Färgoptik

Energiband

metaller

Valenselektronerna, som i andra ämnen producerar bindning mellan enskilda atomer eller små grupper av atomer, delas lika av alla atomer i en metallbit. Dessa delokaliserade elektroner kan således röra sig över hela metallstycket och tillhandahålla metallglans och god elektrisk och termisk konduktivitet hos metaller och legeringar. Bandteorin förklarar att i ett sådant system ersätts enskilda energinivåer med en kontinuerlig region som kallas ett band, som i diagrammets täthetsdiagram för kopparmetall som visas i figuren. Detta diagram visar att antalet elektroner som kan rymmas i bandet vid en given energi varierar; i koppar sjunker antalet när bandet närmar sig att fyllas med elektroner. Antalet elektroner i koppar fyller bandet till den visade nivån och lämnar lite tomt utrymme vid högre energier.

När en ljusfoton absorberas av en elektron nära toppen av energibandet, lyftes elektronen till en högre tillgänglig energinivå i bandet. Ljuset absorberas så intensivt att det kan tränga ner till ett djup på bara några hundra atomer, vanligtvis mindre än en enda våglängd. Eftersom metallen är en elektrisk ledare inducerar detta absorberade ljus, som trots allt är en elektromagnetisk våg, växlande elektriska strömmar på metallytan. Dessa strömmar återger omedelbart fotonen från metallen, vilket ger en stark reflektion av en polerad metallyta.

Effektiviteten i denna process beror på vissa urvalsregler. Om absorptions- och återemissionseffektiviteten är ungefär lika vid alla optiska energier, kommer de olika färgerna i vitt ljus att reflekteras lika bra, vilket leder till den "silviga" färgen på polerade silver- och järnytor. I koppar minskar reflektionseffektiviteten med ökande energi; den reducerade reflektiviteten vid spektrumets blå ände resulterar i en rödaktig färg. Liknande överväganden förklarar den gula färgen på guld och mässing.

Rena halvledare

I ett antal ämnen visas ett bandgap i diagrammet för tillståndets täthet (se figur). Detta kan till exempel hända när det finns ett genomsnitt på exakt fyra valenselektroner per atom i en ren substans, vilket resulterar i ett helt fullt nedre band, kallat valensbandet, och ett exakt tomt övre band, ledningsbandet. Eftersom det inte finns några elektronenerginivåer i gapet mellan de två banden, motsvarar det lägsta energiljuset som kan absorberas pilen A i figuren; detta representerar excitationen av en elektron från toppen av valensbandet upp till botten av ledningsbandet och motsvarar bandgapsenergin betecknad _Eg. Ljus med högre energi kan också absorberas, vilket indikeras av pilarna B och C.

Om ämnet har ett stort bandgap, såsom 5,4 eV diamant, kan inget ljus i det synliga spektrumet absorberas, och ämnet verkar färglöst när det är rent. Sådana stora bandgapshalvledare är utmärkta isolatorer och behandlas vanligtvis som joniska eller kovalent bundna material.

Pigmentet kadmiumgult (kadmiumsulfid, även känt som mineralgrönockit) har ett mindre bandgap på 2,6 eV, vilket tillåter absorption av violett och en del blå men ingen av de andra färgerna. Detta leder till dess gula färg. Ett något mindre bandgap som tillåter absorption av violet, blått och grönt ger färgen orange; ett ännu mindre bandgap som i 2,0 eV för pigment vermilion (kvicksilversulfid, mineral cinnabar) resulterar i att alla energier men det röda absorberas, vilket leder till en röd färg. Allt ljus absorberas när bandgapsenergin är mindre än 1,77-eV (700-nm) gränsen för det synliga spektrumet; smala bandgapshalvledare, såsom blysulfidgalena, absorberar därför allt ljus och är svarta. Denna sekvens av färglösa, gula, orange, röda och svarta är det exakta färgområdet som finns i rena halvledare.

Dopade halvledare

Om en föroreningsatom, ofta kallad ett dopmedel, finns i en halvledare (som sedan betecknas som dopad) och har ett annat antal valenselektroner än den atom som den ersätter, kan extra energinivåer bildas i bandgapet. Om föroreningen har fler elektroner, såsom kväveföroreningar (fem valenselektroner) i en diamantkristall (bestående av kol, var och en har fyra valenselektroner), bildas en givarnivå. Elektroner från denna nivå kan exciteras in i ledningsbandet genom absorption av fotoner; detta inträffar endast vid den blå änden av spektrumet i kvävedopad diamant, vilket resulterar i en komplementär gul färg. Om föroreningen har färre elektroner än atomen den ersätter, till exempel en borföroreningar (tre valenselektroner) i diamant, bildas en hålnivå. Fotoner kan nu absorberas med excitering av en elektron från valensbandet in i hålnivån. I bor-dopad diamant förekommer detta endast vid den gula änden av spektrumet, vilket resulterar i en djupblå färg som i den berömda Hope-diamanten.

Vissa material som innehåller både givare och acceptorer kan absorbera ultraviolett eller elektrisk energi för att producera synligt ljus. Till exempel används fosforpulver, såsom zinksulfidinnehållande koppar och andra föroreningar, som en beläggning i lysrör för att omvandla den rikliga ultravioletta energin som produceras av kvicksilverbågen till lysrör. Fosforer används också för att täcka insidan av en TV-skärm, där de aktiveras av en ström av elektroner (katodstrålar) i katodoluminescens och i ljusfärger, där de aktiveras av vitt ljus eller genom ultraviolett strålning, vilket får dem att uppvisar ett långsamt lysande förfall som kallas fosfororescens. Elektroluminescens är resultatet av elektrisk excitation, som när ett fosforpulver avsätts på en metallplatta och täcks med en transparent ledande elektrod för att producera belysningspaneler.

Injektionselektroluminescens inträffar när en kristall innehåller en övergång mellan olika dopade halvledande regioner. En elektrisk ström kommer att producera övergångar mellan elektroner och hål i korsningsområdet och släpper energi som kan visas som nästan monokromatiskt ljus, som i de lysemitterande dioderna (LED) som används ofta på displayenheter i elektronisk utrustning. Med en lämplig geometri kan det avgivna ljuset också vara monokromatiskt och koherent som i halvledarlasrar.