Barvna optika

Energetski pasovi

Kovine

Valentne elektrone, ki v drugih snoveh tvorijo vez med posameznimi atomi ali majhnimi skupinami atomov, delijo enaki vsi atomi v kosu kovine. Ti delokalizirani elektroni se tako lahko premikajo čez cel kos kovine in zagotavljajo kovinski sijaj ter dobro električno in toplotno prevodnost kovin in zlitin. Teorija pasov pojasnjuje, da se v takšnem sistemu posamezne ravni energije nadomestijo z neprekinjenim območjem, ki se imenuje pas, kot je v diagramu gostote stanja kovin bakra, prikazanem na sliki. Iz tega diagrama je razvidno, da se število elektronov, ki jih je mogoče namestiti v pasu pri kateri koli dani energiji, spreminja; v bakru se število zmanjšuje, ko se pas približa polnjenju elektronov. Število elektronov v bakru zapolni pas do prikazane ravni, pri čemer ostane nekaj praznega prostora pri višjih energijah.

Ko foton absorbira elektron blizu vrha energijskega pasu, se elektron dvigne na višjo razpoložljivo energijsko raven znotraj pasu. Svetloba je tako intenzivno absorbirana, da lahko prodre do globine le nekaj sto atomov, tipično manjša od ene same valovne dolžine. Ker je kovina prevodnik električne energije, ta absorbirana svetloba, ki je navsezadnje elektromagnetno valovanje, inducira izmenične električne tokove na kovinski površini. Ti tokovi takoj izločijo foton iz kovine in tako zagotavljajo močan odsev polirane kovinske površine.

Učinkovitost tega postopka je odvisna od določenih izbirnih pravil. Če je učinkovitost absorpcije in ponovnega upadanja približno enaka pri vseh optičnih energijah, se bodo različne barve pri beli svetlobi odražale enako dobro, kar vodi v "srebrno" barvo poliranega srebra in železa. Pri bakru se učinkovitost odboja zmanjšuje s povečanjem energije; zmanjšana odbojnost na modrem koncu spektra ima rdečkasto barvo. Podobne razlage pojasnjujejo rumeno barvo zlata in medenine.

Čisti polprevodniki

V številnih snoveh se v diagramu gostote stanj pojavlja vrzel (glej sliko). To se lahko zgodi, na primer, ko je v povprečju točno štiri valenčne elektrone na atom v čisti snovi, kar ima za posledico popolnoma poln spodnji pas, imenovan valenčni pas, in ravno prazen zgornji pas, prevodni pas. Ker v razmiku med dvema pasoma ni ravni energije elektrona, najnižja energijska svetloba, ki jo lahko absorbiramo, ustreza puščici A na sliki; to predstavlja vzbujanje elektrona od vrha valenčnega pasu do dna prevodnega pasu in ustreza energiji pasovne reže, označeni z E _g. Lahko se absorbira tudi svetloba katere koli višje energije, kar kažeta puščici B in C.

Če ima snov velik pas, kot je diamant 5,4 eV, potem svetlobe v vidnem spektru ne more absorbirati in snov se zdi brezbarvna, ko je čista. Tako veliki polprevodniki s pasovno vrzeljo so odlični izolatorji in jih običajno obravnavamo kot ionske ali kovalentno vezane materiale.

Pigment kadmij rumene barve (kadmijev sulfid, znan tudi kot mineral greenockit) ima manjšo vrzel 2,6 eV, kar omogoča absorpcijo vijolične in modre, vendar nobene druge barve. To vodi do njegove rumene barve. Nekoliko manjša vrzel, ki omogoča absorpcijo vijolične, modre in zelene barve, ustvari barvo oranžno; še manjša vrzel pasu kot pri 2,0 eV pigmentnega vermilija (živosrebrni sulfid, mineralni cinobar) povzroči vse energije, rdeča pa se absorbira, kar vodi v rdečo barvo. Vsa svetloba se absorbira, kadar je energija pasovne reže manjša od 1,77-eV (700 nm) meje vidnega spektra; polprevodniki z ozkim pasom, kot je galena svinčevega sulfida, zato absorbirajo vso svetlobo in so črni. To zaporedje brezbarvnih, rumenih, oranžnih, rdečih in črnih barv je natančna paleta barv, ki je na voljo v čistih polprevodnikih.

Doped polprevodniki

Če je atom nečistoče, ki ga pogosto imenujemo dopant, v polprevodniku (ki je nato označen kot dopiran) in ima drugačno število valenčnih elektronov kot atom, ki ga nadomešča, se lahko v pasu vrzeli tvorijo dodatne ravni energije. Če ima nečistoča več elektronov, kot je nečistoča dušika (pet valenčnih elektronov) v diamantnem kristalu (sestavljen iz ogljika, vsak ima štiri valenčne elektrone), se oblikuje donorski nivo. Elektroni s te ravni se lahko absorbirajo v prevodni pas z absorpcijo fotonov; to se zgodi le na modrem koncu spektra v diamantu z dušikom, kar ima za posledico komplementarno rumeno barvo. Če ima nečistoča manj elektronov kot atom, ki ga nadomešča, na primer nečistoča bora (tri valenčne elektrone) v diamantu, nastane luknjasta raven. Fotoni se zdaj lahko absorbirajo z vzbujanjem elektrona iz valenčnega pasu v nivo luknje. Pri diamantu z borom se to zgodi le na rumenem koncu spektra, kar ima za posledico globoko modro barvo, kot v znamenitem diamantu Hope.

Nekateri materiali, ki vsebujejo tako darovalce kot sprejemnike, lahko absorbirajo ultravijolično ali električno energijo za proizvodnjo vidne svetlobe. Na primer, fosforni praški, kot je cinkov sulfid, ki vsebujejo baker in druge nečistoče, se uporabljajo kot obloga v fluorescenčnih žarnicah za pretvorbo obilne ultravijolične energije, ki jo živosrebrni lok proizvede v fluorescenčno svetlobo. Fosfor se uporablja tudi za premazovanje notranjosti televizijskega zaslona, ​​kjer se aktivira s tokom elektrona (katodni žarki) v katodoluminiscenci in v svetlobnih barvah, kjer jih aktivira bela svetloba ali ultravijolično sevanje, kar povzroči, da prikazujejo počasen svetlobni razpad, znan kot fosforescenca. Elektroluminescence nastanejo zaradi električnega vzbujanja, kot če se fosforni prah naloži na kovinsko ploščo in prekrije s prozorno prevodno elektrodo za proizvodnjo svetlobnih plošč.

Injekcijska elektroluminiscenca se pojavi, kadar kristal vsebuje stičišče med različno dopiranimi polprevodnimi območji. Električni tok bo ustvaril prehode med elektroni in luknjami v območju stičišča, pri čemer bo sproščal energijo, ki se lahko kaže kot skoraj monokromatska svetloba, kot v svetlečih diodah (LED), ki se pogosto uporabljajo na prikazovalnih napravah v elektronski opremi. S primerno geometrijo je lahko tudi izpuščena svetloba enobarvna in koherentna kot pri polprevodniških laserjih.