半金屬定義

半金屬在元素周期表中處于金屬向非金屬過渡的位置，物理性質(zhì)和化學性質(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常作為電子給予體，而與金屬作用時常作為電子接受體。其氧化物與水作用生成弱酸性或弱堿性的溶液。半金屬大多是半導體，具有導電性，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，導電性對溫度的依從關(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、化學性質(zhì)的同素異形體，廣泛用作半導體材料。

半金屬能帶的特點，是它的導帶與價帶之間有一小部分重疊。不需要熱激發(fā)，價帶頂部的電子會流入能量較低的導帶底部。因此在絕對零度時，導帶中就已有一定的電子濃度，價帶中也有相等的空穴濃度。這是半金屬與半導體的根本區(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，有時稱作零禁帶半導體，實質(zhì)上也是半金屬。

基于它們的物理和化學特性，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。準金屬也叫半金屬。通常指硼、硅、鍺、硒、碲、釙、砷和銻。它們在元素周期表中處于金屬向非金屬過渡的位置，物理性質(zhì)和化學性質(zhì)介于金屬和非金屬之間。單質(zhì)一般性脆，呈金屬光澤。電負性在1.8～2.4之間，大于金屬，小于非金屬，準金屬多是半導體，具有導電性。它們跟非金屬作用時常作為電子給予體，而跟金屬作用時常作為電子接受體

準金屬這個名詞起源于中世紀的歐洲，用來稱呼鉍，因為它缺少正常金屬的延展性，只算得上“準”金屬。目前則指導電電子濃度遠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)半金屬性的來源又可分為共價鍵帶隙半金屬, 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)來源劃分半金屬的種類更為重要和科學。2100433B

1983年，荷蘭Nijimegen大學的Groot 教授對half-Heusle合金NiMnSb進行能帶計算后發(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：電子在一個自旋方向上呈現(xiàn)金屬性，也就是在費米能級處有電子態(tài)的存在；而在另一個自旋方向上呈現(xiàn)半導體性，也就是在費米能級處存在禁帶。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)的半金屬是導電電子濃度遠低于正常金屬的一類物質(zhì)的統(tǒng)稱，因其導電能力介于金屬與絕緣體之間而稱為半金屬。其能帶特點是導帶與價帶之間部分重疊，價帶電子在無需熱激發(fā)的情況下便會流入能量較低的導帶底部。而半金屬材料是電子結(jié)構(gòu)同時具有金屬性與半導體性的特征，這種微觀上金屬性與半導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、它在費米能級處的電子極化率高達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。

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

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

外爾半金屬由于其理論和實驗方面的重大進展受到凝聚態(tài)和材料領域的廣泛關(guān)注。最近，科學家在TaAs族化合物中證實了外爾費米子的存在。外爾費米子靜質(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)計規(guī)律不同，外爾費米子和光子有許多相似特性（例如: 都具有無質(zhì)量、手性等特點）。因此，外爾半金屬體系中將存在特定的類光學效應。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。

光學中Goos-H"a" ?nchen位移和Imbert-Fedoro位移是指光在界面反射過程中可能會存在的縱向偏移和橫向偏移。蔣慶東等人的研究表明，外爾費米子在界面反射過程中也存在縱向偏移和橫向偏移（圖6）。他們進一步發(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，而且起源于體系的拓撲性質(zhì)，即外爾半金屬獨特的貝里曲率?；贗mbert-Fedorov 位移具有手性依賴的特點，多次界面反射后不同手性的外爾費米子能被空間分離（圖7）。這一性質(zhì)可被利用于:（1）有效表征某個體系是否為外爾半金屬；（2）制備谷電子學器件；（3）通過測定Imbert-Fedorov位移得到體系的貝里曲率。正如審稿人評論說：這項理論研究工作解決了該領域兩個較為重要的課題: 如何有效表征外爾半金屬和如何測量貝里曲率。

（2）北京理工大學物理學院量子功能材料設計與應用實驗室姚裕貴教授研究組（余智明博士后、姚裕貴教授）和新加坡科技設計大學的楊聲遠教授合作研究了第二類外爾半金屬在磁場下的新奇物性。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett.117, 077202 (2016)]。該工作得到了國家自然科學基金委和科技部的資助。

在實驗室中模擬和研究基本粒子（如狄拉克費米子、外爾費米子）的行為是當前凝聚態(tài)物理中最為令人振奮的研究領域之一。更為吸引人的是，由于電子在凝聚態(tài)物理領域中和基本粒子在高能物理領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米子，如最近提出的第二類外爾(狄拉克)費米子等諸多新型費米子。一般而言，動量空間中外爾費米子的色散是可以沿某一動量方向傾斜的。當傾斜足夠強的時候，外爾錐將會翻倒而使得體系的費米面從一個點變?yōu)橐粭l線或一個面。此種情況下的外爾費米子被稱為第二類外爾費米子，以區(qū)分于傳統(tǒng)的第一類外爾費米子。盡管外爾費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米面的幾何形貌息息相關(guān)，所以第二類外爾費米子具有迥異于傳統(tǒng)外爾費米子和其它材料的新奇物性。

磁場下，電子的運動將會量子化而形成朗道能級，如體系是三維的，則朗道能級在沿著磁場方向是有色散的。研究發(fā)現(xiàn)，在第二類外爾半金屬中，能量傾斜會使得體系的朗道能級間距變小，特別是當磁場指向偏移能量傾斜方向為某個臨界角度時，朗道能級的間距為零，也即導致所謂的朗道能級坍塌現(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)象對應于電子在磁場中的回旋運動軌道由閉合變?yōu)殚_放，表明此時有效外爾模型已不足以描述電子的行為。在朗道能級坍塌之前，第二類外爾點的朗道能級的磁光電導亦表現(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，低頻下一直存在帶間躍遷，且隨頻率增加，光學吸收譜具有獨特的形狀等。這些發(fā)現(xiàn)皆有助于指導實驗發(fā)現(xiàn)第二類外爾費米子材料和確定體系參數(shù)。

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

圖9：（a）第二類外爾點和（c）傳統(tǒng)外爾點在能量傾斜方向與磁場平行的情況下的朗道能級。（b）和（d）與（a）和（c）類似，但此時能量傾斜方向與磁場反平行。（e）外爾點的縱向磁光電導，其中紅線對應于（a）中的第二類外爾點，藍線對應于（c）中的傳統(tǒng)外爾點。（f）與（e）類似，但分別對應的是（b）和（d）中外爾點的行為。 2100433B