Mecanismo de generación de color de semiconductores y aislantes

- Dec 08, 2019-

Mecanismo de generación de color de semiconductores y aislantes.

La diferencia esencial entre conductores y semiconductores y aislantes es la ausencia de un intervalo de banda. En un conductor, la banda de valencia y la banda de conducción se superponen. No hay brecha entre ellos. Los electrones se mueven fácilmente. Sin embargo, en semiconductores y aislantes, hay una brecha entre su banda de valencia y la banda guía. El ancho de separación de diferentes materiales es diferente, y el ancho de separación de los aisladores es mucho más amplio que el de los semiconductores. En un semiconductor, los electrones de la banda de valencia absorben suficiente energía para bombear fácilmente la conducción hacia la banda de conducción. En un aislante, los electrones de la banda de valencia no pueden obtener energía más allá del ancho del espacio de la excitación térmica y saltar a la banda de conducción. Por lo tanto, hay pocos electrones en la banda de conducción de un aislante, por lo que casi no hay conducción.

Los semiconductores y aislantes que se encuentran en la naturaleza generalmente incluyen cerámica y polímeros, que tienen espacios de banda. El rango de longitud de onda de la luz visible es de 380-760 nm, y la energía fotónica de la luz violeta más energética es de aproximadamente 3.2ev. Cuando el espacio entre bandas del aislante excede los 3.2eV, el aislante no absorberá ninguna luz visible, que puede transmitirse por completo. En este punto, el color del material aislante se verá afectado principalmente por su microestructura. Por ejemplo, la alúmina monocristalina es transparente; La alúmina policristalina, debido al diferente índice de refracción de los diferentes granos, hace que la luz incidente se difunda en el proceso de propagación interna del cristal, lo que reduce la transparencia del material; La alúmina policristalina o porosa es completamente opaca debido a la mayor dispersión de la luz incidente. El material es blanco.

Los compuestos iónicos típicos solo pueden absorber la luz en la región ultravioleta con mayor frecuencia, pero no la luz en la región óptica. Por lo tanto, los compuestos iónicos típicos son generalmente sólidos incoloros o blancos. Cuando el catión metálico y el anión del compuesto se polarizan entre sí, la nube de electrones se superpone en cierta medida y muestra una cierta covalencia. Cuando la covalencia del compuesto alcanza un cierto grado, absorbe parte de la luz coloreada, haciendo que el compuesto parezca de cierto color. Con el aumento de la covalencia del compuesto, aumenta el rango de absorción de la luz visible y el color del compuesto se profundiza gradualmente. Su covalencia depende de la polarización y deformabilidad de los cationes y aniones metálicos. Si la polarización y la deformación de los iones son grandes, el compuesto tiene una fuerte covalencia y un color oscuro.

En general, los electrones no apareados tienen más probabilidades de absorber energía y saltar que los electrones emparejados, por lo que la mayoría de los materiales coloreados que encontramos contienen electrones no apareados, como Fe3 +, Cu2 +, etc. Y notamos que los iones de metales de transición tienen colores ricos porque se encuentran con ambos de las condiciones anteriores:

(1) contienen electrones no apareados;

(2) La diferencia de energía entre los orbitales después de la división del nivel de energía orbital de los electrones cae dentro del rango de energía de luz visible.

Los iones de metales de transición comunes a menudo existen en forma de complejos, como hidratos, complejos de amoníaco, complejos de cianuro, etc. A menudo van acompañados de la división de los niveles de energía d orbital en el proceso de formación de complejos, que está relacionado con la configuración de complejos y las propiedades de los ligandos mismos. El electrón d originalmente tenía cinco orbitales de igual energía: dxy dyz DZX dx2-y2 dz2. Los tres primeros están en un ángulo de 45 grados con el eje de coordenadas. Dx2-y2 está en el plano xy y en la misma dirección con el eje de coordenadas. Dz2 tiene forma de pesa con anillo y se extiende a lo largo del eje z.

Estos cinco tipos de orbitales se ven afectados y restringidos por ligandos en diversos grados en el proceso de formación de complejos. Por ejemplo, considerando la configuración de coordinación octaédrica hidratada con un número de coordinación de 6, ya que el ligando está ubicado en las tres direcciones del eje del ión central, es decir, en conflicto con la dirección de extensión de dx2-y2dz2, entonces las dos d Los orbitales del ion central son repulsivos por la carga negativa del ligando y la energía aumenta significativamente. Los otros tres orbitales d se tambalean con el ligando, y el cambio de energía es mucho menor que el de dx2-y2dz2. El orbital d del ion central se divide en dos grupos: la energía relativamente alta dx2-y2dz2 y la energía relativamente baja dxy dyz DZX, cuya diferencia de energía (entre 1.99 · 10-19j y 5.96 · 10-19j) puede caer parcialmente dentro del rango de luz visible (5.5 · 10-19 y 3.0 · 10-19). Los electrones D saltan fácilmente entre estos dos conjuntos de orbitales, produciendo el color de la luz que el ojo humano puede percibir.

Sin embargo, los materiales poliméricos orgánicos son principalmente una clase de compuestos que son enlaces covalentes. Las moléculas orgánicas saturadas compuestas enteramente de enlaces tienen una estructura relativamente sólida y requieren mayor energía para excitar electrones. Por lo tanto, la onda de luz absorbida está en la región ultravioleta lejana con mayor frecuencia, lo que determina que los compuestos orgánicos saturados formados por enlaces sean incoloros.

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2.3 la naturaleza del color de los bloques y polvos
En resumen, la esencia del color de la materia a granel, ya sea conductor, semiconductor o aislante, es la absorción selectiva de la luz visible.

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