アンチモン化ビスマス

アンチモン化ビスマス（アンチモンかビスマス、、Bi1−xSbx）またはビスマス-アンチモン合金は、様々な比のビスマスとアンチモンの二元合金である。

特にBi0.9Sb0.1は、初めて実験的に観測された3次元のトポロジカル絶縁体であり、表面は導電性を持つが内部は絶縁体となる物質である。

様々なBiSb合金は、低温では超伝導性を示し、半導体であり、熱電材料としても使われる。

アンチモン化ビスマス自体（右記を参照）は、Bi2Sb2と表記される場合もある。

合成

アンチモン化ビスマスの結晶は、ビスマスとアンチモンを不活性な気体や真空中で融解することで合成される。ゾーンメルト法は不純物の濃度を下げるために用いられる。アンチモン化ビスマスの単結晶を合成するとき、不純物の酸化によって多結晶に成長するため、試料から不純物が取り除かれていることが重要である。

性質

トポロジカル絶縁体

純粋なビスマスは半金属であり、小さなバンドギャップを持つため相対的に高い導電性を示す。（20 °Cで）ビスマスにアンチモンを添加すると、伝導帯のエネルギーが低下し、価電子帯のエネルギーが増加する。アンチモンの濃度が4%のとき、二つのバンドは交差し、ディラック点（伝導帯と価電子帯の交差する点）を形成する。アンチモンの濃度がさらに高くなると、バンドの反転を引き起こし、特定の運動量では価電子帯のエネルギーが伝導帯のエネルギーを上回る。アンチモンの濃度が7%から22%の間では、バンドは交差せず、Bi1−xSbxは反転したバンドを持つ絶縁体となる。このようにアンチモンの濃度が高い場合、表面のバンドギャップが消失し、その結果表面において導電性を示す。

超伝導 Bi0.4Sb0.6の薄さ150-1350 Åの薄膜が、超伝導性を示す最高温度（臨界温度Tc）は、およそ2 Kである。Bi0.935Sb0.065の単結晶はわずかに高い温度で超伝導性を示し、4.2 Kでは臨界磁場Bc（超伝導体が排除できる最大の磁場）は1.6 Tである。

半導体 電子移動度は、電子が半導体中を移動できる速度を表し、半導体についての重要な指標となる。40 Kにおいて、電子移動度は、アンチモンの濃度が0のとき、7.2%のときであり、これは常温で1400 cm2/V·sのケイ素のような他の一般的な半導体と比べて、はるかに高い電子移動度である。

さらに、Bi1−xSbxの重要な指標として、電子に働く力に対する加速度の比である電子の有効質量（EEM）が挙げられる。その値はx = 0.11のときであり、x = 0.06.のときであり、これは他の一般的な半導体（200 KのSiは1.09、Geは0.55、Gaは0.067）と比べてはるかに低い。低いEEMは、熱光起電力的な応用において有利である。

熱電効果

アンチモン化ビスマスは、常温で様々な熱電素子のn型脚として用いられている。熱電効率は、その性能指数zT = （Sはゼーベック係数、λは熱伝導率、σは電気伝導率）で表され、素子が吸収する熱に対する熱電効果によって提供されるエネルギーの比を表す。80 Kにおいて、Bi1−xSbxの性能指数はx = 0.15のとき最大でに達する。また、80 KにおけるBi0.9Sb0.1のゼーベック係数（側面の温度差に対する両端の電位差の比）は、−140 μV/Kであり、これは純粋のビスマスのゼーベック係数（−50 μV/K）よりもはるかに低い。

脚注