Halbmetalle

Die Halbmetalle sind Elemente und stehen im Periodensystem zwischen den Metallen und den Nichtmetallen. Sie können von der elektrischen Leitfähigkeit und vom Aussehen her weder den Metallen noch den Nichtmetallen zugeordnet werden. Alle Halbmetalle sind Feststoffe bei Normalbedingungen.

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Ältere Definition

Die ursprüngliche Definition der Halbmetalle (oder ebenfalls veraltet Metalloide) gilt heute in der Chemie als etwas veraltet. Sie definiert die Halbmetalle als eine Reihe von Elementen, die in der III. bis VI. Gruppe des Periodensystems stehen.

Zu den Halbmetallen gehören die folgenden Elemente:

Diese Elemente weisen sowohl Eigenschaften von Metallen als auch Eigenschaften klassischer Nichtleiter auf. Sie kommen meist in zwei allotropen Kristallmodifikationen vor, von denen die eine metallischen, die andere nichtmetallischen Charakter trägt. Im Allgemeinen ist ihre elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur ziemlich klein, nimmt aber mit zunehmender Temperatur stark zu, im Gegensatz zu Metallen. Deswegen werden Halbmetalle auch als elementare Halbleiter bezeichnet.

Tatsächlich sind aber viele dieser Elemente klassische Halbleiter wie Germanium oder Silicium. Ihre äußere Elektronenschale ist mit drei bis sechs Elektronen besetzt, deswegen können sie sowohl Elektronen abgeben als auch aufnehmen.

Im Periodensystem finden sich die Halbmetalle in einer Diagonalen zwischen Bor und Astat. Elemente, die rechts oberhalb dieser Linie liegen, sind Nichtmetalle; Elemente, die links unterhalb dieser Linie liegen, sind Metalle.

Neuere Definition

In der neueren Definition der Halbmetalle, die zunehmend in der Chemie und vor allem in der Physik verwendet wird, bezieht man sich mehr auf die Bandstruktur der Festkörper als nur auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften. Als Halbmetalle sind danach kristalline Festkörper mit einer Bandlücke, die den Wert Null oder einen Wert im Bereich der thermischen Energie k_BT hat, wobei k_B die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist. Typischer Vertreter aus dem Bereich der Elemente sind die Kohlenstoff-Modifikation Graphit und graues Zinn (α-Sn).

Eine exakte Zuordnung ist allerdings schwierig, da, wie erwähnt, die unterschiedlichen Kristallmodifikationen meist unterschiedliche Eigenschaften besitzen. So ist weißes Zinn (β-Sn) ein Metall und graues Zinn (α-Sn) ein Halbleiter.

Die Zuordnung sollte deshalb nach der häufigsten Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck erfolgen.

Noch komplizierter wird es bei den Verbindungen. Dies kann man gut am Beispiel Cd_1-yHg_yTe zeigen. Reines CdTe ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 1,8 eV. Wird der Quecksilberanteil erhöht, verringert sich die Bandlücke und erreicht bei einem Anteil von y = 0,15 den Wert Null^[1].

• B, Si, Ge, Se, Te wären nach dieser Klassifikation Halbleiter.
  
• As, Sb wären nach dieser Klassifikation Halbmetalle.
  
• Ga, Sn, Bi, Po wären Metalle.
  

Übersichtstabelle mit physikalischen und chemischen Eigenschaften

Die Schwierigkeit einer exakten Definition der Halbmetalle zeigt folgende Tabelle (Bitte fehlende Werte eintragen):

	As	At	B	Bi	Ge	I	P	Po	Sb	Se	Si	Sn	Te
Modifikationen	graues gelbes schwarzes			(α-Bi)			weißer schwarzer roter violetter	(α-Po) (β-Po)				(α-Sn) (β-Sn)
häufigste Modifikation	graues	25 g in der Erdkruste					schwarzer	(α-Po)				(β-Sn) > +13,2 °C
Elektrische Leitfähigkeit in S/m	3,45·106	-	1,0·10-4	0,867·106	1,45	8,0·10-8	1,0·10-9	2,19·106	2,88·106	1,0·10-10	2,52·10-4	9,17·106	200
Zuordnung anhand der elektrischen Leitfähigkeit	Leiter	Halogen	Halbleiter	Leiter	Halbleiter	Halbleiter	Halbleiter	Leiter	Leiter	Halbleiter	Halbleiter	Leiter	Halbleiter
Dissoziationsenergie in kJ/mol	302,7	-		207,2		151	314,8		262,5	308			225
Zuordnung anhand der Dissoziationsenergie	Halbmetall	-	Halbmetall?	Metall	Halbmetall?	Halogen	Halbmetall	Metall?	Halbmetall?	Halbmetall	Halbmetall?	Metall?	Metall?
Bandlücke in eV (300 K)	?	-	?	?	0,75 (0 K) 0,67 (300 K)	-	?	?	?	- 1,74 (300 K)	1,17 (0 K) 1,12( 300 K)	?	0,33 (0 K) -
Zuordnung anhand der Bandlücke	Halbmetall	Halogen	Halbleiter	Metall	Halbleiter	Halogen	Nichtmetall?	Metall	Halbmetall	Halbleiter	Halbleiter	Metall	Halbleiter

• Werte beziehen sich auf die häufigste Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck

Quellen

1. ↑ www.roempp.com

Siehe auch