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반금속

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목차

1. 개요

반금속은 전도대와 가전자대가 겹쳐져 있어 금속과 반도체의 중간적인 성질을 나타내는 물질이다. 비소, 안티몬, 비스무트, 흑연 등이 대표적이며, 띠 구조를 통해 분류된다. 반금속은 금속보다 전하 운반체가 적어 전기 전도도와 열 전도도가 낮고, 높은 반자성 감수율과 유전율을 보인다. 최근에는 위상 절연체, 헤테로 접합, 그래핀 등 다양한 분야에서 응용 연구가 진행되고 있다.

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반금속
지도 정보
기본 정보
영어 명칭semimetal
설명작은 음의 간접 띠 간격을 가진 금속
특징
밴드 구조전도대와 원자가대가 약간 겹침
띠 간격작은 음의 간접 띠 간격
참고
관련 항목반쪽금속

2. 분류

반금속은 띠 구조에 따라 분류되며, 전도대와 가전자대의 에너지 준위가 운동량 공간에서 어떻게 겹쳐지는지에 따라 특성이 달라진다.

매우 작거나 약간 음의 띠 간격을 가진 물질은 반도체 또는 준금속으로 분류하기 어려울 수 있다. 예를 들어 화합물 Fe₂VAl은 수송 특성, 전기 저항 및 제벡 계수 분석 결과 작은 띠 간격(~0.03 eV)을 가진 반도체로 밝혀졌지만, 그 전에는 20년 이상 준금속(음의 띠 간격 ~ -0.1 eV)으로 여겨졌다.[2]

고전적인 준금속 원소는 비소, 안티몬, 비스무트, α-주석(회색 주석) 및 탄소의 동소체인 흑연이다. 비소와 안티몬은 금속, 비금속의 중간 성질을 갖는 준금속으로도 간주되지만, 준금속과 금속-비금속은 동의어가 아니다. 텔루르화수은(HgTe)과 같은 화합물도 준금속이 될 수 있다.[3] 주석, 비스무트, 흑연은 일반적으로 금속-비금속으로 간주되지 않는다.[4]

극한 조건에서는 일시적인 준금속 상태가 보고되었으며,[5] 최근 일부 전도성 고분자가 준금속처럼 작용할 수 있다는 것이 밝혀졌다.[6] 비스무트(Bi), 비소(As), 안티몬(Sb), 흑연(Graphite) 등이 대표적인 반금속이며, 특히 비스무트에 대한 연구가 활발하다.[7] 띠 이론에서 반금속은 물질 특성에 따른 분류이므로, 원소 분류의 반금속과 달리 텔루르화수은[8], Graphitic carbon nitride영어(γ-C3N4)[9], CsSnBr3[10]와 같은 화합물도 포함된다. 니트로메탄처럼 극한 상태에서 일시적으로 반금속 성질을 나타내는 물질도 보고된다.[11]

2. 1. 띠 구조

블로흐 정리에 따르면, 반금속은 전도대의 바닥이 가전자대의 꼭대기와 다른 위치에 있는 띠 구조를 갖는다. 이는 간접 띠 간격을 가진 반도체와 유사하지만, 띠 겹침이 존재한다는 차이점이 있다.[2]

직접 반도체(A), 간접 반도체(B) 및 준금속(C)의 띠 구조 비교


위 그림은 다음과 같은 띠 구조를 개략적으로 나타낸다.

  • A: 직접 띠 간격을 가진 반도체 (예: 구리 인듐 셀레나이드(CuInSe2))
  • B: 간접 띠 간격을 가진 반도체 (예: 실리콘(Si))
  • C: 준금속 (예: 주석(Sn), 흑연, 알칼리 토금속)


일반적인 고체는 3차원 운동량 공간(k-공간)을 가지며, 무한한 수의 띠를 갖는다. 위 그림은 k-공간의 한 차원에서 가장 낮은 에너지의 전도대와 가장 높은 에너지의 원자가대만을 보여준다.

금속과 달리 준금속은 전자와 정공, 두 종류의 전하 운반자를 갖지만, 그 수는 실제 금속보다 훨씬 적다. 이러한 점에서 준금속은 퇴화 반도체와 더 유사하며, 전기적 특성이 금속과 반도체의 중간 정도이다.

대표적인 반금속 원소에는 비스무트(Bi), 비소(As), 안티몬(Sb) 등이 있으며, 텔루르화수은[8]과 같은 화합물도 반금속에 포함된다.[7]

비스무트, 비소, 안티몬은 약간 왜곡된 마름모체 단위격자를 갖는 층상 구조를 형성하는데, 이를 비소형 결정 구조라고 한다.[25] 이 왜곡 때문에 브릴루앙 영역이 압축되어, 가전자대와 전도대가 페르미 준위를 넘어 약간 겹쳐진다.[26][27] 비스무트의 경우, 가전자대와 전도대의 겹침은 약 38.5meV이다.[28]

그래핀의 분자 구조 모델


흑연은 단층 그래핀에서는 띠 간격이 0인 제로 갭 반도체의 특성을 보이지만, 층상 구조에서는 층간 상호작용으로 인해 전도대와 가전자대가 약간 겹쳐져 반금속 성질을 나타낸다.[29][30] 안티몬을 첨가한 비스무트에서도 제로 갭 반도체를 관찰할 수 있으며, 첨가량에 따라 반금속-반도체 전이가 일어난다.[31]

3. 성질

반금속은 금속보다 전하 운반체가 적어 일반적으로 전기 전도도와 열 전도도가 낮다. 정공과 전자 모두 유효 질량이 작고, 높은 반자성 감수율과 높은 격자 유전율을 가진다는 특징이 있다.[27]

반금속은 반도체와 달리 전도대와 원자가띠가 겹쳐져 있어 상온에서도 전자의 일부가 원자가띠에서 전도대로 이동한다. 이로 인해 원자가띠에는 정공이, 전도대에는 전도 전자가 생성된다.[27] 반금속의 자유 전자는 금속에 비해 매우 적고, 생성된 캐리어의 유효 질량은 작고 이동도는 크다.[12][13]

반금속은 자유 전자의 수가 적어 열전도에 있어서도 자유 전자의 영향이 적다. 따라서 반금속의 열전도율은 금속보다 현저히 낮다.[14] 20°C에서 금속과 반금속의 열전도율은 다음과 같다.[15]

물질열전도율 (W·m-1·K-1)
구리 (금속)386
철 (금속)84
비스무트 (반금속)8
안티몬 (반금속)19



반금속은 띠 간격이 없고, 페르미 준위에서 원자가띠의 전자가 약간 채워져 있어 약간의 상태 밀도를 갖는다.[16] 도너나 억셉터 불순물 첨가에 따라 전기적 특성이 변하는 것은 반도체와 유사하다.[17] 비스무트는 불순물에 민감하여 띠 구조 제어가 가능하다.[13] 페르미 준위와 원자가띠 및 그 아래 에너지 띠 간격이 좁아 적외선 반응성이 다양하다.[19] 유전율은 비스무트가 약 100F/m로, 규소(11.7 F/m) 보다 크다.[20][21] 반금속의 g 인자는 크며, 코헨-블론트 이론으로 설명된다. 비스무트와 안티몬에서 실측값과 잘 일치한다.[22][23] 반자성 자화율은 띠 구조에 큰 영향을 받는데, 띠 간격이 없는 반금속은 반자성 자화율이 높다.[24]

3. 1. 온도 의존성

금속은 온도가 증가함에 따라 전도도가 감소한다. 반면 절연체나 반도체는 온도가 올라감에 따라 전도도가 초기에 증가하다가, 중간 온도에서는 감소하고, 더 높은 온도에서는 다시 증가하는 복잡한 경향을 보인다. 이는 전하 운반체 이동도와 전하 운반체 농도가 모두 전도도에 영향을 주고, 이들이 서로 다른 온도 의존성을 갖기 때문이다.

준금속은 금속과 유사하게 정공과 전자가 모두 전기 전도에 기여한다. 비소와 안티몬 같은 일부 준금속은 실온 이하에서 온도에 무관한 전하 운반체 밀도를 갖는다. 반면 비스무트는 매우 낮은 온도에서 이러한 현상이 나타나지만, 더 높은 온도에서는 전하 운반체 밀도가 온도에 따라 증가하여 준금속-반도체 전이가 발생한다.

3. 2. 물리적 성질

반금속은 금속보다 전하 운반체가 적기 때문에 일반적으로 전기 전도도와 열 전도도가 더 낮다. 정공과 전자 모두에 대해 작은 유효 질량을 가지며, 높은 반자성 감수율과 높은 격자 유전율을 나타낸다.[27]

반금속은 반도체와 달리 전도대와 원자가띠가 겹쳐 있기 때문에, 상온에서도 전자의 일부가 원자가띠에서 전도대로 이동한다. 이로 인해 원자가띠에는 정공이 생성되고, 전도대는 원자가띠로부터 전자를 받아들임으로써 전도 전자가 생성된다.[27] 반금속에서 캐리어로 작용하는 전도 전자(자유 전자)나 정공은 이러한 상호 작용에 의해 소량만 생성되기 때문에, 자유 전자의 수는 금속에 비해 극히 적고, 이렇게 생성된 캐리어의 유효 질량은 작고 이동도는 크다.[12][13]

물질 내부의 열전도는 자유 전자에 의한 열전도와 결정 격자에 의한 열전도의 두 가지 요인에 의해 발생하지만, 반금속은 자유 전자의 수가 적기 때문에 자유 전자에 의한 열전도의 기여가 거의 없다. 따라서 반금속의 열전도율은 금속에 비해 현저히 낮다.[14] 예를 들어 20°C에서 열전도율을 보면, 금속인 구리는 386W·m-1·K-1, 철은 84W·m-1·K-1인 반면, 전형적인 반금속인 비스무트는 8W·m-1·K-1, 안티몬은 19W·m-1·K-1에 불과하다.[15]

전도대와 원자가띠가 겹쳐진 띠 구조이기 때문에 반금속은 띠 간격을 가지지 않고, 페르미 준위에서 원자가띠의 전자가 약간 채워져 있기 때문에 약간의 상태 밀도를 갖는다.[16] 또한, 도너 또는 억셉터로 작용하는 불순물을 넣으면 전기적 특성이 현저하게 변화하는 점은 반도체와 유사하다.[17] 비스무트에서는 이러한 불순물에 민감한 성질을 이용하여 임의의 띠 구조를 제어할 수 있다.[13]

순수한 반금속은 금속과 마찬가지로 온도가 올라가면 전기 저항도 증가하지만, 반금속에 억셉터로 작용하는 불순물을 넣으면, 어떤 온도에서 전기 저항의 최댓값이 나타나는 금속과는 다른 거동을 보인다.[18] 또한, 반금속은 페르미 준위와 원자가띠 및 그 아래의 에너지 띠 사이의 간격이 좁기 때문에, 반도체와 마찬가지로 적외선에 대한 반응성이 다양하다.[19] 유전율은 전형적인 반금속인 비스무트에서 약 100F/m이며, 반도체인 규소의 유전율이 11.7F/m[20]인 것과 비교하여 1자릿수 정도 크다.[21] 반금속의 g 인자는 높고, 이것은 코헨-블론트 이론에 의해 설명되며, 비스무트나 안티몬에서는 이 이론에 대한 실측값과의 좋은 일치가 관찰된다.[22][23] 반자성 자화율은 물질의 띠 구조에 크게 영향을 받기 때문에, 띠 간격을 갖지 않는 반금속의 띠 구조를 갖는 물질은 공통적으로 반자성 자화율이 높다.[24]

4. 전도대와 가전자대의 중첩

비스무트, 비소, 안티몬은 약간 왜곡된 마름모체 단위격자를 갖는 층상 구조를 형성하는데, 이를 비소형 결정 구조라고 한다.[25] 이 결정 구조의 왜곡으로 인해 브릴루앙 영역이 왜곡되어 페르미 준위를 넘어 가전자대와 전도대가 약간 중첩된다.[27] 비스무트의 경우 가전자대와 전도대의 중첩은 약 38.5 meV이다.[28]

흑연은 sp2혼성 궤도에 의한 σ 결합과 π전자에 의한 층상 구조를 가진다. 단층 흑연(그래핀)은 띠 간격이 0인 제로 갭 반도체 특성을 보이지만, 층상 흑연은 층간 상호작용으로 인해 전도대와 가전자대가 약간 중첩되어 반금속 성질을 나타낸다.[29][30]

안티몬을 첨가한 비스무트에서는 첨가량에 따라 띠 중첩이 소멸하고 제로 갭 반도체가 되거나, 띠 간격이 형성되어 반도체로 전이될 수 있다.[31]

5. 응용

반금속은 특수한 밴드 구조 때문에 다양한 연구에 사용되고 있으며, 그 대표적인 예인 비스무트는 반도체의 대표적인 예인 실리콘과 마찬가지로 물성에 대해 상세하게 연구되어 왔다. 하지만 학술적인 연구와는 반대로 그 물성이 실제 사회에 응용되는 경우는 적었다.[33] 2007년, 반금속인 수은 텔루라이드(HgTe)가 물질의 벌크 부분은 절연체이지만 물질 계면은 도전성을 나타내는 위상절연체가 된다는 것이 밝혀진 이후, 핫토픽으로서 연구가 활발하게 진행되고 있다.[34][36] 비스무트 박막[35]이나 비스무트-안티몬 합금[36] 등 다양한 반금속이 위상절연체로 연구되고 있으며, 이러한 위상절연체는 초고속 컴퓨터 용도로의 응용이 기대되고 있다.[37] 또한, 반금속은 반도체와 격자상수가 가까워 헤테로접합을 형성하기 쉽고, 반금속/반도체 접합 소재를 소자 재료로 이용하기 위한 연구도 진행되고 있다.[38]

반금속인 흑연의 단층인 그래핀이 튜브 모양의 구조를 가진 탄소나노튜브는 그 구조에 따라 반금속 또는 반도체의 어느 한쪽 성질을 나타내는 것으로 알려져 있다. 반금속 탄소나노튜브는 그 도전성을 이용하여 미세 배선이나 투명 전도막, 연료전지나 태양전지 등의 전극 등의 용도로의 응용이 연구되고 있다.[39]

참조

[1] 서적 Solid State Physics Academic Press, Inc. 1985
[2] 논문 Thermoelectric transport of semiconductor full-Heusler VFe2Al
[3] 논문 Theoretical study of a potential low-noise semimetal-based avalanche photodetector 1992
[4] 논문 The Band Theory of Graphite 1947
[5] 논문 A transient semimetallic layer in detonating nitromethane 2007
[6] 논문 Semi-Metallic Polymers https://liu.diva-por[...] 2014
[7] 간행물 日本金属学会 1990
[8] 간행물 1992
[9] 간행물 2007
[10] 간행물 1993
[11] 논문 Evan et al. (2007)
[12] 서적 日本金属学会 (1990) 日本金属学会
[13] 서적 伏屋 (2008) 伏屋
[14] 서적 日本金属学会 (1990) 日本金属学会
[15] 웹사이트 各種物質の性質 金属（固体） http://www.sanwa-ent[...] 2011-11-27
[16] 논문 Gerald (1985)
[17] 서적 日本金属学会 (1990) 日本金属学会
[18] 서적 日本金属学会 (1990) 日本金属学会
[19] 서적 日本金属学会 (1990) 日本金属学会
[20] 서적 潮 (2004) 潮
[21] 간행물 日本金属学会 日本金属学会 1990
[22] 간행물 日本金属学会 日本金属学会 1990
[23] 간행물 伏屋 伏屋 2008
[24] 간행물 伏屋 伏屋 2008
[25] 간행물 日本金属学会 日本金属学会 1990
[26] 간행물 日本金属学会 日本金属学会 1990
[27] 간행물 日本金属学会 日本金属学会 1990
[28] 간행물 日本金属学会 日本金属学会 1990
[29] 간행물 日本金属学会 日本金属学会 1990
[30] 웹사이트 多層状単結晶で世界初の二次元ゼロギャップ電気伝導体を実現 http://www.riken.jp/[...] 理化学研究所、東邦大学 2011-11-26
[31] 서적
[32] 서적
[33] 서적
[34] 서적
[35] 서적
[36] 서적
[37] 서적
[38] 서적
[39] 웹사이트 カーボンナノチューブ http://www.photon.t.[...] 2011-12-09


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