半金屬性質(zhì)

基于它們的物理和化學(xué)特性，幾乎所有元素周期表上的金屬都可被分類為金屬或非金屬；但也有一些特性介于金屬與非金屬之間，稱為半金屬。準(zhǔn)金屬也叫半金屬。通常指硼、硅、鍺、硒、碲、釙、砷和銻。它們?cè)谠刂芷诒碇刑幱诮饘傧蚍墙饘龠^(guò)渡的位置，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)介于金屬和非金屬之間。單質(zhì)一般性脆，呈金屬光澤。電負(fù)性在1.8～2.4之間，大于金屬，小于非金屬，準(zhǔn)金屬多是半導(dǎo)體，具有導(dǎo)電性。它們跟非金屬作用時(shí)常作為電子給予體，而跟金屬作用時(shí)常作為電子接受體

半金屬能帶的特點(diǎn)，是它的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間有一小部分重疊。不需要熱激發(fā)，價(jià)帶頂部的電子會(huì)流入能量較低的導(dǎo)帶底部。因此在絕對(duì)零度時(shí)，導(dǎo)帶中就已有一定的電子濃度，價(jià)帶中也有相等的空穴濃度。這是半金屬與半導(dǎo)體的根本區(qū)別。但因重疊較小，它和典型的金屬也有所區(qū)別。

除上述元素外，化合物也可以是半金屬，如 Mg2Pb。另有一些化合物，如HgTe、HgSe等禁帶寬度等于零，有時(shí)稱作零禁帶半導(dǎo)體，實(shí)質(zhì)上也是半金屬。

半金屬在元素周期表中處于金屬向非金屬過(guò)渡的位置，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)介于金屬和非金屬之間。半金屬性脆，呈金屬光澤，電負(fù)性在1.8～2.4之間，大于金屬，小于非金屬。半金屬與非金屬作用時(shí)常作為電子給予體，而與金屬作用時(shí)常作為電子接受體。其氧化物與水作用生成弱酸性或弱堿性的溶液。半金屬大多是半導(dǎo)體，具有導(dǎo)電性，電阻率介于金屬（10-5歐姆·厘米以下）和非金屬（1010歐姆·厘米以上）之間，導(dǎo)電性對(duì)溫度的依從關(guān)系通常與金屬相反，如果加熱半金屬，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而上升。半金屬大都具有多種不同物理、化學(xué)性質(zhì)的同素異形體，廣泛用作半導(dǎo)體材料。

準(zhǔn)金屬這個(gè)名詞起源于中世紀(jì)的歐洲，用來(lái)稱呼鉍，因?yàn)樗鄙僬＝饘俚难诱剐?，只算得上“?zhǔn)”金屬。目前則指導(dǎo)電電子濃度遠(yuǎn)低于正常金屬的一類金屬。正常金屬的載流子濃度都在10²² cm^-3以上。而半金屬的載流子濃度在10²²～10¹⁷ cm^-3之間。典型的數(shù)據(jù)如下：

砷　As Arsenic　(2.12±0.01)×10²⁰ cm^-3

銻　Sb Antimony　(5.54±0.05)×10¹⁹ cm^-3

鉍　Bi Bismuth　 2.88×10¹⁷ cm^-3

石墨　 2.72×10¹⁸ cm^-3

半金屬材料有多種分類方法。根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的不同, 半金屬可分為尖晶石結(jié)構(gòu)型半金屬材料,如:Fe3O4 , CuV2S4 等;鈣鈦礦結(jié)構(gòu)型半金屬材料,如: La2/ 3Sr1/ 3MnO3 , La0. 7Sr0. 3MnO3 等; 金紅石結(jié)構(gòu)型半金屬材料, 如: CrO2 , CoS2 等; Half- Heusler和Heusler 結(jié)構(gòu)半金屬材料, 如: NiMnSb , PtMnSb和Mn2VAl 等。根據(jù)材料磁性的不同可分為鐵磁性半金屬, 如: CrO2 ;亞鐵磁性半金屬,如: Fe3O4 等;反鐵磁性半金屬, 如: V7MnFe8Sb7 In 和LaVMnO6等。根據(jù)半金屬性的來(lái)源又可分為共價(jià)鍵帶隙半金屬, 如: NiMnSb , GaAs和CrO2 ; 電荷傳輸能帶帶隙半金屬, 如: 龐磁阻材料和雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料; d- d 相互作用能帶帶隙半金屬, 如: Fe3O4、FexCo1-xS2和Mn2VAl。自旋能帶帶隙是半金屬的本質(zhì)要素, 根據(jù)半金屬性的本質(zhì)來(lái)源劃分半金屬的種類更為重要和科學(xué)。2100433B

1983年，荷蘭Nijimegen大學(xué)的Groot 教授對(duì)half-Heusle合金NiMnSb進(jìn)行能帶計(jì)算后發(fā)現(xiàn)其具有一種特殊的新型能帶結(jié)構(gòu)，如圖1：NiMnSb的多數(shù)白旋方向圖所示：電子在一個(gè)自旋方向上呈現(xiàn)金屬性，也就是在費(fèi)米能級(jí)處有電子態(tài)的存在；而在另一個(gè)自旋方向上呈現(xiàn)半導(dǎo)體性，也就是在費(fèi)米能級(jí)處存在禁帶。他們將具有這種特殊能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為半金屬（half-metal）材料。這里所指的半金屬并不是傳統(tǒng)意義上的半金屬（semi-metal，如As、Sb、Bi等），傳統(tǒng)的半金屬是導(dǎo)電電子濃度遠(yuǎn)低于正常金屬的一類物質(zhì)的統(tǒng)稱，因其導(dǎo)電能力介于金屬與絕緣體之間而稱為半金屬。其能帶特點(diǎn)是導(dǎo)帶與價(jià)帶之間部分重疊，價(jià)帶電子在無(wú)需熱激發(fā)的情況下便會(huì)流入能量較低的導(dǎo)帶底部。而半金屬材料是電子結(jié)構(gòu)同時(shí)具有金屬性與半導(dǎo)體性的特征，這種微觀上金屬性與半導(dǎo)體性的共存被稱為半金屬性。

半金屬材料具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，因此其具有一些特殊的性質(zhì)：

1、它在費(fèi)米能級(jí)處的電子極化率高達(dá)100% ；

2、它的總磁矩為波爾磁矩的整數(shù)倍；

3、一些半金屬鐵磁體還具有較高的居里溫度。

這些特點(diǎn)使半金屬材料非常適合在自旋電子器件中應(yīng)用，尤其適合作為自旋注入源材料。

（1）北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心博士生蔣慶東在導(dǎo)師謝心澄教授指導(dǎo)下，與中心孫慶豐教授、劉海文助理研究員，以及蘇州大學(xué)江華教授合作，在外爾半金屬研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，文章以Topological Imbert-Fedorov Shift in Weyl Semimetals為題在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physics Review Letters115，156602）。

外爾半金屬由于其理論和實(shí)驗(yàn)方面的重大進(jìn)展受到凝聚態(tài)和材料領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。最近，科學(xué)家在TaAs族化合物中證實(shí)了外爾費(fèi)米子的存在。外爾費(fèi)米子靜質(zhì)量為零且具有特定的手性，從而可能具有奇特的物理特性。 蔣慶東等人注意到：盡管統(tǒng)計(jì)規(guī)律不同，外爾費(fèi)米子和光子有許多相似特性（例如: 都具有無(wú)質(zhì)量、手性等特點(diǎn)）。因此，外爾半金屬體系中將存在特定的類光學(xué)效應(yīng)。他們的工作主要研究外爾半金屬中的 Goos-H"a" ?nchen 位移和Imbert-Fedorov位移。

光學(xué)中Goos-H"a" ?nchen位移和Imbert-Fedoro位移是指光在界面反射過(guò)程中可能會(huì)存在的縱向偏移和橫向偏移。蔣慶東等人的研究表明，外爾費(fèi)米子在界面反射過(guò)程中也存在縱向偏移和橫向偏移（圖6）。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)橫向位移（Imbert-Fedorov 位移）不僅具有手性依賴（谷依賴）的特點(diǎn)，而且起源于體系的拓?fù)湫再|(zhì)，即外爾半金屬獨(dú)特的貝里曲率?；贗mbert-Fedorov 位移具有手性依賴的特點(diǎn)，多次界面反射后不同手性的外爾費(fèi)米子能被空間分離（圖7）。這一性質(zhì)可被利用于:（1）有效表征某個(gè)體系是否為外爾半金屬；（2）制備谷電子學(xué)器件；（3）通過(guò)測(cè)定Imbert-Fedorov位移得到體系的貝里曲率。正如審稿人評(píng)論說(shuō)：這項(xiàng)理論研究工作解決了該領(lǐng)域兩個(gè)較為重要的課題: 如何有效表征外爾半金屬和如何測(cè)量貝里曲率。

（2）北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子功能材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室姚裕貴教授研究組（余智明博士后、姚裕貴教授）和新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的楊聲遠(yuǎn)教授合作研究了第二類外爾半金屬在磁場(chǎng)下的新奇物性。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett.117, 077202 (2016)]。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部的資助。

在實(shí)驗(yàn)室中模擬和研究基本粒子（如狄拉克費(fèi)米子、外爾費(fèi)米子）的行為是當(dāng)前凝聚態(tài)物理中最為令人振奮的研究領(lǐng)域之一。更為吸引人的是，由于電子在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中和基本粒子在高能物理領(lǐng)域中所遵循的物理規(guī)范可有所不同，所以凝聚態(tài)物理中還能呈現(xiàn)出高能物理中所不存在的有效費(fèi)米子，如最近提出的第二類外爾(狄拉克)費(fèi)米子等諸多新型費(fèi)米子。一般而言，動(dòng)量空間中外爾費(fèi)米子的色散是可以沿某一動(dòng)量方向傾斜的。當(dāng)傾斜足夠強(qiáng)的時(shí)候，外爾錐將會(huì)翻倒而使得體系的費(fèi)米面從一個(gè)點(diǎn)變?yōu)橐粭l線或一個(gè)面。此種情況下的外爾費(fèi)米子被稱為第二類外爾費(fèi)米子，以區(qū)分于傳統(tǒng)的第一類外爾費(fèi)米子。盡管外爾費(fèi)米子的手性并不受能帶傾斜的影響，但在凝聚態(tài)物理中諸多物理行為都與體系費(fèi)米面的幾何形貌息息相關(guān)，所以第二類外爾費(fèi)米子具有迥異于傳統(tǒng)外爾費(fèi)米子和其它材料的新奇物性。

磁場(chǎng)下，電子的運(yùn)動(dòng)將會(huì)量子化而形成朗道能級(jí)，如體系是三維的，則朗道能級(jí)在沿著磁場(chǎng)方向是有色散的。研究發(fā)現(xiàn)，在第二類外爾半金屬中，能量?jī)A斜會(huì)使得體系的朗道能級(jí)間距變小，特別是當(dāng)磁場(chǎng)指向偏移能量?jī)A斜方向?yàn)槟硞€(gè)臨界角度時(shí)，朗道能級(jí)的間距為零，也即導(dǎo)致所謂的朗道能級(jí)坍塌現(xiàn)象(collapse of Landau levels)基于半經(jīng)典的物理圖像，他們還指出了此坍塌現(xiàn)象對(duì)應(yīng)于電子在磁場(chǎng)中的回旋運(yùn)動(dòng)軌道由閉合變?yōu)殚_放，表明此時(shí)有效外爾模型已不足以描述電子的行為。在朗道能級(jí)坍塌之前，第二類外爾點(diǎn)的朗道能級(jí)的磁光電導(dǎo)亦表現(xiàn)出與傳統(tǒng)外爾材料的迥異行為：如具有各向異性的磁光電導(dǎo)，低頻下一直存在帶間躍遷，且隨頻率增加，光學(xué)吸收譜具有獨(dú)特的形狀等。這些發(fā)現(xiàn)皆有助于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第二類外爾費(fèi)米子材料和確定體系參數(shù)。

圖8：(a)朗道能級(jí)壓縮因子隨能量?jī)A斜與磁場(chǎng)夾角的變化行為。(上)：傳統(tǒng)外爾點(diǎn)，(下)：第二類外爾點(diǎn)，其中紅線表示出現(xiàn)朗道能級(jí)坍塌的臨界角。(b)磁場(chǎng)下電子的半經(jīng)典軌道隨磁場(chǎng)方向變化的演化行為。軌道由封閉變?yōu)殚_放對(duì)應(yīng)于體系從具有良好定義的朗道能級(jí)到朗道能級(jí)的坍塌（外爾模型下的描述）。

圖9：（a）第二類外爾點(diǎn)和（c）傳統(tǒng)外爾點(diǎn)在能量?jī)A斜方向與磁場(chǎng)平行的情況下的朗道能級(jí)。（b）和（d）與（a）和（c）類似，但此時(shí)能量?jī)A斜方向與磁場(chǎng)反平行。（e）外爾點(diǎn)的縱向磁光電導(dǎo)，其中紅線對(duì)應(yīng)于（a）中的第二類外爾點(diǎn)，藍(lán)線對(duì)應(yīng)于（c）中的傳統(tǒng)外爾點(diǎn)。（f）與（e）類似，但分別對(duì)應(yīng)的是（b）和（d）中外爾點(diǎn)的行為。 2100433B