Ótica colorida

Bandas de energia

Metais

Os elétrons de valência, que em outras substâncias produzem ligação entre átomos individuais ou pequenos grupos de átomos, são compartilhados igualmente por todos os átomos de um pedaço de metal. Esses elétrons deslocalizados são, portanto, capazes de se mover sobre toda a peça de metal e fornecer brilho metálico e boas condutividades elétricas e térmicas de metais e ligas. A teoria da banda explica que, em um sistema como esse, os níveis de energia individuais são substituídos por uma região contínua chamada banda, como no diagrama de densidade de estados do metal de cobre mostrado na figura. Este diagrama mostra que o número de elétrons que podem ser acomodados na banda em qualquer energia dada varia; no cobre, o número diminui à medida que a banda se aproxima de ser preenchida com elétrons. O número de elétrons no cobre preenche a faixa no nível mostrado, deixando algum espaço vazio em energias mais altas.

Quando um fóton de luz é absorvido por um elétron próximo ao topo da banda de energia, o elétron é elevado a um nível de energia disponível mais alto dentro da banda. A luz é absorvida tão intensamente que pode penetrar a uma profundidade de apenas algumas centenas de átomos, tipicamente menos que um único comprimento de onda. Como o metal é um condutor de eletricidade, essa luz absorvida, que é, afinal, uma onda eletromagnética, induz correntes elétricas alternadas na superfície do metal. Essas correntes imediatamente retiram o fóton do metal, proporcionando assim uma forte reflexão de uma superfície de metal polida.

A eficiência desse processo depende de certas regras de seleção. Se a eficiência de absorção e reemissão for aproximadamente igual em todas as energias ópticas, as diferentes cores da luz branca serão refletidas igualmente bem, levando à cor "prateada" das superfícies de prata e ferro polidas. No cobre, a eficiência da reflexão diminui com o aumento da energia; a refletividade reduzida na extremidade azul do espectro resulta em uma cor avermelhada. Considerações semelhantes explicam a cor amarela do ouro e do latão.

Semicondutores puros

Em várias substâncias, um gap band aparece no diagrama de densidade de estados (veja a figura). Isso pode acontecer, por exemplo, quando há uma média de exatamente quatro elétrons de valência por átomo em uma substância pura, resultando em uma banda inferior completamente completa, chamada banda de valência, e uma banda superior exatamente vazia, a banda de condução. Como não há níveis de energia eletrônica no intervalo entre as duas bandas, a menor luz de energia que pode ser absorvida corresponde à seta A na figura; isto representa a excitação de um elétron do topo da banda de valência até o fundo da banda de condução e corresponde à energia de gap de banda designada E _g. A luz de qualquer energia superior também pode ser absorvida, conforme indicado pelas setas B e C.

Se a substância tiver uma grande folga de banda, como 5,4 eV de diamante, nenhuma luz no espectro visível poderá ser absorvida e a substância parecerá incolor quando pura. Tais semicondutores com grandes intervalos de banda são excelentes isolantes e são mais geralmente tratados como materiais ligados iônicos ou covalentemente.

O pigmento amarelo cádmio (sulfeto de cádmio, também conhecido como mineralockita mineral) possui uma faixa menor de 2,6 eV, o que permite a absorção de violeta e alguns azuis, mas nenhuma das outras cores. Isso leva à sua cor amarela. Uma folga de banda um pouco menor que permite a absorção de violeta, azul e verde produz a cor laranja; um intervalo de banda ainda menor, como nos 2,0 eV do pigmento vermelhão (sulfeto mercúrico, o mineral cinábrio), resulta em todas as energias, exceto na absorção do vermelho, o que leva a uma cor vermelha. Toda a luz é absorvida quando a energia do gap é menor que o limite de 1,77-eV (700-nm) do espectro visível; semicondutores de folga de banda estreita, como a galena de sulfeto de chumbo, absorvem toda a luz e são negros. Essa sequência de cores incolores, amarelas, laranja, vermelhas e pretas é a gama precisa de cores disponíveis em semicondutores puros.

Semicondutores dopados

Se um átomo de impureza, geralmente chamado dopante, está presente em um semicondutor (que é então designado como dopado) e possui um número diferente de elétrons de valência do que o átomo que ele substitui, níveis extras de energia podem ser formados dentro do intervalo da banda. Se a impureza tiver mais elétrons, como uma impureza de nitrogênio (cinco elétrons de valência) em um cristal de diamante (consistindo em carbonos, cada um com quatro elétrons de valência), um nível de doador é formado. Os elétrons deste nível podem ser excitados na banda de condução pela absorção de fótons; isso ocorre apenas na extremidade azul do espectro no diamante dopado com nitrogênio, resultando em uma cor amarela complementar. Se a impureza tem menos elétrons que o átomo que substitui, como uma impureza de boro (três elétrons de valência) no diamante, um nível de orifício é formado. Agora, os fótons podem ser absorvidos com a excitação de um elétron da banda de valência para o nível do buraco. No diamante dopado com boro, isso ocorre apenas na extremidade amarela do espectro, resultando em uma cor azul profunda, como no famoso diamante Hope.

Alguns materiais contendo doadores e aceitadores podem absorver energia ultravioleta ou elétrica para produzir luz visível. Por exemplo, pós de fósforo, como sulfeto de zinco contendo cobre e outras impurezas, são usados ​​como revestimento em lâmpadas fluorescentes para converter a abundante energia ultravioleta produzida pelo arco de mercúrio em luz fluorescente. Os fósforos também são usados ​​para revestir o interior de uma tela de televisão, onde são ativados por um fluxo de elétrons (raios catódicos) na catodoluminescência e em tintas luminosas, onde são ativados pela luz branca ou pela radiação ultravioleta, o que os leva a exibem uma lenta deterioração luminosa conhecida como fosforescência. A eletroluminescência resulta da excitação elétrica, como quando um pó de fósforo é depositado em uma placa metálica e coberto com um eletrodo condutor transparente para produzir painéis de iluminação.

A eletroluminescência da injeção ocorre quando um cristal contém uma junção entre regiões semicondutoras dopadas de maneira diferente. Uma corrente elétrica produzirá transições entre elétrons e orifícios na região de junção, liberando energia que pode aparecer como luz quase monocromática, como nos diodos emissores de luz (LEDs) amplamente usados ​​em dispositivos de exibição em equipamentos eletrônicos. Com uma geometria adequada, a luz emitida também pode ser monocromática e coerente como nos lasers semicondutores.