­ет боль­шое зна­че­ние маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти, ко­то­рая для П. дос­ти­га­ет макс. зна­че­ния сре­ди всех из­вест­ных диа­маг­не­ти­ков (за исключением сверх­про­вод­ни­ков). Макс. диа­маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­стью сре­ди П. об­ла­да­ет гра­фит (осо­бен­но ис­кусств. ква­зид­ву­мер­ные гра­фи­ты с уве­ли­чен­ным меж­слое­вым рас­стоя­ни­ем). При низ­ких темп-pax в П. на­блю­да­ет­ся ос­цил­ли­рую­щая за­ви­си­мость маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти от на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля (де Хаа­за – ван Аль­ве­на эф­фект).

Ма­лая энер­гия Фер­ми, боль­шая по­движ­ность но­си­те­лей за­ря­да и за­мет­ное раз­ли­чие под­виж­но­стей элек­тро­нов и ды­рок обу­слов­ли­ва­ют вы­со­кие зна­че­ния тер­мо­эдс П. и её силь­ную за­ви­си­мость от маг­нит­но­го по­ля (см. Тер­мо­галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния).

Под дей­ст­ви­ем разл. внеш­них фак­то­ров (все­сто­рон­нее сжа­тие, од­но­ос­ные де­фор­ма­ции, силь­ные маг­нит­ные по­ля, из­ме­не­ние темп-ры, вне­се­ние при­ме­сей и т. д.) элек­трон­ный спектр П. мо­жет пре­тер­пе­вать зна­чит. из­ме­не­ния. Это по­зво­ля­ет на­блю­дать в П. боль­шое чис­ло эф­фек­тов, имею­щих прин­ци­пи­аль­ное зна­че­ние в фи­зи­ке твёр­до­го те­ла. Напр., в П. V груп­пы пе­рио­дич. сис­те­мы и в их спла­вах под дав­ле­ни­ем, при од­но­ос­ных де­фор­ма­ци­ях, ле­ги­ро­ва­нии до­нор­ны­ми или ак­цеп­тор­ны­ми при­ме­ся­ми об­на­ру­же­ны фа­зо­вые пе­ре­хо­ды, свя­зан­ные с из­ме­не­ни­ем то­по­ло­гии и фор­мы по­верх­но­сти Фер­ми (т. н. то­по­ло­ги­че­ские пе­ре­хо­ды), ча­ст­ным слу­ча­ем ко­то­рых яв­ля­ет­ся пе­ре­ход ме­талл – ди­элек­трик.

Мно­гие П. (напр., со­еди­не­ния As и Sb с ме­тал­ла­ми) – пер­спек­тив­ные по­лу­про­вод­ни­ко­вые ма­те­риа­лы, ин­тен­сив­но изу­чае­мые в нач. 21 в. Силь­ная за­ви­си­мость элек­трич. со­про­тив­ле­ния П. от на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для из­го­тов­ле­ния дат­чи­ков на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля. Вы­со­кий диа­маг­не­тизм П. (в ча­ст­но­сти, гра­фи­та и Bi) по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать их для соз­да­ния маг­нит­ных под­ве­сов, а вы­со­кая тер­мо­элек­трич. и тер­мо­маг­нит­ная доб­рот­но­сти – для соз­да­ния тер­мо­элек­трич. пре­об­ра­зо­ва­те­лей или твер­до­тель­ных хо­ло­диль­ных уст­ройств. П. при­ме­ня­ют так­же в ме­тал­лур­гии в ка­че­ст­ве при­са­док.