10.4: Періодичні тенденції - метали, напівпровідники та ізолятори

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19805

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Розглядаючи періодичні тенденції електронних властивостей матеріалів, важливо переглянути деякі ключові тенденції склеювання, які ми дізналися в попередніх розділах:

Спускаючись по періодичній таблиці, атоми в твердих тілах, як правило, приймають структури з більш високими координаційними числами.
Другий ряд періодичної таблиці особливий, з сильною s-p гібридизацією і π-зв'язком між атомами.
Електрони у вищих квантових оболонках менш сильно пов'язані, тому різниця енергій між зв'язковими і антизв'язковими орбіталями стає меншою для більш важких атомів.

Ми також знаємо, що більшість елементів таблиці Менделєєва є металами, але елементи у верхньому правому куті ізолюють при звичайних умовах (1 атм. тиск) і схильні підкорятися правилу октета в своїх з'єднаннях.

3 енергія vs щільність графіків станів. Металевий, напівметалевий і напівпровідниковий ізолятор.

При переході між металами і неметалами в таблиці Менделєєва ми стикаємося з кросовером в електронних властивостях, а також в інших властивостях, таких як кислотність оксидів (див. Гл. 3). Група елементів на кордоні нещільно іменується металоїдами. Деякі з цих елементів (таких як C, Sn та As) можуть існувати як різні алотропи, які можуть бути металами, ізоляторами або чимось між ними.

Більш суворе розмежування електронних властивостей цих елементів (і багатьох сполук) можна зробити, враховуючи їх смугові структури і температурну залежність електронної провідності. Як ми вже обговорювали раніше, метали мають частково заповнені енергетичні смуги, що означає, що рівень Фермі перетинає частково заповнену смугу. З підвищенням температури метали стають біднішими провідниками через те, що коливання решітки (які в фізичній літературі називають фононами) розсіюють рухливі валентні електрони. Навпаки, напівпровідники та ізолятори, які мають заповнені і порожні смуги, стають кращими провідниками при більш високій температурі, оскільки деякі електрони термічно збуджуються до найнижчої порожньої смуги. Розмежування ізоляторів і напівпровідників довільно, а з точки зору переходів метал-ізолятор все напівпровідники є ізоляторами. Зазвичай ми називаємо ізолятор напівпровідником, якщо його заборона (E _зазор) менше приблизно 3 еВ. ^{Напівметал - це матеріал, який має заборону біля нуля, прикладами є одиночні аркуші вуглецю (графен) та елементарний Bi.} Як і напівпровідник з вузьким зазором, напівметал має більш високу провідність при більш високій температурі.