Halfmetaal

'n Vergelyking van halfgeleiers en halfmetale

'n Halfmetaal is 'n vastestof wat se geleidings- en valensband (effens) oorlap in energie.^[1]

Halfmetale verteenwoordig die oorgang van halfgeleiers met 'n indirekte bandgaping na metale. Mens kan sê dat hulle 'n negatiewe indirekte bandgap het. Hulle het tipies 'n relatief lae weerstand. Die geleiding word veroorsaak deur die teenwoordigheid van beide tipes ladingsdraers, elektrone en gate (e^- en h⁺), al is dit in verskillende dele van die momentumruimte.

Elemente wat aan die metalloïede behoort, is dikwels halfmetale, maar daar is baie meer verbindings en allooie wat halfmetaaleienskappe vertoon as elemente. 'n Goeie voorbeeld van 'n halfmetaalelement is koolstof in sy vorm as grafiet.^[1] Titaandisulfied is 'n goeie voorbeeld van 'n halfmetaalverbinding. Dit geld ten minste vir sy driedimensionele vorm. Wanneer gelaagde halfmetale tot 'n enkele 2D-laag afgeskilfer word, is dit moontlik dat die bandgaping positief word en die materiaal 'n halfgeleier word.

Weyl- en Dirac-halfmetale

'n Weyl-halfmetaal is 'n materiaal wat in sy bandstruktuur baie naby die Fermi-energie'n Weyl-punt het. Dit is 'n punt waar twee bande mekaar in energie kruis. Dit is nie moontlik in materiale wat beide sentrosimmetries en nie-magneties is nie, aangesien hulle tyd-omkeersimmetrie besit. In sulke materiale is die bande reeds dubbeld ontaard in elke k-punt in die Brillouin-sone: beide elektronspins het dieselfde energy. Dit beteken dat Weyl-halfmetale tipies ferromagnete is wat nie 'n inversiesentrum het nie. Laasgenoemde vereis verder dat die spin-degenerasie van die bande deur 'n spin-afhanklike term in die Hamiltoniaan opgehef word.^[2]

In 'n Dirac-halfmetaal geld hierdie simmetrievereistes nie, maar dit beteken dat vier bande moet kruis. 'n Goeie voorbeeld van so 'n materiaal is grafeen.^[2] Daar is 'n verband met die vraag of die ruimtegroep waaraan die materiële struktuur behoort simmorfies of nie-simmorfies is. In laasgenoemde gevalle kan die glyvlakke of skroef-asse aan die rande van die Brillouin-sone die verskynsel van "bande wat aanmekaar steek" veroorsaak. Dit kan bv. gebeur in heliese strukture.^[3]

Verwysings

1. Meyer, Hans-Jürgen. (2023). "2 Festkörperchemie": in: Riedel Moderne Anorganische Chemie. Berlin, Boston: De Gruyter. pp. 183–428. doi:10.1515/9783110790221-002.
2. ProfM (2020). "Weyl semimetal". Mattermodelling.
3. M. Koshino, H. Aoki (2018). "Electronic structure of an electron on the gyroid surface: A helical labyrinth". archiv.org.