Halbmetalle

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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.

Die Bezeichnung Metalloide gilt als veraltet. Halbleiter ist ein Überbegriff und umfasst Halbmetalle und Verbindungshalbleiter gleichermaßen.^[1]

Definition

Ältere Definition

Die ursprüngliche Definition der Halbmetalle gilt heute in der Chemie als veraltet. Sie definiert die Halbmetalle als eine Reihe von Elementen, die in der III. bis VI. Gruppe des Periodensystems stehen.^[2]

Zu den Halbmetallen gehören die folgenden Elemente^[3]:

B	Bor	typisches Halbmetall
Si	Silicium	typisches Halbmetall
Ge	Germanium	ist eher ein Metall
As	Arsen	typisches Halbmetall
Sb	Antimon	ist eher ein Metall
Bi	Bismut	ist eher ein Metall
Se	Selen	ist eher ein Nichtmetall
Te	Tellur	typisches Halbmetall
Po	Polonium	ist ein Metall

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.

H																		He
Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn

			*	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			**	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

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. Halbmetalle sind danach kristalline Festkörper mit einer Bandlücke, die den Wert Null oder einen Wert im Bereich der thermischen Energie $k_{B}T$ hat, wobei $k_{B}$ die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist.^[2] Typischer Vertreter aus dem Bereich der Elemente sind die Kohlenstoff-Modifikation Graphit und graues Zinn (α-Sn).^[2]

Eine exakte Zuordnung ist allerdings sehr 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, letzteres kann aber auch als Halbmetall bezeichnet werden. Die Zuordnung sollte deshalb nach der häufigsten Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck erfolgen.

H																		He
Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn

			*	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			**	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

B, C (Graphit), Si, P (schwarzer), Ge, Se (graues), Te sind nach dieser Klassifikation Halbleiter.
As, Sb, Po, At sind nach dieser Klassifikation Halbmetalle.
Al, Ga, Sn, Bi, In, Pb, Tl sind Metalle.

Die folgende Tabelle der physikalischen und chemischen Eigenschaften veranschaulicht die Schwierigkeit einer exakten Definition.

Übersichtstabelle

Die Werte beziehen sich auf die häufigste Modifikation bei Raumtemperatur und Normaldruck.

Eigenschaften der Halbmetalle
Element	Modifikationen	häufigste Modifikation	Elektrische Leitfähigkeit in S/m	Zuordnung anhand der elektrischen Leitfähigkeit	Dissoziationsenergie in kJ/mol	Zuordnung anhand der Dissoziationsenergie	Bandlücke in eV	Zuordnung anhand der Bandlücke
Arsen (As)	graues gelbes schwarzes	graues	p5063.453,45·10⁶	Leiter	302,7	Halbmetall	?	Halbmetall
Astat (At)		25 g in der Erdkruste	—	Halogen	—	—	—	Halogen
Bor (B)			p4961.01,0·10⁻⁴	Halbleiter		Halbmetall?	?	Halbleiter
Bismut (Bi)	(α-Bi)		p5058.678,67·10⁵	Leiter	207,2	Metall	?	Metall
Kohlenstoff (C)	Graphit Diamant	Graphit	p50633·10⁶	Halbleiter			?	Halbleiter
Germanium (Ge)			p5001.451,45	Halbleiter		Halbmetall?	0,75 (0 K) 0,67 (300 K)	Halbleiter
Iod (I)			p4928.08,0·10⁻⁸	Halbleiter	151	Halogen	—	Halogen
Phosphor (P)	weißer schwarzer roter violetter	schwarzer	p4911.01,0·10⁻⁹	Halbleiter	314,8	Halbmetall	?	Nichtmetall?
Polonium (Po)	(α-Po) (β-Po)	(α-Po)	p5062.192,19·10⁶	Leiter		Metall?	?	Metall
Antimon (Sb)	graues schwarzes explosives	graues	p5062.882,88·10⁶	Leiter	262,5	Halbmetall?	?	Halbmetall
Selen (Se)	graues schwarzes rotes	graues	p4901.01,0·10⁻¹⁰	Halbleiter	308	Halbmetall	1,74 (300 K)	Halbleiter
Silizium (Si)			p4962.522,52·10⁻⁴	Halbleiter		Halbmetall?	1,17 (0 K) 1,12 (300 K)	Halbleiter
Zinn (Sn)	graues (α-Sn) weißes (β-Sn)	(β-Sn) > +13,2 °C	p5069.179,17·10⁶	Leiter		Metall?	α-Sn 0,08 (0 K) 0,094 (300 K)	Metall
Tellur (Te)			p5022.02,0·10²	Halbleiter	225	Metall?	0,33 (0 K)	Halbleiter

Weblinks

Wiktionary: Halbmetall – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

↑ Graham Chedd: Halbmetalle. Verlag DVA. Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 Halbmetalle. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 23. Oktober 2013.
↑ Peter Paetzold: Chemie: Eine Einführung. Walter de Gruyter, 2009, ISBN 311021135-1, S. 32 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).

Serien des Periodensystems

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[1] Graham Chedd: Halbmetalle. Verlag DVA. Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1

[roempp-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 Halbmetalle. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 23. Oktober 2013.

[Peter_Paetzold-3] Peter Paetzold: Chemie: Eine Einführung. Walter de Gruyter, 2009, ISBN 311021135-1, S. 32 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).

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