Farveoptik

Energibånd

Metaller

Valenselektronerne, som i andre stoffer producerer binding mellem individuelle atomer eller små grupper af atomer, deles ligeligt af alle atomer i et stykke metal. Disse delokaliserede elektroner er således i stand til at bevæge sig over hele metalstykket og tilvejebringe den metalliske glans og gode elektriske og termiske ledningsevner af metaller og legeringer. Båndteori forklarer, at i et sådant system erstattes individuelle energiniveauer med en kontinuerlig region kaldet et bånd, som i tætheden for tilstandsdiagram for kobbermetal vist i figuren. Dette diagram viser, at antallet af elektroner, der kan rumme i båndet ved en given energi, varierer; i kobber falder antallet, når båndet nærmer sig at blive fyldt med elektroner. Antallet af elektroner i kobberet fylder båndet til det viste niveau og efterlader et tomt rum ved højere energier.

Når et foton af lys absorberes af et elektron nær toppen af ​​energibåndet, hæves elektronet til et højere tilgængeligt energiniveau inden for båndet. Lyset absorberes så intenst, at det kan trænge ind i en dybde på kun et par hundrede atomer, typisk mindre end en enkelt bølgelængde. Fordi metallet er en leder af elektricitet, inducerer dette absorberede lys, der trods alt er en elektromagnetisk bølge, vekslende elektriske strømme på metaloverfladen. Disse strømme genindtræder straks fotonen ud af metallet, hvilket giver en stærk reflektion af en poleret metaloverflade.

Effektiviteten af ​​denne proces afhænger af visse udvælgelsesregler. Hvis effektiviteten af ​​absorption og genemission er omtrent lige ved alle optiske energier, vil de forskellige farver i hvidt lys reflekteres lige så godt, hvilket fører til den "sølvfarvede" farve på polerede sølv- og jernoverflader. I kobber falder reflektionseffektiviteten med stigende energi; den reducerede refleksionsevne ved den blå ende af spektret resulterer i en rødlig farve. Lignende betragtninger forklarer den gule farve på guld og messing.

Ren halvleder

I et antal stoffer vises der et båndgap i diagrammets tæthedsgrad (se figur). Dette kan for eksempel ske, når der er et gennemsnit på nøjagtigt fire valenselektroner pr. Atom i et rent stof, hvilket resulterer i et helt fuldt nedre bånd, kaldet valensbåndet, og et nøjagtigt tomt øvre bånd, ledningsbåndet. Da der ikke er nogen elektronenerginiveau i afstanden mellem de to bånd, svarer det laveste energilys, der kan optages, til pilen A i figuren; dette repræsenterer den excitation af en elektron fra toppen af valensbåndet op til bunden af ledningsbåndet og svarer til båndgab energi betegnet E _g. Lys med eventuel højere energi kan også absorberes, som indikeret med pilene B og C.

Hvis stoffet har et stort båndgap, såsom 5,4 eV af diamant, kan intet lys i det synlige spektrum absorberes, og stoffet ser farveløst ud, når det er rent. Sådanne store bånd-spaltede halvledere er fremragende isolatorer og behandles mere sædvanligvis som ioniske eller kovalent bundne materialer.

Pigmentet cadmiumgult (cadmiumsulfid, også kendt som mineralgrønockit) har et mindre båndgap på 2,6 eV, som tillader absorption af violet og nogle blå, men ingen af ​​de andre farver. Dette fører til dens gule farve. Et noget mindre båndgap, der tillader optagelse af violet, blåt og grønt, giver farven orange; et endnu mindre båndgap som i 2,0 eV af pigment vermilion (kviksølvsulfid, mineralsk kanel) resulterer i, at alle energier, men den røde absorberes, hvilket fører til en rød farve. Alt lys absorberes, når båndgapsenergien er mindre end 1,77-eV (700-nm) grænsen for det synlige spektrum; smalle bånd-spaltede halvledere, såsom blysulfidgalena, absorberer derfor alt lys og er sorte. Denne sekvens af farveløs, gul, orange, rød og sort er det præcise udvalg af farver, der er tilgængelige i rene halvledere.

Dopede halvledere

Hvis et urenhedsatom, ofte kaldet et dopingmiddel, er til stede i en halvleder (som derefter betegnes som dopet) og har et andet antal valenselektroner end det atom, det erstatter, kan der dannes ekstra energiniveau inden for båndgabet. Hvis urenheden har flere elektroner, såsom en nitrogenforurening (fem valenselektroner) i en diamantkrystall (bestående af kulstof, der hver har fire valenselektroner), dannes et donorniveau. Elektroner fra dette niveau kan spændes ind i ledningsbåndet ved optagelse af fotoner; dette forekommer kun i den blå ende af spektret i nitrogen-doteret diamant, hvilket resulterer i en komplementær gul farve. Hvis urenheden har færre elektroner end det atom, det erstatter, såsom en borforurening (tre valenselektroner) i diamant, dannes et hulniveau. Fotoner kan nu absorberes ved excitation af et elektron fra valensbåndet ind i hulniveauet. I bor-dopet diamant forekommer dette kun ved den gule ende af spektret, hvilket resulterer i en dybblå farve som i den berømte Hope-diamant.

Nogle materialer, der indeholder både donorer og acceptorer, kan absorbere ultraviolet eller elektrisk energi til at producere synligt lys. F.eks. Anvendes fosforpulvere, såsom zinksulfid indeholdende kobber og andre urenheder, som en belægning i lysstofrør for at omdanne den rigelige ultraviolette energi, der produceres af kviksølvbuen, til lysstofrør. Fosfor bruges også til at beklæde indersiden af ​​en tv-skærm, hvor de aktiveres af en strøm af elektroner (katodestråler) i katodoluminescens og i lysende maling, hvor de aktiveres af hvidt lys eller ved ultraviolet stråling, hvilket får dem til at viser et langsomt lysende forfald, kendt som phosphorescence. Elektroluminescens skyldes elektrisk excitation, som når et fosforpulver afsættes på en metallisk plade og dækkes med en gennemsigtig ledende elektrode til fremstilling af belysningspaneler.

Injektionselektroluminescens opstår, når en krystal indeholder et kryds mellem forskellige dopede halvledende regioner. En elektrisk strøm vil producere overgange mellem elektroner og huller i krydsområdet og frigive energi, der kan vises som næsten monokromatisk lys, som i de lysemitterende dioder (LED'er), der i vid udstrækning bruges på displayindretninger i elektronisk udstyr. Med en passende geometri kan det udsendte lys også være monokromatisk og sammenhængende som i halvlederlasere.