Mécanisme de génération de couleurs des semi-conducteurs et des isolateurs

Mécanisme de génération de couleurs de semi-conducteurs et d'isolateurs

La différence essentielle entre les conducteurs et les semi-conducteurs et les isolateurs est l'absence de bande interdite. Dans un conducteur, la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent. Il n'y a aucun écart entre eux. Les électrons se déplacent facilement. Cependant, dans les semi-conducteurs et les isolants, il existe un écart entre leur bande de valence et leur bande de guidage. La largeur de l'entrefer des différents matériaux est différente et la largeur de l'entrefer des isolateurs est beaucoup plus large que celle des semi-conducteurs. Dans un semi-conducteur, les électrons de la bande de valence absorbent suffisamment d'énergie pour pomper facilement la conduction vers la bande de conduction. Dans un isolant, les électrons de la bande de valence ne peuvent pas obtenir d’énergie au-delà de la largeur de l’espace à partir de l’excitation thermique et passer à la bande de conduction. Par conséquent, il y a peu d'électrons dans la bande de conduction d'un isolant, il n'y a donc presque pas de conduction.

Les semi-conducteurs et les isolants que l'on trouve dans la nature comprennent généralement des céramiques et des polymères, qui ont des bandes interdites. La plage de longueurs d'onde de la lumière visible est de 380 à 760 nm et l'énergie photonique de la lumière violette la plus énergique est d'environ 3,2ev. Lorsque la bande interdite de l'isolateur dépasse 3,2 eV, l'isolant n'absorbe pas la lumière visible, qui peut être transmise complètement.À ce stade, la couleur du matériau isolant sera principalement affectée par sa microstructure. Par exemple, l'alumine monocristalline est transparente; L'alumine polycristalline, en raison de l'indice de réfraction différent des différents grains, rend la diffusion de la lumière incidente dans le processus de propagation interne du cristal, ce qui réduit la transparence du matériau; L'alumine polycristalline ou poreuse est complètement opaque en raison de la plus grande diffusion de la lumière incidente. Le matériau est blanc.

Les composés ioniques typiques peuvent uniquement absorber la lumière dans la région ultraviolette avec une fréquence plus élevée, mais pas la lumière dans la région optique. Par conséquent, les composés ioniques typiques sont généralement des solides incolores ou blancs. Lorsque le cation métallique et l'anion du composé se polarisent l'un avec l'autre, le nuage d'électrons se chevauche dans une certaine mesure et montre une certaine covalence. Lorsque la covalence du composé atteint un certain degré, il absorbe une partie de la lumière colorée, faisant apparaître le composé d'une certaine couleur. Avec l'augmentation de la covalence du composé, la plage d'absorption de la lumière visible augmente et la couleur du composé s'approfondit progressivement. Sa covalence dépend de la polarisation et de la déformabilité des cations et anions métalliques. Si la polarisation et la déformation des ions sont importantes, le composé a une forte covalence et une couleur sombre.

En général, les électrons non appariés sont plus susceptibles d'absorber l'énergie et de sauter que les électrons appariés, de sorte que la plupart des matériaux colorés que nous rencontrons contiennent des électrons non appariés, tels que Fe3 +, Cu2 +, etc. Et nous remarquons que les ions de métaux de transition ont des couleurs riches car ils se rencontrent à la fois des conditions ci-dessus:

(1) contiennent des électrons non appariés;

(2) La différence d'énergie entre les orbitales après la séparation du niveau d'énergie orbitale des électrons se situe dans la plage de l'énergie lumineuse visible.

Les ions de métaux de transition communs existent souvent sous la forme de complexes, tels que les hydrates, les complexes d'ammoniac, les complexes de cyanure, etc. Ils sont souvent accompagnés de la division des niveaux d'énergie orbitale en cours de formation de complexes, qui est liée à la configuration de complexes et les propriétés des ligands eux-mêmes. L'électron d avait à l'origine cinq orbitales d'énergie égale: dxy dyz DZX dx2-y2 dz2. Les trois premiers d'entre eux sont à un angle de 45 degrés avec l'axe des coordonnées. Dx2-y2 est sur le plan xy et dans la même direction que l'axe des coordonnées. Dz2 est en forme d'haltère avec anneau et s'étend le long de l'axe z.

Ces cinq types d'orbitales sont affectés et limités par des ligands à des degrés divers au cours de la formation de complexes. Par exemple, en considérant la configuration de coordination octaédrique hydrate avec un nombre de coordination de 6, puisque le ligand est juste situé dans les directions des trois axes de l'ion central, c'est-à-dire en conflit avec la direction d'extension de dx2-y2dz2, puis les deux d les orbitales de l'ion central sont repoussantes par la charge négative du ligand et l'énergie augmente considérablement.Les trois autres orbitales d chancelent avec le ligand, et le changement d'énergie est beaucoup plus petit que celui de dx2-y2dz2. L'orbitale d de l'ion central est ensuite divisée en deux groupes: l'énergie relativement élevée dx2-y2dz2 et l'énergie relativement faible dxy dyz DZX, dont la différence d'énergie (entre 1,99 · 10-19j et 5,96 · 10-19j) peut partiellement chuter dans la plage de lumière visible (5,5 · 10-19 et 3,0 · 10-19). Les électrons D sautent facilement entre ces deux ensembles d'orbitales, produisant la couleur de lumière que l'œil humain peut percevoir.

Les matériaux polymères organiques, cependant, sont principalement une classe de composés qui sont des liaisons covalentes. Les molécules organiques saturées composées entièrement de liaisons ont une structure relativement solide et nécessitent une énergie plus élevée pour exciter les électrons. Par conséquent, l'onde lumineuse absorbée se trouve dans la région ultraviolette lointaine avec une fréquence plus élevée, ce qui détermine que les composés organiques saturés formés par des liaisons sont incolores.

2.3 La nature des couleurs des blocs et des poudres
En bref, l'essence de la couleur de la matière en vrac, qu'elle soit conductrice, semi-conductrice ou isolante, est l'absorption sélective de la lumière visible.

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