83 铋 拓扑绝缘体的元素

本文作者：漂泊

铋是一种性质独特的半金属元素，它的单质由于表面氧化会出现彩虹色的光泽，非常美丽。而铋的化合物可以是半导体、拓扑绝缘体，还可以是超导体，这些材料在电子工业都扮演着非常重要的角色。氯氧化铋则可以用于我们生活中的化妆品中；钒酸铋也是一种非常重要的黄色颜料。

铋的基本物理性质

铋的发现

铋是最早被人们发现的10种金属之一。印加人很早的时候就在一种特殊的青铜合金刀具中添加铋。1450年，德国教士B·Vallentine曾描述过铋。在很长一段时间内铋被人们误认为是铅、锡、银、锑等其他金属，因为它们的性质非常相似。直到1556年，德国的Georgius Agricola才在《论金属》一书中提出锑和铋是两种独立金属的观点。铋的拉丁名称Bismuthum来源于德语中的Wismuth (白色物质)。但其实金属铋并非是完全的银白色，它也带一些粉红色。

1737年Johann Heinrich Pott用火法分析钴矿时曾获得一小块样品，但当时并不知是何物。1753年，Torbern Olof Bergman确认铋是一种化学元素，定名为Bismuth。同年Claude François Geoffroy经分析研究，证明这种金属与铅和锡不同，是一种新元素。

铋金属通常都带有彩虹色的光泽，这是由于晶体表面厚度不一的氧化膜所造成的，它会导致光的干涉。铋晶体的螺旋阶梯状结构则是外边缘周围比内边缘上更高的生长速率的结果。铋也是具有最高抗磁性的金属，同时也具有很高的霍尔系数和电阻率。当铋的厚度降低到纳米量级时，它会由金属转化为半导体。 [1-7]

金属铋

性质各异的铋化合物

铋处于元素周期表中金属与非金属的分界线上，因此它虽然是金属，但是有很多性质与非金属相似，故被称为半金属。很多铋的化合物都是非常重要的半导体材料，在电子工业中扮演着非常重要的角色。

铋的化合物主要用于制造温差致冷元件、高速集成电路、参量放大器、离子雪崩光控二极管、光导摄像显像管等等。例如：BiSbTe3可作为温差电器元件用于太阳能电池；Bi2Te3是一种性质优异的热电材料，它可以用于制造低温温差电源；BiAgS2用于制造半导体器件；Bi2O3等氧化物薄膜材料可作导电涂层。Bi2S3主要用于制造光电自动设备中的光电阻，增大可见光谱区域内光谱的灵敏度。此外，在光学透镜中添加铋的氧化物还能增加它的比重和折射系数。铋锶钙铜氧化物则是一种著名的高温超导体材料。

近年来，研究人员发现了一类性质迥异的新材料——拓扑绝缘体，它指的是内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。在拓扑绝缘体的内部，电子能带结构和常规的绝缘体相似，其费米能级位于导带和价带之间。在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。这类材料由于其特殊的性质，在电子、光学等领域具有非常重要的潜在价值。铋的许多化合物，如Bi2Se3， Sb2Te3， Bi2Te3 等都可以制成拓扑绝缘体的结构，因此备受关注。 [8-11]

高度n型掺杂的拓扑绝缘体Bi2Se3能带结构

易熔合金

易熔合金是一类非常重要的低熔点材料，它被广泛地用做焊料，以及电器、蒸汽、消防、火灾报警等装置中的保险丝、熔断器等热敏组件。而铋则是易熔合金中非常常见的元素，用铋制造易熔合金也是铋的主要用途之一。铋可与锑、镉、铟、镓、锡、钛等金属配制成易熔台金系列，它们的熔点一般在200°C以下。铋基易熔台金可以用于制作在预定温度熔化的安全装置、保险丝、易熔片等。

它们也可制作低熔点焊料，如著名的伍德合金，它可以用于透镜定位、玻璃密封、电子元件焊接等用途。伍德合金是指由铋、铅、锡、镉四种金属元素组成的低熔点合金，根据组成搭配的不同其液相线的温度可在73~93℃间波动，而其的共晶成分合金熔点只有70℃。它的具体元素配比是50%铋、25%铅、12.5%锡和12.5%镉。

此外，含铋55%以上的合金凝固时体积有冷胀性，可以用于矫正变形工件、印刷铸字。含铋48~55%的合金尺寸稳定，可用于制造低熔点台金模具，如著名的Bi～Sn模具合金。它可以用于金属薄板材(铝板、钢板)的冷冲压成型，合金模具硬度不低于钢模，具体来说可用于汽车车身外壳、油箱、水箱冷冲压工艺，具有成型快、更新快、合金可多次反复使用等优点。[12-13]

化妆品中的珠光素——氯氧化铋

氯氧化铋又称珠光素，是一种具有珍珠光泽的颜料。氯氧化铋的结构是以Bi、O和Cl原子的不同层交替的结构，其中每个氧原子在相邻平面中与四个铋原子配位。这些原子层对光进行色折射，从而产生类似于珍珠质的虹彩外观。

氯氧化铋不但可以用于涂饰纸张和塑料，而且由于它无毒，因此非常适合配制口红、指甲油、眼影、等化妆品。氯氧化铋早在古埃及时期就被用作化妆品。此外，氯氧化铋还能保持水分，所以在面脂、肤霜中配入高光泽性的氯氧化铋后，可以使皮肤保持柔软光滑。在氯氧化铋化妆品配方中加入紫外线吸收剂，还可以保持其在日光照射下不变色。[14-16]

颜料

钒酸铋是一种非常常用的黄色颜料，它色彩鲜艳，耐候性好，被水彩颜料公司广泛使用。它的颜色是从绿黄色（柠檬）到橙黄色，与硫化镉黄色颜料相近，因此可以用于替代镉黄等毒性颜料。

如果添加绿色颜料和硫酸钡（用于增加透明度），它也可以代替铬酸钡，与铬酸铅相比，它不会因空气中的硫化氢而变黑，并且具有比它们更亮的色泽，成本也相对较低。[17-18]

钒酸铋

参考文献

• [1] Norman, Nicholas C. (1998). Chemistry of arsenic, antimony, and bismuth. p. 41. ISBN 978-0-7514-0389-3.

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• [9] Tritt, Terry M. (2000). Recent trends in thermoelectric materials research. Academic Press. p. 12. ISBN 978-0-12-752178-7.

• [10]  “BSCCO”. National High Magnetic Field Laboratory.

• [11] 吕衍凤, 陈曦, 薛其坤. 拓扑绝缘体简介[J]. 物理与工程, 2012, 22(1):7-10.

• [12] Llewellyn, D. T.; Hudd, Roger C. (1998). Steels: Metallurgy and applications. Butterworth-Heinemann. p. 239. ISBN 978-0-7506-3757-2.

• [13] Davis & Associates, J. R. & Handbook Committee, ASM International (1993). Aluminum and Aluminum Alloys. p. 41. ISBN 978-0-87170-496-2.

• [14] Kean, Sam (2011). The Disappearing Spoon (and other true tales of madness, love, and the history of the world from the Periodic Table of Elements). New York/Boston: Back Bay Books. pp. 158–160. ISBN 978-0-316-051637.

• [15] Maile, Frank J.; Pfaff, Gerhard; Reynders, Peter (2005). “Effect pigments—past, present and future”. Progress in Organic Coatings. 54 (3): 150. doi:10.1016/j.porgcoat.2005.07.003.

• [16] Pfaff, Gerhard (2008). Special effect pigments: Technical basics and applications. Vincentz Network GmbH. p. 36. ISBN 978-3-86630-905-0.

• [17] Tücks, Andreas; Beck, Horst P. (2007). “The photochromic effect of bismuth vanadate pigments: Investigations on the photochromic mechanism”. Dyes and Pigments. 72 (2): 163. doi:10.1016/j.dyepig.2005.08.027.

• [18] Müller, Albrecht (2003). “Yellow pigments”. Coloring of plastics: Fundamentals, colorants, preparations. Hanser Verlag. pp. 91–93. ISBN 978-1-56990-352-0.