半導体および絶縁体の色生成メカニズム

- Dec 08, 2019-

半導体および絶縁体の色生成メカニズム

導体と半導体および絶縁体の本質的な違いは、バンドギャップがないことです。 導体では、価電子帯と伝導帯が重なります。 それらの間にギャップはありません。 電子は動きやすい。 ただし、半導体および絶縁体では、価電子帯とガイドバンドの間にギャップがあります。 異なる材料のギャップ幅は異なり、絶縁体のギャップ幅は半導体のギャップ幅よりもはるかに広いです。 半導体では、価電子帯の電子は十分なエネルギーを吸収して、伝導を伝導帯に容易にポンピングします。 絶縁体では、価電子帯の電子は、熱励起からギャップ幅を超えるエネルギーを得て、伝導帯にジャンプすることができません。 したがって、絶縁体の伝導帯にはほとんど電子が存在しないため、伝導はほとんどありません。

自然界で見られる半導体と絶縁体には、通常、バンドギャップのあるセラミックとポリマーが含まれます。 可視光の波長範囲は380-760nmであり、最もエネルギーの強い紫色光の光子エネルギーは約3.2evです。 絶縁体のバンドギャップが3.2eVを超えると、絶縁体は完全に透過できる可視光を吸収しなくなります。この時点で、絶縁体材料の色は主にその微細構造の影響を受けます。 たとえば、単結晶アルミナは透明です。 多結晶アルミナは、粒子の屈折率が異なるため、結晶の内部伝搬の過程で入射光を散乱させ、材料の透明性を低下させます。 多結晶または多孔質アルミナは、入射光の散乱が大きいため完全に不透明です。 素材は白です。

典型的なイオン化合物は、より高い周波数の紫外領域の光のみを吸収できますが、光学領域の光は吸収できません。 したがって、通常のイオン性化合物は通常、無色または白色の固体です。 化合物の金属カチオンとアニオンが互いに分極すると、電子雲はある程度重なり、特定の共有原子価を示します。 化合物の共有結合がある程度に達すると、色付きの光の一部を吸収し、化合物が特定の色に見えるようにします。 化合物の共有結合性が増加すると、可視光の吸収範囲が増加し、化合物の色が徐々に深くなります。 その共有原子価は、金属カチオンとアニオンの分極と変形能に依存します。 イオンの分極と変形が大きい場合、化合物は強い共有結合と暗い色を持ちます。

一般に、不対電子は対電子よりもエネルギーを吸収してジャンプする可能性が高いため、遭遇するほとんどの有色物質には、Fe3 +、Cu2 +などの不対電子が含まれています。また、遷移金属イオンは両方を満たすため、上記の条件の:

(1)不対電子を含む。

(2)電子軌道エネルギー準位の分裂後の軌道間のエネルギー差は、可視光エネルギーの範囲内に収まります。

一般的な遷移金属イオンは、多くの場合、水和物、アンモニア錯体、シアン化物錯体などの錯体の形で存在します。それらは、しばしば、錯体の形成に関連する錯体を形成する過程でd軌道エネルギーレベルの分裂を伴います錯体およびリガンド自体の特性。 d電子はもともと5つの等しいエネルギー軌道を持っていました:dxy dyz DZX dx2-y2 dz2。 それらの最初の3つは、座標軸に対して45度の角度です。 Dx2-y2はxy平面上にあり、座標軸と同じ方向にあります。 Dz2はリング付きのダンベル型で、z軸に沿って延びています。

これらの5種類の軌道は、複合体を形成する過程で、リガンドによってさまざまな程度に影響を受け、制限されます。 たとえば、配位数6の八面体配位配置水和物を考えると、リガンドはちょうど中心イオンの3軸方向に位置するため、つまりdx2-y2dz2の伸長方向と競合するため、2つのd中心イオンの軌道は、リガンドの負電荷によって反発し、エネルギーが大幅に増加します。他の3つのd軌道はリガンドと互い違いになり、エネルギーの変化はdx2-y2dz2のそれよりもはるかに小さくなります。 次に、中心イオンのd軌道は2つのグループに分割されます。比較的高エネルギーのdx2-y2dz2と比較的低エネルギーのdxy dyz DZXで、そのエネルギー差(1.99・10-19jと5.96・10-19j)は部分的に低下します。可視光範囲内(5.5・10-19および3.0・10-19)。 D電子は、これら2つの軌道セットの間を簡単にジャンプし、人間の目が知覚できる光の色を生成します。

ただし、有機ポリマー材料は、主に共有結合である化合物のクラスです。 結合のみで構成される飽和有機分子は、構造が比較的強固であり、電子を励起するためにより高いエネルギーを必要とします。 したがって、吸収された光波は、より高い周波数の遠紫外線領域にあり、結合によって形成された飽和有機化合物が無色であることを決定します。

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2.3ブロックとパウダーの色の性質
要するに、導体、半導体、絶縁体のいずれであっても、バルク物質の色の本質は、可視光の選択的吸収です。

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