Materie & Energie

Farbe - Energiebänder

Energiebänder

Metalle

Die Valenzelektronen, die in anderen Substanzen Bindungen zwischen einzelnen Atomen oder kleinen Gruppen von Atomen herstellen, werden von allen Atomen in einem Metallstück zu gleichen Teilen geteilt. Diese delokalisierten Elektronen können sich somit über das gesamte Metallstück bewegen und sorgen für den metallischen Glanz und die guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten von Metallen und Legierungen.Die Bandentheorie erklärt, dass in einem solchen System einzelne Energieniveaus durch einen kontinuierlichen Bereich ersetzt werden, der als Band bezeichnet wird, wie im in der Abbildung gezeigten Zustandsdichtediagramm für Kupfermetall . Dieses Diagramm zeigt, dass die Anzahl der Elektronen, die bei einer bestimmten Energie im Band untergebracht werden können, variiert. In Kupfer nimmt die Zahl ab, wenn sich das Band der Elektronenfüllung nähert. Die Anzahl der Elektronen im Kupfer füllt das Band bis zu dem gezeigten Niveau und lässt bei höheren Energien etwas leeren Raum.

Wenn ein Photon von Licht von einem Elektron in der Nähe der Spitze des Energiebandes absorbiert wird, wird das Elektron auf ein höheres verfügbares erhöhten Energieniveau innerhalb des Bandes. Das Licht wird so intensiv absorbiert, dass es bis zu einer Tiefe von nur wenigen hundert Atomen eindringen kann, typischerweise weniger als eine einzelne Wellenlänge. Da das Metall ein elektrischer Leiter ist , induziert dieses absorbierte Licht, das schließlich eine elektromagnetische Welle ist , elektrische Wechselströme auf der Metalloberfläche. Diese Ströme setzen das Photon sofort wieder aus dem Metall aus und sorgen so für eine starke Reflexion einer polierten Metalloberfläche.

Die Effizienz dieses Prozesses hängt von bestimmten Auswahlregeln ab. Wenn die Effizienz der Absorption und Reemission bei allen optischen Energien ungefähr gleich ist, werden die verschiedenen Farben in weißem Licht gleich gut reflektiert, was zur „silbernen“ Farbe von polierten Silber- und Eisenoberflächen führt. In Kupfer nimmt die Effizienz der Reflexion mit zunehmender Energie ab; Das verringerte Reflexionsvermögen am blauen Ende des Spektrums führt zu einer rötlichen Farbe. Ähnliche Überlegungen erklären die gelbe Farbe von Gold und Messing .

Reine Halbleiter

Bei einer Reihe von Substanzen erscheint eine Bandlücke im Zustandsdichtediagramm ( siehe Abbildung ). Dies kann zum Beispiel passieren, wenn sich in einer reinen Substanz durchschnittlich genau vier Valenzelektronen pro Atom befinden, was zu einem vollständig vollen unteren Band führt, dem so genanntenValenzband und ein genau leeres oberes Band, dasLeitungsband . Da sich in der Lücke zwischen den beiden Bändern keine Elektronenenergieniveaus befinden, entspricht das Licht mit der niedrigsten Energie, das absorbiert werden kann, dem Pfeil A in der Abbildung. Dies stellt die Anregung eines Elektrons von der Oberseite des Valenzbandes bis zur Unterseite des Leitungsbandes dar und entspricht der mit E g bezeichneten Bandlückenenergie . Licht höherer Energie kann ebenfalls absorbiert werden, wie durch die Pfeile B und C angezeigt .

Wenn die Substanz eine große Bandlücke aufweist, wie z. B. 5,4 eV Diamant, kann kein Licht im sichtbaren Spektrum absorbiert werden, und die Substanz erscheint im reinen Zustand farblos. Solche Halbleiter mit großer Bandlücke sind ausgezeichnete Isolatoren und werden üblicherweise als ionische oder kovalent gebundene Materialien behandelt.

Das Pigment Cadmiumgelb (Cadmiumsulfid, auch als Mineral Greenockit bekannt ) hat eine kleinere Bandlücke von 2,6 eV, was die Absorption von Violett und etwas Blau, aber keine der anderen Farben ermöglicht. Dies führt zu seiner gelben Farbe. Eine etwas kleinere Bandlücke, die die Absorption von Violett, Blau und Grün ermöglicht, erzeugt die Farbe Orange; Eine noch kleinere Bandlücke wie bei 2,0 eV des Pigmentzinnoberrotes (Quecksilbersulfid, das Mineral Zinnober ) führt zu allen Energien außer dem Rotabsorbiert werden, was zu einer roten Farbe führt. Das gesamte Licht wird absorbiert, wenn die Bandlückenenergie unter der Grenze von 1,77 eV (700 nm) des sichtbaren Spektrums liegt. Halbleiter mit schmaler Bandlücke, wie das Bleisulfid-Bleiglanz, absorbieren daher alles Licht und sind schwarz . Diese Folge von farblos, gelb, orange , rot und schwarz ist die genaue Farbpalette, die in reinen Halbleitern verfügbar ist.

Dotierte Halbleiter

Wenn ein Verunreinigungsatom, oft als Dotierstoff bezeichnet , in einem Halbleiter vorhanden ist (der dann als dotiert bezeichnet wird) und eine andere Anzahl von Valenzelektronen aufweist als das Atom, das er ersetzt, können zusätzliche Energieniveaus innerhalb der Bandlücke gebildet werden. Wenn die Verunreinigung mehr Elektronen aufweist, wie beispielsweise eine Stickstoffverunreinigung (fünf Valenzelektronen) in einem Diamantkristall (bestehend aus Kohlenstoffen mit jeweils vier Valenzelektronen), wird ein Donorniveau gebildet. Elektronen von diesem Niveau können durch Absorption von Photonen in das Leitungsband angeregt werden; Dies tritt nur am blauen Ende des Spektrums bei stickstoffdotiertem Diamant auf, was zu einer komplementären gelben Farbe führt. Wenn die Verunreinigung weniger Elektronen hat als das Atom, das sie ersetzt, wie z. B. ein BorVerunreinigung (drei Valenzelektronen) in Diamant wird ein Lochniveau gebildet. Photonen können nun unter Anregung eines Elektrons vom Valenzband in das Lochniveau absorbiert werden. Bei mit Bor dotiertem Diamanten tritt dies nur am gelben Ende des Spektrums auf, was zu einer tiefblauen Farbe wie beim berühmten Hope-Diamanten führt .

Some materials containing both donors and acceptors can absorb ultraviolet or electrical energy to produce visible light. For example, phosphor powders, such as zinc sulfide containing copper and other impurities, are used as a coating in fluorescent lamps to convert the plentiful ultraviolet energy produced by the mercury arc into fluorescent light. Phosphors are also used to coat the inside of a television screen, where they are activated by a stream of electrons (cathode rays) in cathodoluminescence, and in luminous paints, where they are activated by white light or by ultraviolet radiation, which causes them to display a slow luminous decay known as phosphorescence. Electroluminescence results from electrical excitation, as when a phosphor powder is deposited onto a metallic plate and covered with a transparent conducting electrode to produce lighting panels.

Injection electroluminescence occurs when a crystal contains a junction between differently doped semiconducting regions. An electric current will produce transitions between electrons and holes in the junction region, releasing energy that can appear as near-monochromatic light, as in the light-emitting diodes (LEDs) widely used on display devices in electronic equipment. With a suitable geometry, the emitted light can also be monochromatic and coherent as in semiconductor lasers.

Colour centres

A colour centre often involves a solid that is missing an atom, such as sodium chloride, an ionic crystal that consists of a three-dimensional array of positively charged sodium ions and negatively charged chloride ions. When a negative chloride ion is missing from the crystal, electrical neutrality can be maintained if a free electron occupies the spot vacated by the chloride ion, forming an F-centre (after the German Farbe, “colour”). This replacement electron can be viewed as providing a trapping energy level within the large band gap.

Some form of relatively high energy, such as ultraviolet radiation or high-energy X-rays or gamma rays, can then be used to promote an electron from the valence band into the trap, which contains excited energy levels such as that designated Ea in the figure. The Ea level for the sodium chloride F-centre occurs at 2.7 eV and can absorb blue light, leading to a yellow-brown colour; such a defect is called a colour centre. The electron in this excited energy level is still within the trap. Only by supplying energy corresponding to Eb can the electron leave the trap and return via the conduction band directly to the valence band. This can happen if the crystal is heated, resulting in bleaching of the colour centre. If Eb is about the same size as Ea, bleaching can occur merely while the material is being illuminated, leading to optical bleaching. If Eb is sufficiently small, the material may even fade in the dark at room temperature. This occurs in self-darkening sunglasses: the ultraviolet energy present in sunlight produces darkening, and room temperature leads to fading as soon as ultraviolet light is no longer present.