شبه فلز

شبه الفلز مادةٌ ذات تداخل طاقي ضئيل بين قاع نطاق التوصيل وقمة نطاق التكافؤ ، لكنهما لا يتداخلان في فضاء الزخم . وفقًا لنظرية النطاقات الإلكترونية ، تُصنَّف المواد الصلبة إلى عوازل ، وأشباه موصلات ، وأشباه فلزات، وفلزات . في العوازل وأشباه الموصلات، يفصل نطاق التكافؤ الممتلئ عن نطاق التوصيل الفارغ فجوة نطاقية . في العوازل، تكون قيمة الفجوة النطاقية أكبر (مثلًا، > 4 إلكترون فولت ) من قيمتها في أشباه الموصلات (مثلًا، < 4 إلكترون فولت). نظرًا للتداخل الطفيف بين نطاقي التوصيل والتكافؤ، لا تمتلك أشباه الفلزات فجوة نطاقية، وتكون كثافة الحالات عند مستوى فيرمي فيها منخفضة . في المقابل، يمتلك الفلز كثافة حالات ملحوظة عند مستوى فيرمي لأن نطاق التوصيل فيه ممتلئ جزئيًا. ^{[ 1 ]}    

تختلف حالات العزل/شبه الموصلة عن حالات شبه الفلز/الفلز في اعتماد موصليتها الكهربائية على درجة الحرارة . ففي الفلزات، تنخفض الموصلية مع ارتفاع درجة الحرارة (نتيجةً لتزايد تفاعل الإلكترونات مع الفونونات (اهتزازات الشبكة البلورية)). أما في العوازل وشبه الموصلات (التي تحتوي على نوعين من حاملات الشحنة - الفجوات والإلكترونات)، فإن كلاً من حركية حاملات الشحنة وتركيزها يُسهمان في الموصلية، ويختلف اعتمادهما على درجة الحرارة. في النهاية، يُلاحظ أن موصلية العوازل وأشباه الموصلات تزداد مع الارتفاعات الأولية في درجة الحرارة فوق الصفر المطلق (نتيجةً لانتقال المزيد من الإلكترونات إلى نطاق التوصيل)، قبل أن تنخفض عند درجات الحرارة المتوسطة، ثم تعود للارتفاع مرة أخرى عند درجات حرارة أعلى. أما حالة شبه الفلز، فهي مشابهة لحالة الفلز، ولكن في أشباه الفلزات، تُسهم كل من الفجوات والإلكترونات في التوصيل الكهربائي. في بعض أشباه الفلزات، مثل الزرنيخ والأنتيمون ، تكون كثافة حاملات الشحنة ثابتة عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة (كما هو الحال في الفلزات)، بينما في البزموت ، يكون هذا صحيحًا عند درجات حرارة منخفضة جدًا، ولكن عند درجات حرارة أعلى، تزداد كثافة حاملات الشحنة مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تحول من شبه فلز إلى شبه موصل. ويختلف شبه الفلز أيضًا عن العازل أو شبه الموصل في أن موصليته دائمًا ما تكون غير صفرية، بينما تكون موصلية شبه الموصل صفرية فقط عند درجة حرارة الصفر المطلق، أما العوازل فتقترب موصليتها من الصفر ^{[ أ ]} حتى عند درجة حرارة الغرفة، وغالبًا عند درجات حرارة أعلى أيضًا (بسبب فجوة نطاق طاقة أوسع).

لتصنيف أشباه الموصلات وأشباه الفلزات، يجب رسم طاقات نطاقاتها الممتلئة والفارغة مقابل الزخم البلوري لإلكترونات التوصيل. ووفقًا لنظرية بلوخ، يعتمد توصيل الإلكترونات على دورية الشبكة البلورية في اتجاهات مختلفة.

في أشباه الفلزات، يقع قاع نطاق التوصيل عادةً في جزء مختلف من فضاء الزخم (عند متجه k مختلف ) عن قمة نطاق التكافؤ. يمكن القول إن شبه الفلز هو شبه موصل ذو فجوة نطاق غير مباشرة سالبة ، على الرغم من ندرة وصفها بهذه المصطلحات.

قد يصبح تصنيف مادة ما، سواءً كشبه موصل أو شبه فلز، أمرًا معقدًا عندما تكون فجوة نطاق الطاقة فيها صغيرة جدًا أو سالبة بشكل طفيف. فعلى سبيل المثال، اعتُبر المركب المعروف Fe₂VAl شبه فلز (بفجوة سالبة تبلغ حوالي -0.1 إلكترون فولت) لأكثر من عقدين من الزمن قبل أن يُثبت أنه شبه موصل ذو فجوة صغيرة (حوالي 0.03 إلكترون فولت) _[ ^{2 ] باستخدام} تحليل متسق ذاتيًا لخصائص النقل، والمقاومة الكهربائية، وقياسات معامل سيبك . وتتأثر التقنيات التجريبية الشائعة الاستخدام لدراسة فجوة نطاق الطاقة بعوامل عديدة، مثل حجم فجوة نطاق الطاقة، وخصائص البنية الإلكترونية (فجوة مباشرة مقابل فجوة غير مباشرة)، وعدد حاملات الشحنة الحرة (الذي يعتمد غالبًا على ظروف التخليق). أما فجوة نطاق الطاقة المُستنتجة من نمذجة خصائص النقل فهي مستقلة أساسًا عن هذه العوامل. في المقابل، غالبًا ما تُقلل التقنيات النظرية لحساب البنية الإلكترونية من تقدير فجوات نطاق الطاقة.

يوضح الشكل تخطيطيًا

الشكل تخطيطي، يُظهر فقط نطاق التوصيل ذي الطاقة الأدنى ونطاق التكافؤ ذي الطاقة الأعلى في بُعد واحد من فضاء الزخم (أو فضاء k). في المواد الصلبة النموذجية، يكون فضاء k ثلاثي الأبعاد، ويوجد عدد لا نهائي من النطاقات.

على عكس المعادن العادية ، تحتوي أشباه المعادن على حاملات شحنة من كلا النوعين (الفجوات والإلكترونات)، ولذلك يمكن القول إنها تُسمى "معادن مزدوجة" بدلاً من أشباه المعادن. مع ذلك، فإن عدد حاملات الشحنة فيها أقل بكثير من عددها في المعادن الحقيقية. من هذه الناحية، تُشبه أشباه المعادن أشباه الموصلات المتدهورة بشكل أكبر. وهذا يُفسر سبب كون الخصائص الكهربائية لأشباه المعادن متوسطة بين خصائص المعادن وأشباه الموصلات .

نظرًا لأن أشباه الفلزات تحتوي على عدد أقل من حاملات الشحنة مقارنةً بالفلزات، فإنها تتميز عادةً بموصلية كهربائية وحرارية أقل . كما أنها تتميز بكتل فعالة صغيرة لكل من الثقوب والإلكترونات، وذلك لأن تداخل الطاقة ينتج عادةً عن اتساع نطاقي الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر هذه المواد عادةً قابلية مغناطيسية معاكسة عالية وثوابت عزل كهربائي شبكية عالية .

العناصر شبه الفلزية الكلاسيكية هي الزرنيخ ، والأنتيمون ، والبزموت ، والقصدير ألفا (القصدير الرمادي) ، والجرافيت ، وهو أحد أشكال الكربون . يُعتبر العنصران الأولان (الزرنيخ والأنتيمون) من أشباه الفلزات ، ولكن مصطلحي "شبه فلز" و "شبه فلز" ليسا مترادفين. فعلى عكس أشباه الفلزات، يمكن أن تكون أشباه الفلزات مركبات كيميائية ، مثل تيلوريد الزئبق (HgTe)، ^{[ 3 ]} بينما لا يُعتبر القصدير والبزموت والجرافيت عادةً من أشباه ^{الفلزات} . [ ^{4 ]}

• عوازل نقل الشحنة
• نصف معدني
• نموذج هوبارد
• معدن
• عازل موت
• اللافلزات
• فيزياء الحالة الصلبة