Farboptik

Energiebänder

Metalle

Die Valenzelektronen, die in anderen Substanzen eine Bindung 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 den metallischen Glanz sowie die guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten von Metallen und Legierungen bereitstellen. 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 Lichtphoton von einem Elektron nahe der Oberseite des Energiebandes absorbiert wird, wird das Elektron auf ein höheres verfügbares Energieniveau innerhalb des Bandes angehoben. Das Licht wird so stark 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 im weißen 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 eine reine Substanz durchschnittlich genau vier Valenzelektronen pro Atom enthält, was zu einem vollständig vollen unteren Band, dem Valenzband, und einem genau leeren oberen Band, dem Leitungsband, führt. 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 beispielsweise 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 dazu, dass alle Energien außer dem Rot absorbiert 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 Abfolge 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 beispielsweise eine 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.

Einige Materialien, die sowohl Donoren als auch Akzeptoren enthalten, können ultraviolette oder elektrische Energie absorbieren, um sichtbares Licht zu erzeugen. Beispielsweise werden Leuchtstoffpulver, wie zinkhaltiges Zinksulfid und andere Verunreinigungen, als Beschichtung in Leuchtstofflampen verwendet, um die vom Quecksilberbogen reichlich vorhandene ultraviolette Energie in fluoreszierendes Licht umzuwandeln. Leuchtstoffe werden auch verwendet, um das Innere eines Fernsehbildschirms zu beschichten, wo sie durch einen Elektronenstrom (Kathodenstrahlen) bei der Kathodolumineszenz aktiviert werden, und in Leuchtfarben, wo sie durch weißes Licht oder durch ultraviolette Strahlung aktiviert werden, was dazu führt, dass sie aktiviert werden zeigen einen langsamen Lichtzerfall, der als Phosphoreszenz bekannt ist. Elektrolumineszenz resultiert aus elektrischer Anregung, beispielsweise wenn ein Leuchtstoffpulver auf einer Metallplatte abgeschieden und mit einer transparenten leitenden Elektrode bedeckt wird, um Beleuchtungsplatten herzustellen.

Injektionselektrolumineszenz tritt auf, wenn ein Kristall einen Übergang zwischen unterschiedlich dotierten Halbleiterbereichen enthält. Ein elektrischer Strom erzeugt Übergänge zwischen Elektronen und Löchern im Übergangsbereich und setzt Energie frei, die als nahezu monochromatisches Licht erscheinen kann, wie dies bei Leuchtdioden (LEDs) der Fall ist, die bei Anzeigegeräten in elektronischen Geräten weit verbreitet sind. Bei geeigneter Geometrie kann das emittierte Licht auch monochromatisch und kohärent sein wie bei Halbleiterlasern.