Värioptiikka

Energiabändit

metallit

Valenssielektronit, jotka muissa aineissa tuottavat sidoksen yksittäisten atomien tai pienten atomiryhmien välillä, jakavat tasapuolisesti kaikki atomit metallikappaleessa. Nämä delokalisoituneet elektronit pystyvät siten liikkumaan koko metallikappaleen yli ja tarjoamaan metallien kiiltoa ja hyviä metallien ja seosten sähkö- ja lämmönjohtavuuksia. Nauhateoria selittää, että sellaisessa järjestelmässä yksittäiset energiatasot korvataan jatkuvalla alueella, jota kutsutaan kaistoksi, kuten kuviossa esitetyssä kuparimetallin tilatiheyskaaviossa. Tämä kaavio osoittaa, että kaistaan ​​mahtuvien elektronien lukumäärä tietyllä energialla vaihtelee; kuparissa lukumäärä pienenee, kun kaista lähestyy täyttymään elektroneilla. Kuparissa olevien elektronien lukumäärä täyttää kaistan esitetylle tasolle, jättäen tyhjää tilaa korkeammilla energioilla.

Kun elektroni absorboi valon fotonia lähellä energiakaistan yläosaa, elektroni nostetaan korkeammalle käytettävissä olevalle energiatasolle kaistan sisällä. Valo absorboituu niin voimakkaasti, että se voi tunkeutua vain muutaman sadan atomin syvyyteen, tyypillisesti alle yhden aallonpituuden. Koska metalli on sähkönjohdin, tämä absorboitu valo, joka on loppujen lopuksi sähkömagneettinen aalto, indusoi vuorottelevia sähkövirtoja metallin pinnalla. Nämä virrat palauttavat fotonin heti metallista, tuottaen siten kiillotetun metallipinnan voimakkaan heijastuksen.

Tämän prosessin tehokkuus riippuu tietyistä valintasäännöistä. Jos imeytymisen ja remission hyötysuhde on suunnilleen sama kaikissa optisissa energioissa, niin valkoisen valon eri värit heijastuvat yhtä hyvin, mikä johtaa kiillotettujen hopea- ja rautapintojen ”hopeanväriseen” väriin. Kuparissa heijastuksen tehokkuus heikkenee energian kasvaessa; vähentynyt heijastuskyky spektrin sinisessä päässä johtaa punertavaan väriin. Samanlaiset näkökohdat selittävät kullan ja messingin keltaisen värin.

Puhtaat puolijohteet

Monissa aineissa kaistaväli ilmenee tilatiheyskaaviona (katso kuva). Tämä voi tapahtua esimerkiksi silloin, kun puhtaassa aineessa on keskimäärin tarkalleen neljä valenssielektronia atomia kohti, jolloin saadaan täysin täysi alempi kaista, jota kutsutaan valenssikaistaksi, ja tarkalleen tyhjä ylempi kaista, johtavuuskaista. Koska kahden kaistan välisessä raossa ei ole elektronienergiatasoja, alin absorboitava energiavalo vastaa kuvassa olevaa nuolta A; tämä edustaa elektronin herättämistä valenssikaistan yläosasta johtamiskaistan alaosaan ja vastaa kaistavälienergiaa, joka on merkitty E _{g: ksi}. Minkä tahansa korkeamman energian valo voi myös absorboitua, kuten nuolet B ja C osoittavat.

Jos aineella on suuri kaistaväli, kuten timantin 5,4 eV, silloin näkyvässä spektrissä olevaa valoa ei voida absorboida, ja aine näyttää väritöntä puhtaana. Tällaiset suuret kaistavälipuolijohteet ovat erinomaisia ​​eristeitä ja niitä käsitellään tavallisemmin ionisina tai kovalenttisesti sitoutuneina materiaaleina.

Kadmium-keltapigmentin (kadmiumsulfidi, joka tunnetaan myös nimellä mineraali greenockite) kaistaväli on pienempi, 2,6 eV, mikä sallii violetin ja jonkin verran sinisen, mutta ei minkään muun värin imeytymisen. Tämä johtaa sen keltaiseen väriin. Hieman pienempi kaistaväli, joka sallii violetin, sinisen ja vihreän imeytymisen, tuottaa oranssinvärisen; vielä pienempi kaistaväli, kuten pigmenttivermilionin (elavhõbesulfidi, mineraalikinepiiri) 2,0 eV: ssä, johtaa kaikkiin energioihin, mutta punainen absorboituu, mikä johtaa punaiseen väriin. Kaikki valo absorboituu, kun kaistavälienergia on pienempi kuin näkyvän spektrin 1,77-eV (700 nm) -raja; kapeat kaistarakoiset puolijohteet, kuten lyijysulfidigalena, absorboivat siis kaiken valon ja ovat mustia. Tämä värittömän, keltaisen, oranssin, punaisen ja mustan jakson väri on tarkka värivalikoima, jota on saatavana puhtaissa puolijohteissa.

Dopeditetut puolijohteet

Jos epäpuhtausatomia, jota usein kutsutaan lisäaineeksi, on läsnä puolijohteessa (joka sitten nimetään seostetuksi) ja siinä on erilainen määrä valenssielektroneja kuin atomilla, jonka se korvaa, ylimääräiset energiatasot voidaan muodostaa kaistaväliin. Jos epäpuhtaudessa on enemmän elektroneja, kuten typpiepäpuhtaus (viisi valenssielektronia) timanttikiteessä (joka koostuu hiileistä, joissa molemmissa on neljä valenssielektronia), muodostuu luovutustaso. Tämän tason elektroneja voidaan virittää johtamiskaistalle fotonien absorptiolla; tämä tapahtuu vain spektrin sinisessä päässä typpiseostetussa timantissa, mikä johtaa täydentävään keltaiseen väriin. Jos epäpuhtaudessa on vähemmän elektroneja kuin korvaava atomi, kuten timantissa boori-epäpuhtaus (kolme valenssielektronia), muodostuu reikä. Fotonit voidaan nyt absorboida virittämällä elektronia valenssikaistaan ​​reikätasoon. Boorilla seostetussa timantissa tämä tapahtuu vain spektrin keltaisessa päässä, mikä johtaa syvän siniseen väriin kuin kuuluisassa Hope-timantissa.

Jotkut materiaalit, jotka sisältävät sekä luovuttajia että vastaanottajia, voivat absorboida ultravioletti- tai sähköenergiaa näkyvän valon tuottamiseksi. Esimerkiksi fosforijauheita, kuten sinkki- sulfidia, joka sisältää kuparia ja muita epäpuhtauksia, käytetään pinnoitteena loistelampuissa muuntamaan elohopeakaarin tuottama runsas ultraviolettienergia fluoresoivaan valoon. Fosforia käytetään myös television kuvaruudun sisäpinnan peittämiseen, jossa ne aktivoidaan elektronin (katodisäteiden) virran avulla katodoluminesenssissa, ja valoisissa maaleissa, joissa ne aktivoituvat valkoisella valolla tai ultraviolettisäteilyllä, mikä aiheuttaa niiden näyttää hitaasti valoa heikentävää ainetta, jota kutsutaan fosforesenssiksi. Elektroluminesenssi johtuu sähköisestä heräteestä, kuten kun fosforijauhe kerrostetaan metallilevylle ja peitetään läpinäkyvällä johtavalla elektrodilla valaistuspaneelien tuottamiseksi.

Injektion elektroluminesenssi tapahtuu, kun kide sisältää liitoksen eri tavalla seostettujen puolijohdealueiden välillä. Sähkövirta tuottaa siirtymiä risteysalueen elektronien ja reikien välillä, vapauttaen energiaa, joka voi esiintyä melkein monokromaattisena valona, ​​kuten valoa emittoivissa diodeissa (LED), joita käytetään laajasti elektronisten laitteiden näyttölaitteissa. Sopivalla geometrialla säteilyvalo voi olla myös yksivärinen ja koherentti kuten puolijohdelaserissa.