Optik warna

Jalur tenaga

Logam

Elektron valensi, yang dalam bahan lain menghasilkan ikatan antara atom individu atau sekumpulan atom kecil, dikongsi sama oleh semua atom dalam sekeping logam. Elektron yang dilokalisasi ini mampu bergerak ke seluruh bahagian logam dan memberikan kilauan logam dan kekonduksian elektrik dan termal logam dan aloi yang baik. Teori pita menjelaskan bahawa dalam sistem tersebut tahap tenaga individu digantikan oleh kawasan berterusan yang disebut jalur, seperti dalam rajah ketumpatan-keadaan bagi logam tembaga yang ditunjukkan dalam rajah. Gambarajah ini menunjukkan bahawa bilangan elektron yang dapat ditampung dalam pita pada setiap tenaga yang diberikan berbeza-beza; dalam kuprum bilangannya menurun ketika band mendekati diisi dengan elektron. Bilangan elektron dalam tembaga mengisi jalur ke tahap yang ditunjukkan, meninggalkan beberapa ruang kosong pada tenaga yang lebih tinggi.

Apabila foton cahaya diserap oleh elektron berhampiran bahagian atas pita tenaga, elektron dinaikkan ke tahap tenaga yang tersedia lebih tinggi di dalam pita. Cahaya sangat diserap sehingga dapat menembus kedalaman hanya beberapa ratus atom, biasanya kurang dari satu panjang gelombang. Oleh kerana logam adalah konduktor elektrik, cahaya yang diserap ini, yang merupakan gelombang elektromagnetik, mendorong arus elektrik bergantian di permukaan logam. Arus ini segera mengeluarkan foton dari logam, sehingga memberikan pantulan kuat dari permukaan logam yang digilap.

Kecekapan proses ini bergantung pada peraturan pemilihan tertentu. Sekiranya kecekapan penyerapan dan pelepasan kira-kira sama pada semua tenaga optik, maka warna yang berbeza dalam cahaya putih akan dipantulkan dengan baik, yang membawa kepada warna "keperakan" permukaan perak dan besi yang digilap. Dalam tembaga kecekapan pantulan menurun dengan peningkatan tenaga; penurunan daya kilas pada hujung biru spektrum menghasilkan warna kemerahan. Pertimbangan serupa menjelaskan warna kuning emas dan tembaga.

Semikonduktor tulen

Dalam sebilangan bahan, jurang pita muncul dalam rajah ketumpatan keadaan (lihat gambar). Ini boleh berlaku, misalnya, apabila terdapat rata-rata empat elektron valensi per atom dalam zat murni, menghasilkan jalur bawah sepenuhnya penuh, yang disebut jalur valensi, dan jalur atas yang kosong, jalur konduksi. Oleh kerana tidak ada tahap tenaga elektron dalam jurang antara dua pita, cahaya tenaga terendah yang dapat diserap sepadan dengan anak panah A dalam rajah; ini mewakili pengujaan elektron dari bahagian atas pita valensi hingga ke bawah pita pengaliran dan sepadan dengan tenaga jurang pita yang ditentukan E _g. Cahaya tenaga yang lebih tinggi juga dapat diserap, seperti yang ditunjukkan oleh anak panah B dan C.

Sekiranya bahan mempunyai jurang lebar yang besar, seperti berlian 5,4 eV, maka tidak ada cahaya dalam spektrum yang dapat dilihat yang dapat diserap, dan zat tersebut tidak berwarna ketika tulen. Semikonduktor celah pita besar seperti penebat yang sangat baik dan biasanya dianggap sebagai bahan terikat ionik atau kovalen.

Cadmium pigmen kuning (kadmium sulfida, juga dikenali sebagai mineral greenockite) mempunyai jurang pita yang lebih kecil 2.6 eV, yang memungkinkan penyerapan ungu dan beberapa warna biru tetapi tidak ada warna lain. Ini membawa kepada warna kuningnya. Jurang jalur yang agak lebih kecil yang membolehkan penyerapan warna ungu, biru, dan hijau menghasilkan warna oren; jurang band yang lebih kecil seperti pada 2.0 eV vermilion pigmen (merkuri sulfida, mineral cinnabar) menghasilkan semua tenaga tetapi merah diserap, yang membawa kepada warna merah. Semua cahaya diserap apabila tenaga jurang pita kurang dari had 1.77-eV (700-nm) spektrum yang dapat dilihat; semikonduktor celah pita sempit, seperti galena sulfida plumbum, oleh itu menyerap semua cahaya dan berwarna hitam. Urutan tanpa warna, kuning, oren, merah, dan hitam ini adalah julat warna tepat yang terdapat dalam semikonduktor tulen.

Semikonduktor Doped

Sekiranya atom pengotor, yang sering disebut dopan, terdapat dalam semikonduktor (yang kemudian ditetapkan sebagai doped) dan mempunyai bilangan elektron valensi yang berbeza daripada atom yang digantinya, tahap tenaga tambahan dapat terbentuk dalam jurang pita. Sekiranya pengotor mempunyai lebih banyak elektron, seperti kekotoran nitrogen (lima elektron valensi) dalam kristal berlian (terdiri daripada karbon, masing-masing mempunyai empat elektron valensi), tahap penderma terbentuk. Elektron dari tahap ini dapat dilancarkan ke jalur konduksi dengan penyerapan foton; ini berlaku hanya pada hujung biru spektrum berlian nitrogen-doped, menghasilkan warna kuning pelengkap. Sekiranya pengotor mempunyai lebih sedikit elektron daripada atom yang digantinya, seperti kekotoran boron (tiga elektron valensi) dalam berlian, satu tahap lubang terbentuk. Foton kini dapat diserap dengan pengujaan elektron dari jalur valensi ke paras lubang. Pada berlian boron-doped ini terjadi hanya pada hujung spektrum kuning, menghasilkan warna biru tua seperti pada berlian Hope yang terkenal.

Beberapa bahan yang mengandungi penderma dan akseptor dapat menyerap tenaga ultraviolet atau elektrik untuk menghasilkan cahaya yang dapat dilihat. Sebagai contoh, serbuk fosfor, seperti zink sulfida yang mengandungi tembaga dan kekotoran lain, digunakan sebagai lapisan pada lampu pendarfluor untuk menukar tenaga ultraviolet yang banyak dihasilkan oleh busur merkuri menjadi cahaya pendarfluor. Fosfor juga digunakan untuk melapisi bahagian dalam layar televisyen, di mana mereka diaktifkan oleh aliran elektron (sinar katod) di katodoluminescence, dan di cat bercahaya, di mana ia diaktifkan oleh cahaya putih atau oleh sinaran ultraviolet, yang menyebabkannya paparkan peluruhan bercahaya perlahan yang dikenali sebagai pendarfosfera. Elektroluminesensi dihasilkan dari pengujaan elektrik, seperti serbuk fosfor disimpan ke plat logam dan ditutup dengan elektrod pengalir telus untuk menghasilkan panel pencahayaan.

Elektroluminasi suntikan berlaku apabila kristal mengandungi persimpangan antara kawasan semikonduktor yang berlainan doped. Arus elektrik akan menghasilkan peralihan antara elektron dan lubang di kawasan persimpangan, melepaskan tenaga yang dapat muncul sebagai cahaya dekat-monokromatik, seperti pada diod pemancar cahaya (LED) yang banyak digunakan pada peranti paparan dalam peralatan elektronik. Dengan geometri yang sesuai, cahaya yang dipancarkan juga dapat monokromatik dan koheren seperti pada laser semikonduktor.