Enerji bantları
madenler
Diğer maddelerde tek tek atomlar veya küçük atom grupları arasında bağ üreten değerlik elektronları, bir metal parçasındaki tüm atomlar tarafından eşit olarak paylaşılır. Bu delokalize elektronlar böylece tüm metal parçası üzerinde hareket edebilir ve metalik parlaklık ve metallerin ve alaşımların iyi elektriksel ve termal iletkenliklerini sağlayabilir. Bant teorisi, böyle bir sistemde, bireysel enerji seviyelerinin, şekilde gösterilen bakır metal için durum yoğunluğu diyagramında olduğu gibi, bant adı verilen sürekli bir bölge ile değiştirildiğini açıklar. Bu şema, herhangi bir enerjide banda yerleştirilebilecek elektron sayısının değiştiğini göstermektedir; bakırda, bant elektronlarla dolmaya yaklaştıkça sayı düşer. Bakırdaki elektron sayısı, bandı gösterilen seviyeye kadar doldurur ve daha yüksek enerjilerde biraz boşluk bırakır.
Bir ışık fotonu, enerji bandının üst kısmına yakın bir elektron tarafından emildiğinde, elektron bant içinde daha yüksek bir enerji seviyesine yükseltilir. Işık o kadar yoğun emilir ki, sadece birkaç yüz atomluk bir derinliğe, tipik olarak tek bir dalga boyundan daha az nüfuz edebilir. Metal bir elektrik iletkeni olduğu için, bu soğurulan ışık, sonuçta bir elektromanyetik dalga, metal yüzeyde alternatif elektrik akımları indükler. Bu akımlar derhal fotonu metalden çıkarır, böylece cilalı metal bir yüzeyin güçlü yansımasını sağlar.
Bu sürecin etkinliği belirli seçim kurallarına bağlıdır. Emilim ve reemisyonun verimliliği tüm optik enerjilerde yaklaşık olarak eşitse, beyaz ışıktaki farklı renkler eşit derecede iyi yansıtılacak ve cilalı gümüş ve demir yüzeylerin "gümüş" rengine yol açacaktır. Bakırda, artan enerji ile yansıma verimliliği azalır; spektrumun mavi ucundaki azaltılmış yansıtıcılık kırmızımsı bir renkle sonuçlanır. Benzer düşünceler altın ve pirincin sarı rengini açıklar.
Saf yarı iletkenler
Bazı maddelerde durum diyagramının yoğunluğunda bir bant boşluğu görülür (şekle bakınız). Bu, örneğin saf bir maddede atom başına ortalama tam olarak dört değerlik elektronu olduğunda, değerlik bandı adı verilen tamamen dolu bir alt bant ve tamamen boş bir üst bant, iletim bandı ile sonuçlanabilir. İki bant arasındaki boşlukta hiçbir elektron enerji seviyesi olmadığından, emilebilecek en düşük enerji ışığı şekilde A oku; Bu E adı bant boşluk enerjisine karşı iletim bant ve karşılık gelir altına kadar valans bandının üstten bir elektronun uyarma temsil gr. B ve C okları ile gösterildiği gibi, herhangi bir yüksek enerjinin ışığı da emilebilir.
Maddenin elmas 5.4 eV gibi büyük bir bant boşluğuna sahip olması durumunda, görünür spektrumdaki ışık emilemez ve madde saf olduğunda renksiz görünür. Bu tür büyük bant aralığı yarı iletkenleri mükemmel izolatörlerdir ve daha çok iyonik veya kovalent olarak bağlanmış malzemeler olarak muamele edilir.
Pigment kadmiyum sarısı (mineral greenockite olarak da bilinen kadmiyum sülfit), menekşe ve bazı mavinin emilmesine izin veren ancak diğer renklerin hiçbirine izin vermeyen 2.6 eV'lik daha küçük bir bant boşluğuna sahiptir. Bu sarı rengine yol açar. Mor, mavi ve yeşilin emilmesine izin veren biraz daha küçük bir bant boşluğu turuncu rengi üretir; pigment vermilyonun 2.0 eV'sinde (mercuric sulfide, mineral cinnabar) olduğu gibi daha küçük bir bant boşluğu, tüm enerjilerle sonuçlanır, ancak kırmızı emilir, bu da kırmızı renge yol açar. Bant aralığı enerjisi, görünür spektrumun 1.77-eV (700-nm) sınırından düşük olduğunda tüm ışık emilir; kurşun sülfit galena gibi dar bant aralığı yarı iletkenleri bu nedenle tüm ışığı emer ve siyahtır. Bu renksiz, sarı, turuncu, kırmızı ve siyah dizisi saf yarı iletkenlerde bulunan kesin renk aralığıdır.
Katkılı yarı iletkenler
Genellikle bir katkı maddesi olarak adlandırılan bir safsızlık atomu, bir yarı iletkente (daha sonra katkılı olarak adlandırılır) mevcutsa ve yerini aldığı atomdan farklı sayıda değerlik elektronuna sahipse, bant boşluğu içinde ekstra enerji seviyeleri oluşturulabilir. Safsızlığın, bir elmas kristalindeki (her biri dört değerlik elektronuna sahip karbonlardan oluşan) bir azot safsızlığı (beş değerlik elektronu) gibi daha fazla elektrona sahip olması durumunda, bir verici seviyesi oluşur. Bu seviyeden elektronlar, fotonların emilmesi ile iletim bandına uyarılabilir; bu sadece nitrojen katkılı elmastaki spektrumun mavi ucunda meydana gelir ve tamamlayıcı sarı bir renge neden olur. Safsızlığın yerini değiştirdiği atomdan daha az elektron varsa, örneğin elmastaki bir bor safsızlığı (üç değerlik elektronu) gibi bir delik seviyesi oluşur. Fotonlar artık bir elektronun valans bandından delik seviyesine uyarılmasıyla emilebilir. Bor katkılı elmasta, bu sadece spektrumun sarı ucunda meydana gelir ve ünlü Hope elmasında olduğu gibi koyu mavi bir renge neden olur.
Hem donör hem de alıcı içeren bazı malzemeler, görünür ışık üretmek için ultraviyole veya elektrik enerjisini emebilir. Örneğin, bakır ve diğer katışkıları içeren çinko sülfür gibi fosfor tozları, cıva arkının ürettiği bol ultraviyole enerjiyi floresan ışığa dönüştürmek için floresan lambalarda bir kaplama olarak kullanılır. Fosforlar ayrıca bir televizyon ekranının iç kısmını kaplamak için kullanılır, burada katodolüminesansta bir elektron akışı (katot ışınları) ve beyaz ışık veya ultraviyole radyasyon ile aktive oldukları aydınlık boyalarda aktive olurlar. fosforesans olarak bilinen yavaş ışıklı bir çürüme sergiler. Elektrominesans, bir fosfor tozu metalik bir plaka üzerine bırakıldığında ve aydınlatma panelleri üretmek için şeffaf bir iletken elektrotla kaplandığında olduğu gibi elektriksel uyarmadan kaynaklanır.
Enjeksiyon elektrolüminesansı, bir kristal farklı katkılı yarı iletken bölgeler arasında bir bağlantı içerdiğinde ortaya çıkar. Bir elektrik akımı, bağlantı bölgesindeki elektronlar ve delikler arasında geçişler üreterek, elektronik cihazlardaki ekran cihazlarında yaygın olarak kullanılan ışık yayan diyotlarda (LED'ler) olduğu gibi, monokromatik ışık gibi görünebilen enerjiyi serbest bırakır. Uygun bir geometri ile, yayılan ışık ayrıca yarı iletken lazerlerde olduğu gibi tek renkli ve tutarlı olabilir.
