半金属

基于它们的物理和化学特性，几乎所有元素周期表上的金属都可被分类为金属或非金属；但也有一些特性介于金属与非金属之间，称为半金属。准金属也叫半金属。通常指硼、硅、锗、硒、碲、钋、砷和锑。它们在元素周期表中处于金属向非金属过渡的位置，物理性质和化学性质介于金属和非金属之间。单质一般性脆，呈金属光泽。电负性在1.8～2.4之间，大于金属，小于非金属，准金属多是半导体，具有导电性。它们跟非金属作用时常作为电子给予体，而跟金属作用时常作为电子接受体

准金属这个名词起源于中世纪的欧洲，用来称呼铋，因为它缺少正常金属的延展性，只算得上“准”金属。目前则指导电电子浓度远低于正常金属的一类金属。正常金属的载流子浓度都在10²² cm^-3以上。而半金属的载流子浓度在10²²～10¹⁷ cm^-3之间。典型的数据如下：

砷　As Arsenic　(2.12±0.01)×10²⁰ cm^-3

锑　Sb Antimony　(5.54±0.05)×10¹⁹ cm^-3

铋　Bi Bismuth　 2.88×10¹⁷ cm^-3

石墨　 2.72×10¹⁸ cm^-3

半金属在元素周期表中处于金属向非金属过渡的位置，物理性质和化学性质介于金属和非金属之间。半金属性脆，呈金属光泽，电负性在1.8～2.4之间，大于金属，小于非金属。半金属与非金属作用时常作为电子给予体，而与金属作用时常作为电子接受体。其氧化物与水作用生成弱酸性或弱碱性的溶液。半金属大多是半导体，具有导电性，电阻率介于金属（10-5欧姆·厘米以下）和非金属（1010欧姆·厘米以上）之间，导电性对温度的依从关系通常与金属相反，如果加热半金属，其电导率随温度的升高而上升。半金属大都具有多种不同物理、化学性质的同素异形体，广泛用作半导体材料。

半金属能带的特点，是它的导带与价带之间有一小部分重叠。不需要热激发，价带顶部的电子会流入能量较低的导带底部。因此在绝对零度时，导带中就已有一定的电子浓度，价带中也有相等的空穴浓度。这是半金属与半导体的根本区别。但因重叠较小，它和典型的金属也有所区别。

除上述元素外，化合物也可以是半金属，如 Mg2Pb。另有一些化合物，如HgTe、HgSe等禁带宽度等于零，有时称作零禁带半导体，实质上也是半金属。

半金属材料有多种分类方法。根据材料结构的不同, 半金属可分为尖晶石结构型半金属材料,如:Fe3O4 , CuV2S4 等;钙钛矿结构型半金属材料,如: La2/ 3Sr1/ 3MnO3 , La0. 7Sr0. 3MnO3 等; 金红石结构型半金属材料, 如: CrO2 , CoS2 等; Half- Heusler和Heusler 结构半金属材料, 如: NiMnSb , PtMnSb和Mn2VAl 等。根据材料磁性的不同可分为铁磁性半金属, 如: CrO2 ;亚铁磁性半金属,如: Fe3O4 等;反铁磁性半金属, 如: V7MnFe8Sb7 In 和LaVMnO6等。根据半金属性的来源又可分为共价键带隙半金属, 如: NiMnSb , GaAs和CrO2 ; 电荷传输能带带隙半金属, 如: 庞磁阻材料和双钙钛矿结构材料; d- d 相互作用能带带隙半金属, 如: Fe3O4、FexCo1-xS2和Mn2VAl。自旋能带带隙是半金属的本质要素, 根据半金属性的本质来源划分半金属的种类更为重要和科学。2100433B

1983年，荷兰Nijimegen大学的Groot 教授对half-Heusle合金NiMnSb进行能带计算后发现其具有一种特殊的新型能带结构，如图1：NiMnSb的多数白旋方向图所示：电子在一个自旋方向上呈现金属性，也就是在费米能级处有电子态的存在；而在另一个自旋方向上呈现半导体性，也就是在费米能级处存在禁带。他们将具有这种特殊能带结构的材料称为半金属（half-metal）材料。这里所指的半金属并不是传统意义上的半金属（semi-metal，如As、Sb、Bi等），传统的半金属是导电电子浓度远低于正常金属的一类物质的统称，因其导电能力介于金属与绝缘体之间而称为半金属。其能带特点是导带与价带之间部分重叠，价带电子在无需热激发的情况下便会流入能量较低的导带底部。而半金属材料是电子结构同时具有金属性与半导体性的特征，这种微观上金属性与半导体性的共存被称为半金属性。

半金属材料具有特殊的能带结构，因此其具有一些特殊的性质：

1、它在费米能级处的电子极化率高达100% ；

2、它的总磁矩为波尔磁矩的整数倍；

3、一些半金属铁磁体还具有较高的居里温度。

这些特点使半金属材料非常适合在自旋电子器件中应用，尤其适合作为自旋注入源材料。

（1）北京大学量子材料科学中心博士生蒋庆东在导师谢心澄教授指导下，与中心孙庆丰教授、刘海文助理研究员，以及苏州大学江华教授合作，在外尔半金属研究领域取得重要进展，文章以Topological Imbert-Fedorov Shift in Weyl Semimetals为题在线发表于《物理评论快报》（Physics Review Letters115，156602）。

外尔半金属由于其理论和实验方面的重大进展受到凝聚态和材料领域的广泛关注。最近，科学家在TaAs族化合物中证实了外尔费米子的存在。外尔费米子静质量为零且具有特定的手性，从而可能具有奇特的物理特性。 蒋庆东等人注意到：尽管统计规律不同，外尔费米子和光子有许多相似特性（例如: 都具有无质量、手性等特点）。因此，外尔半金属体系中将存在特定的类光学效应。他们的工作主要研究外尔半金属中的 Goos-H"a" ̈nchen 位移和Imbert-Fedorov位移。

光学中Goos-H"a" ̈nchen位移和Imbert-Fedoro位移是指光在界面反射过程中可能会存在的纵向偏移和横向偏移。蒋庆东等人的研究表明，外尔费米子在界面反射过程中也存在纵向偏移和横向偏移（图6）。他们进一步发现横向位移（Imbert-Fedorov 位移）不仅具有手性依赖（谷依赖）的特点，而且起源于体系的拓扑性质，即外尔半金属独特的贝里曲率。基于Imbert-Fedorov 位移具有手性依赖的特点，多次界面反射后不同手性的外尔费米子能被空间分离（图7）。这一性质可被利用于:（1）有效表征某个体系是否为外尔半金属；（2）制备谷电子学器件；（3）通过测定Imbert-Fedorov位移得到体系的贝里曲率。正如审稿人评论说：这项理论研究工作解决了该领域两个较为重要的课题: 如何有效表征外尔半金属和如何测量贝里曲率。

（2）北京理工大学物理学院量子功能材料设计与应用实验室姚裕贵教授研究组（余智明博士后、姚裕贵教授）和新加坡科技设计大学的杨声远教授合作研究了第二类外尔半金属在磁场下的新奇物性。相关研究成果发表在近期的《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett.117, 077202 (2016)]。该工作得到了国家自然科学基金委和科技部的资助。

在实验室中模拟和研究基本粒子（如狄拉克费米子、外尔费米子）的行为是当前凝聚态物理中最为令人振奋的研究领域之一。更为吸引人的是，由于电子在凝聚态物理领域中和基本粒子在高能物理领域中所遵循的物理规范可有所不同，所以凝聚态物理中还能呈现出高能物理中所不存在的有效费米子，如最近提出的第二类外尔(狄拉克)费米子等诸多新型费米子。一般而言，动量空间中外尔费米子的色散是可以沿某一动量方向倾斜的。当倾斜足够强的时候，外尔锥将会翻倒而使得体系的费米面从一个点变为一条线或一个面。此种情况下的外尔费米子被称为第二类外尔费米子，以区分于传统的第一类外尔费米子。尽管外尔费米子的手性并不受能带倾斜的影响，但在凝聚态物理中诸多物理行为都与体系费米面的几何形貌息息相关，所以第二类外尔费米子具有迥异于传统外尔费米子和其它材料的新奇物性。

磁场下，电子的运动将会量子化而形成朗道能级，如体系是三维的，则朗道能级在沿着磁场方向是有色散的。研究发现，在第二类外尔半金属中，能量倾斜会使得体系的朗道能级间距变小，特别是当磁场指向偏移能量倾斜方向为某个临界角度时，朗道能级的间距为零，也即导致所谓的朗道能级坍塌现象(collapse of Landau levels)基于半经典的物理图像，他们还指出了此坍塌现象对应于电子在磁场中的回旋运动轨道由闭合变为开放，表明此时有效外尔模型已不足以描述电子的行为。在朗道能级坍塌之前，第二类外尔点的朗道能级的磁光电导亦表现出与传统外尔材料的迥异行为：如具有各向异性的磁光电导，低频下一直存在带间跃迁，且随频率增加，光学吸收谱具有独特的形状等。这些发现皆有助于指导实验发现第二类外尔费米子材料和确定体系参数。

图8：(a)朗道能级压缩因子随能量倾斜与磁场夹角的变化行为。(上)：传统外尔点，(下)：第二类外尔点，其中红线表示出现朗道能级坍塌的临界角。(b)磁场下电子的半经典轨道随磁场方向变化的演化行为。轨道由封闭变为开放对应于体系从具有良好定义的朗道能级到朗道能级的坍塌（外尔模型下的描述）。

图9：（a）第二类外尔点和（c）传统外尔点在能量倾斜方向与磁场平行的情况下的朗道能级。（b）和（d）与（a）和（c）类似，但此时能量倾斜方向与磁场反平行。（e）外尔点的纵向磁光电导，其中红线对应于（a）中的第二类外尔点，蓝线对应于（c）中的传统外尔点。（f）与（e）类似，但分别对应的是（b）和（d）中外尔点的行为。 2100433B