半金属的性质和普通金属有什么区别？

实际上有两个半金属。Semimetal和Half-metal在字面上都可以翻为“半金属”。Half-不用说了，是实打实的“半”的意思，那么semi呢？

Semicircle是半圆的意思，牛津高级学习字典给出的解释是：one half of a circle，物理里面还有semiconductor，即半导体，也是翻译为“半”。

我们发现不但Semimetal和Half-metal需要区分，甚至Semiconductor也需要和它们区分。所幸的是这些概念都可以在能带论的框架下予以定义。

既然这三个词对应三个不同概念，我们从翻译的角度，也最好给出三个不同的译名，比较常见的是把Semimetal翻译为准金属，而把Half-metal翻译为半金属，这个选择没必要太较真，能区分出来就好。

考虑具有三维周期性结构的固体，由于对称性，我们选择在波矢空间描述固体所处的量子态，我们发现本来单个原子是分立的能级，随着固体里面有好多个原子周期性地排列起来，这些分立的能级会展宽成为密集的能级，由于太密了，我们一般用能带的概念予以描述。

同时都是变化一个小的能量dE，对应量子态的数目dN可能是不一样的，所以我们还需要引入态密度（DoS）的概念，即每单位能量差别有多少个量子态。粗略地说，态密度越大电导率就越大，或电阻率越小。

根据泡利不相容原理，电子会在能带中填充，由低向高填充，最终填充到的能量叫费米能。由于热扰动的能量kT远小于费米能，实际上只有费米能附近的电子才会参与输运过程，其他电子由于太靠里了，除非给一个很大的能量，否则不会被激发出来。

左侧是能带，右侧是态密度，虚线F表示的是费米能。

固体物理中一般是用能带，费米能以及态密度来描述电子运动状态的，我们可以通过第一性原理（Ab initio），密度泛函理论（DFT）来计算它们。

如果费米能正好处于两个能带之间，就是绝缘体，但如果费米能上面的能带（导带底）和费米能下面的能带（价带顶）差别不大，就是半导体，如果它们恰好接上了，就是准金属（Semimetal）。

考虑到电子是有自旋的，对铁磁或亚铁磁材料而言，不同自旋电子的能带会错开（不同取向的磁矩在磁场中的能量不同），如果费米面恰好落在一种自旋电子的能带里面（态密度不为0），而落在另外一种自旋电子上下两个能带中间（态密度为0），换句话说对一种自旋取向的电子来说，材料是金属，而对另一种自旋取向的电子来说，材料又是绝缘体了，在这个意义下，这种材料被称为半金属是有道理的。

并不是所有的铁磁或亚铁磁材料都是半金属，常见的半金属有氧化物，硫化物和霍伊斯勒合金（Heusler alloys）。

值得一提的是如果用铁磁性半金属材料制成磁隧道结（Magnetic tunnel junction）的话，可实现100%的自旋极化。

半金属电极用LSMO制成，中间是一层超薄的STO绝缘体（LSMO 35nm/STO 2.78nm/LSMO 10nm），如果LSMO的极化方向相反，几乎没有电流通过，如果极化方向相同，会有99.6%的极化电流产生。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质.它的重要特性表现在以下几个方面：

（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系.温度升高,半导体的电阻率会明显变小.例如纯锗（Ge）,温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半.

（2）光电特性 很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电；受到光照时,就变的容易导电了.例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧.半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”.利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等.

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管,它通过电流时能够发光,把电能直接转成光能.目前已制作出发黄,绿,红,蓝几色的发光二极管,以及发出不可见光红外线的发光二极管.

另一种常见的光电转换器件是硅光电池,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的而清洁的能源.

（3）搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化.例如,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米.因此,人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件.

与重要半导体相容的高自旋极化率磁性材料被认为是未来纳米尺度上的自旋电子器件的理想组件，但是这就要求当器件尺寸降到纳米尺度时相应材料仍然具有高自旋极化率和优良的结构和性能稳定性。在这方面，与III-V或II-VI半导体相容的半金属(half-metallic)铁磁体明显优于稀磁半导体，因为尺度降到纳米量级后稀磁半导体内磁性原子太少而导致性能下降，甚至消失。探索合适的半金属铁磁材料显得至关重要。

物理所刘邦贵研究员与牛津大学David G Pettifor教授合作，在这方面取得了显著的进展。他们先期用准确的第一原理密度范函理论方法首先证明：闪锌矿结构的CrSb(Physical Review B 67, 172411 (2003)；cond-mat/0206485)，以及MnBi(Physical Review B 66,184435 (2002))具有良好的半金属铁磁性，并且研究了相应半金属铁磁性的形成机理。在此基础上，他们基于准确系统的电子结构和形变结构计算进一步证明：三个过渡金属硫系化合物(chalcogenides)CrTe、CrSe和VTe的闪锌矿结构相是优质半金属铁磁体，不仅具有很宽的半金属能隙(half-metallicgap)，相对于基态相的总能还不高，大大低于闪锌矿结构的过渡金属V族化合物(pnictides)的相对总能，同时，其结构稳定性明显优于已经较好地合成出来的CrAs闪锌矿结构薄膜(最大约5个单胞层厚)。很宽的半金属能隙意味着可能在较高温度下得到高自旋极化率，这已被德国Kuebler教授的最新计算所证明；相对总能低并且结构稳定性好，使得足够厚度(约5～50个单胞层)的薄膜材料或尺度足够大的纳米结构易于通过外延生长技术获得。这些优异特性使得这些材料将很可能在纳米尺度的自旋电子学器件中得到实际应用。

该项研究得到973“纳米材料与纳米结构”项目(G1999064509)、基金委优秀团队项目(60021403)支持，这项研究成果发表在2003年7月15日出版的美国《物理评论快报》PhysicalReviewLetters91，037204(2003)上。进一步的研究正在进行之中。

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