Antimoniure de bismuth

Le bismuth pur est un semimétal. Il présente une bande interdite étroite, conduisant à une conductivité électrique relativement élevée (7,7 × 10⁵ S·m^-1 à 20 °C). Lorsque le bismuth est dopé à l'antimoine, l'énergie de la bande de valence croît tandis que l'énergie de la bande de conduction décroît. Elles se rencontrent à environ 4 % d'antimoine[3], ce qui définit le point de Dirac. Un taux plus élevé d'antimoine dans l'alliage conduit à une inversion des bandes, avec une énergie de bande de valence supérieure à l'énergie de la bande de conduction pour certains quasi-moments particuliers. Les bandes cessent de se couper pour un taux d'antimoine compris entre 7 et 22 %, et le matériau est un isolant à bandes inversées[7]. C'est à ces concentrations élevées que la bande interdite disparaît dans les états de surface, ce qui rend la surface du matériau conductrice tandis qu'il est isolant par ailleurs.

La température critique T_c à l'aquelle une couche mince de Bi_0,4Sb_0,6 de 15 à 135 nm d'épaisseur est supraconductrice est d'environ 2 K[4]. Le champ magnétique critique B_c d'un monocristal de Bi_0,935Sb_0,065 à 4,2 K est de 1,6 T[8].

La mobilité électronique du Bi_1–xSb_x à 40 K varie de 490 000 à 240 000 cm²·V^-1·s^-1 lorsque le taux x d'antimoine varie de 0 à 0,072[5], ce qui est très supérieur aux mobilités observées dans la plupart des semiconducteurs usuels : dans le silicium, la mobilité vaut ainsi 1 400 cm²·V^-1·s^-1 à température ambiante. A contrario, la masse effective des électrons dans le Bi_1–xSb_x varie de 0,002 à 0,0009 fois la masse de l'électron au repos lorsqu'on fait varier le taux x d'antimoine de 0,11 à 0,06[3], ce qui est très inférieur à la masse effective observée dans la plupart des semi-conducteurs usuels, où elle vaut typiquement 1,09 pour le silicium à 300 K, 0,55 dans le germanium et 0,067 dans l'arséniure de gallium. Une faible masse effective est favorable aux applications thermophotovoltaïques.

Les antimoniures de bismuth sont utilisés pour la partie de type n de nombreux composants thermoélectriques fonctionnant en dessous de la température ambiante. Le facteur de mérite thermoélectrique zT correspond au rapport entre l'énergie fournie par le matériau d'une part et la chaleur absorbée par le composant d'autre part. Il vaut σS²T/λ où σ représente la conductivité électrique, S le coefficient Seebeck, T la température et λ la conductivité thermique, et culmine à 6,5 × 10⁻³ K^-1 à 80 K pour x = 0,15[6]. Le coefficient Seebeck du Bi_0,9Sb_0,1 à 80 K vaut −140 µV·K^-1, ce qui est sensiblement inférieur à celui du bismuth pur, qui vaut −50 µV·K^-1[9].