Mecanismo de geração de cores de semicondutores e isoladores

Mecanismo de geração de cores de semicondutores e isoladores

A diferença essencial entre condutores e semicondutores e isoladores é a ausência de um gap de banda. Em um condutor, a banda de valência e a banda de condução se sobrepõem. Não há diferença entre eles. Os elétrons se movem facilmente. No entanto, em semicondutores e isoladores, existe uma lacuna entre a banda de valência e a guia. A largura da folga dos diferentes materiais é diferente e a largura da folga dos isoladores é muito maior que a dos semicondutores. Em um semicondutor, os elétrons da banda de valência absorvem energia suficiente para bombear facilmente a condução à banda de condução. Em um isolador, os elétrons da banda de valência não podem obter energia além da largura da folga da excitação térmica e pular para a banda de condução. Portanto, existem poucos elétrons na banda de condução de um isolador, portanto quase não há condução.

Os semicondutores e isoladores encontrados na natureza geralmente incluem cerâmica e polímeros, que apresentam lacunas na banda. A faixa de comprimento de onda da luz visível é de 380 a 760 nm e a energia de fótons da luz violeta mais energética é de cerca de 3,2ev. Quando a folga da banda do isolador exceder 3,2 eV, o isolador não absorverá nenhuma luz visível que possa ser transmitida completamente. Nesse momento, a cor do material do isolador será afetada principalmente por sua microestrutura. Por exemplo, a alumina monocristalina é transparente; A alumina policristalina, devido aos diferentes índices de refração de diferentes grãos, faz com que a luz incidente se espalhe no processo de propagação interna do cristal, o que reduz a transparência do material; A alumina policristalina ou porosa é completamente opaca devido à maior dispersão da luz incidente. O material é branco.

Compostos iônicos típicos só podem absorver a luz na região ultravioleta com maior frequência, mas não a luz na região óptica. Portanto, compostos iônicos típicos são geralmente sólidos incolores ou brancos. Quando o cátion e o ânion do composto se polarizam, a nuvem de elétrons se sobrepõe em certa medida e mostra uma certa covalência. Quando a covalência do composto atinge um certo grau, ele absorve parte da luz colorida, fazendo com que o composto pareça uma certa cor. Com o aumento da covalência do composto, a faixa de absorção da luz visível aumenta e a cor do composto se aprofunda gradualmente. Sua covalência depende da polarização e deformabilidade de cátions e ânions metálicos. Se a polarização e deformação dos íons forem grandes, o composto possui forte covalência e cor escura.

Em geral, os elétrons não emparelhados têm maior probabilidade de absorver energia e saltar do que os elétrons emparelhados; portanto, a maioria dos materiais coloridos que encontramos contêm elétrons emparelhados, como Fe3 +, Cu2 +, etc. das condições acima:

(1) contêm elétrons não emparelhados;

(2) A diferença de energia entre os orbitais após a divisão do nível de energia dos elétrons orbitais cai dentro da faixa de energia da luz visível.

Os íons comuns dos metais de transição geralmente existem na forma de complexos, como hidratos, complexos de amônia, complexos de cianeto, etc. Eles geralmente são acompanhados pela divisão dos níveis de energia orbital d no processo de formação de complexos, que está relacionado à configuração de complexos e as propriedades dos próprios ligantes. O elétron d originalmente tinha cinco orbitais de energia iguais: dxy dyz DZX dx2-y2 dz2. Os três primeiros estão em um ângulo de 45 graus com o eixo de coordenadas. Dx2-y2 está no plano xy e na mesma direção com o eixo de coordenadas. Dz2 tem forma de haltere com anel e se estende ao longo do eixo z.

Esses cinco tipos de orbitais são afetados e restringidos por ligantes em graus variados no processo de formação de complexos. Por exemplo, considerando a configuração da coordenação octaédrica, hidrate-se com um número de coordenação 6, uma vez que o ligante está localizado nas três direções do íon central, ou seja, em conflito com a direção da extensão de dx2-y2dz2, os dois d os orbitais do íon central são repulsivos pela carga negativa do ligante e a energia aumenta significativamente. Os outros três d orbitais cambaleiam com o ligante, e a mudança de energia é muito menor que a do dx2-y2dz2. O orbital d do íon central é então dividido em dois grupos: a energia relativamente alta dx2-y2dz2 e a energia relativamente baixa dxy dyz DZX, cuja diferença de energia (entre 1,99 · 10-19j e 5,96 · 10-19j) pode cair parcialmente dentro da faixa de luz visível (5,5 · 10-19 e 3,0 · 10-19). Os elétrons D saltam facilmente entre esses dois conjuntos de orbitais, produzindo a cor da luz que o olho humano pode perceber.

Os materiais poliméricos orgânicos, no entanto, são principalmente uma classe de compostos que são ligações covalentes. Moléculas orgânicas saturadas compostas inteiramente de ligações são relativamente sólidas na estrutura e requerem maior energia para excitar elétrons. Portanto, a onda de luz absorvida está na região ultravioleta distante com maior frequência, o que determina que os compostos orgânicos saturados formados por ligações são incolores.

2.3 a natureza da cor dos blocos e pós
Em suma, a essência da cor da matéria a granel, seja condutor, semicondutor ou isolador, é a absorção seletiva da luz visível.

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