Dải năng lượng
Kim loại
Các electron hóa trị, trong các chất khác tạo ra liên kết giữa các nguyên tử riêng lẻ hoặc nhóm nhỏ nguyên tử, được chia sẻ bằng nhau bởi tất cả các nguyên tử trong một miếng kim loại. Do đó, các electron được định vị này có thể di chuyển trên toàn bộ kim loại và cung cấp ánh kim loại và độ dẫn điện và nhiệt tốt của kim loại và hợp kim. Lý thuyết băng giải thích rằng trong một hệ thống như vậy, các mức năng lượng riêng lẻ được thay thế bằng một vùng liên tục được gọi là dải, như trong biểu đồ mật độ trạng thái cho kim loại đồng thể hiện trong hình. Sơ đồ này cho thấy số lượng electron có thể được cung cấp trong dải ở bất kỳ năng lượng nhất định nào khác nhau; bằng đồng, số lượng giảm dần khi dải tiếp cận được lấp đầy bằng các electron. Số lượng điện tử trong đồng lấp đầy dải đến mức hiển thị, để lại một khoảng trống ở năng lượng cao hơn.
Khi một photon ánh sáng được hấp thụ bởi một electron ở gần đỉnh của dải năng lượng, electron sẽ được nâng lên mức năng lượng khả dụng cao hơn trong dải. Ánh sáng được hấp thụ mạnh đến mức nó có thể xuyên qua đến độ sâu chỉ vài trăm nguyên tử, thường nhỏ hơn một bước sóng. Bởi vì kim loại là một chất dẫn điện, ánh sáng hấp thụ này, cuối cùng, là một sóng điện từ, tạo ra dòng điện xoay chiều trên bề mặt kim loại. Những dòng điện này ngay lập tức tái tạo photon ra khỏi kim loại, do đó cung cấp sự phản xạ mạnh mẽ của bề mặt kim loại được đánh bóng.
Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào các quy tắc lựa chọn nhất định. Nếu hiệu quả của sự hấp thụ và phát xạ gần như bằng nhau ở tất cả các năng lượng quang học, thì các màu khác nhau trong ánh sáng trắng sẽ được phản xạ tốt như nhau, dẫn đến màu bạc bạc của bề mặt bạc và bạc được đánh bóng. Trong đồng hiệu quả phản xạ giảm khi tăng năng lượng; độ phản xạ giảm ở đầu màu xanh của phổ dẫn đến màu đỏ. Những cân nhắc tương tự giải thích màu vàng của vàng và đồng thau.
Chất bán dẫn tinh khiết
Trong một số chất, một khoảng cách dải xuất hiện trong mật độ của biểu đồ trạng thái (xem hình). Điều này có thể xảy ra, ví dụ, khi có trung bình chính xác bốn electron hóa trị trên mỗi nguyên tử trong một chất nguyên chất, dẫn đến một dải dưới hoàn toàn đầy đủ, được gọi là dải hóa trị và dải trên chính xác, dải dẫn. Do không có mức năng lượng điện tử trong khoảng cách giữa hai dải, ánh sáng năng lượng thấp nhất có thể được hấp thụ tương ứng với mũi tên A trong hình; điều này thể hiện sự kích thích của một electron từ đỉnh của dải hóa trị lên đến đáy của dải dẫn và tương ứng với năng lượng của khoảng cách dải được chỉ định E g. Ánh sáng của bất kỳ năng lượng cao hơn cũng có thể được hấp thụ, như được chỉ ra bởi các mũi tên B và C.
Nếu chất này có khe hở dải lớn, chẳng hạn như 5,4 eV kim cương, thì không có ánh sáng nào trong phổ nhìn thấy có thể được hấp thụ và chất này xuất hiện không màu khi tinh khiết. Các chất bán dẫn khoảng cách dải lớn như vậy là chất cách điện tuyệt vời và thường được coi là vật liệu liên kết ion hoặc cộng hóa trị.
Các sắc tố màu vàng cadmium (cadmium sulfide, còn được gọi là khoáng chất greenockite) có khoảng cách dải nhỏ hơn 2,6 eV, cho phép hấp thụ màu tím và một số màu xanh nhưng không có màu nào khác. Điều này dẫn đến màu vàng của nó. Khoảng cách dải nhỏ hơn một chút cho phép hấp thụ màu tím, xanh lam và xanh lục tạo ra màu cam; một khoảng cách dải nhỏ hơn như trong 2.0 eV của verm màu (mercuric sulfide, khoáng chất cinnabar) dẫn đến tất cả các năng lượng nhưng màu đỏ được hấp thụ, dẫn đến màu đỏ. Tất cả ánh sáng được hấp thụ khi năng lượng khoảng cách dải nhỏ hơn giới hạn 1,77-eV (700nm) của phổ khả kiến; Các chất bán dẫn khe hẹp, chẳng hạn như galen sunfua chì, do đó hấp thụ tất cả ánh sáng và có màu đen. Chuỗi không màu, vàng, cam, đỏ và đen này là dải màu chính xác có sẵn trong chất bán dẫn tinh khiết.
Chất bán dẫn pha tạp
Nếu một nguyên tử tạp chất, thường được gọi là dopant, có mặt trong chất bán dẫn (sau đó được chỉ định là pha tạp) và có số lượng electron hóa trị khác với nguyên tử mà nó thay thế, mức năng lượng bổ sung có thể được hình thành trong khoảng cách dải. Nếu tạp chất có nhiều electron hơn, chẳng hạn như tạp chất nitơ (năm electron hóa trị) trong tinh thể kim cương (bao gồm các nguyên tử cacbon, mỗi loại có bốn electron hóa trị), mức độ của nhà tài trợ được hình thành. Các electron từ cấp độ này có thể bị kích thích vào dải dẫn bằng sự hấp thụ các photon; điều này chỉ xảy ra ở đầu màu xanh của quang phổ trong kim cương pha tạp nitơ, dẫn đến màu vàng bổ sung. Nếu tạp chất có ít electron hơn nguyên tử mà nó thay thế, chẳng hạn như tạp chất boron (ba electron hóa trị) trong kim cương, một mức độ lỗ được hình thành. Photon bây giờ có thể được hấp thụ với sự kích thích của một electron từ dải hóa trị vào mức lỗ. Trong kim cương pha tạp boron, điều này chỉ xảy ra ở đầu màu vàng của quang phổ, dẫn đến màu xanh đậm như trong viên kim cương Hope nổi tiếng.
Một số vật liệu chứa cả người cho và người nhận có thể hấp thụ năng lượng tia cực tím hoặc điện để tạo ra ánh sáng khả kiến. Ví dụ, bột phốt pho, chẳng hạn như kẽm sunfua có chứa đồng và các tạp chất khác, được sử dụng làm lớp phủ trong đèn huỳnh quang để chuyển đổi năng lượng cực tím dồi dào do hồ quang thủy ngân tạo ra thành ánh sáng huỳnh quang. Phosphor cũng được sử dụng để phủ bên trong màn hình tivi, nơi chúng được kích hoạt bởi một dòng electron (tia catốt) trong phát quang và trong sơn phát sáng, nơi chúng được kích hoạt bởi ánh sáng trắng hoặc bức xạ cực tím, khiến chúng bị kích hoạt hiển thị một phân rã phát sáng chậm được gọi là lân quang. Sự phát quang điện là kết quả của sự kích thích điện, như khi bột phốt-pho được lắng đọng trên một tấm kim loại và được phủ một điện cực dẫn trong suốt để tạo ra các tấm chiếu sáng.
Tiêm điện phát quang xảy ra khi một tinh thể chứa một điểm nối giữa các vùng bán dẫn pha tạp khác nhau. Một dòng điện sẽ tạo ra sự chuyển tiếp giữa các electron và lỗ trống trong vùng tiếp giáp, giải phóng năng lượng có thể xuất hiện dưới dạng ánh sáng gần như đơn sắc, như trong điốt phát sáng (LED) được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị hiển thị trong thiết bị điện tử. Với hình học phù hợp, ánh sáng phát ra cũng có thể là đơn sắc và kết hợp như trong laser bán dẫn.
