2.6. Отличительные электрофизические свойства металлов, полупроводников, диэлектриков.

Металлами называют большую часть (около 100) химических элементов Периодической системы. Это почти все s–элементы (кроме водорода и гелия), все d– и f–элементы, часть p–элементов (III–V)А- групп Периодической Системы. К неметаллам относят только 22 элемента, все они - р-элементы и находятся в главных А- подгруппах (III-VIII)- групп ПС, выше, правее и на линии-диагонали “B (бор) –At (астат)”, делящей р-элементы ПС на металлы и неметаллы. Р-элементы - металлы находятся ниже этой диагонали. Принципиальным отличием элементов – металлов и неметаллов, обуславливающим их химические свойства, является способность атомов металлов легко отдавать при химических взаимодействиях слабо связанные с ядром внешние (валентные) электроны, а атомов неметаллов - так же легко принимать эти электроны в свою электронную оболочку.

Физические свойства металлов – веществ обусловлены наличием свободных, общих, не связанных с отдельными атомами электронов, способных перемещаться по всему объему тела (“электронный газ”):

1. большая электрическая проводимость и теплопроводность, 2) высокие тягучесть и ковкость, 3) металлический блеск.

Металлические свойства имеют большинство металлических сплавов.

Общим свойством всех металлов является более или менее быстрое уменьшение электропроводности с повышением температуры, т.к. при этом снижается подвижность электронов в металлах. Электропроводность металла снижают и примеси в металле, нарушающие строение кристаллической решетки металла и препятствующие свободному передвижению электронов по объему кристаллической решетки металла. Интересно поведение некоторых металлов (ртуть Hg, таллий Tl, олово Sn, свинец Pb, др.) при очень низких температурах - вблизи абсолютного нуля. Последовательно увеличиваясь по мере понижения температуры, электропроводность их затем более или менее внезапно становится практически бесконечной, т.е. переходит в сверхпроводимость. Некоторые металлы (Au, Cu и др.) не обнаруживают сверхпроводимости, но она установлена у ряда сплавов и соединений типа карбидов, нитридов, интерметаллидов и т.п. Например, у Nb и Sn сверхпроводимость возникает при 9 и 4 К соответственно, тогда как у Nb₃Sn - уже при 18 K (эта температура – пока наивысшая, зарегистрированная для сверхпроводимости). Нагревание, электрический ток, магнитное поле ведут к снятию сверхпроводимости. Сверхпроводимость объясняют попарным объединением свободных электронов, под влиянием силовых полей кристаллической решетки за счет обмена фононами – квазичастицами-волнами смещения атомов (ионов, молекул) кристалла из положения равновесия при колебаниях крист-й решетки.

К диэлектрикам относят некоторые простые вещества (алмаз, газы), оксиды SiO₂, Al₂O₃, CaО, твердые ионные кристаллы (“сухие”,- не в расплаве или растворе), подавляющее большинство органических соединений, керамические материалы, слюда, асбест, силикатные стекла и др. Многие из них используются в качестве электроизолирующих материалов (изоляторов).

Промежуточное положение между металлами и диэлектриками занимает класс полупроводников. Полупроводниковые материалы условно подразделяют на простые, элементарные полупроводники (простые вещества) и сложные полупроводники (химические соединения) простые вещества (элементарные полупроводники) и химические соединения (сложные полупроводники). К простым (элементарным) полупроводникам относят 13 элементов: B, C, Si, Ge, α-Sn, Р, As, Sb, Вi, S, Se, Te, J. К сложным полупроводникам относят соединения типа А^IVВ^IV, А^IIIВ^V, A^IIB^V, А^IIВ^VI, А^IВ^VII (т.е. соединения элементов из IV и IV, III и V, II и V, II и VI, I и VII групп Периодической системы элементов), а также изоэлектронные им соединения: например, AlSb, GaSb, GaP, GaAs, InP, InAs, ZnSb, ZnTe и т.п.

Химические соединения с полупроводниковыми свойствами могут образовываться и при других сочетаниях элементов, например, A^IVB^V(GeP), A₂^IIIB₃^V1(Ga₂S₃). Широкое распространение получили полупроводниковые материалы на основе оксидов (Cu₂O, Fe₂O₃, Mn₃O₄, Al₂O₃, ZnO), сульфидов (PbS, CdS, ZnS, Bi₂S₃), селенидов и теллуридов (CdSe, PbSe, HgSe, CdTe, PbTe, Bi₂Te₃). Полупроводниковыми свойствами обладают также соединения с нарушенным стехиометрическим составом (бертоллиды), например Cu₂O_0,9, TiO_0,5 и др.