Bandes d'énergie
Les métaux
Les électrons de valence, qui dans d'autres substances produisent des liaisons entre des atomes individuels ou de petits groupes d'atomes, sont partagés également par tous les atomes d'un morceau de métal. Ces électrons délocalisés sont ainsi capables de se déplacer sur toute la pièce de métal et de fournir l'éclat métallique et les bonnes conductivités électriques et thermiques des métaux et alliages. La théorie des bandes explique que dans un tel système, les niveaux d'énergie individuels sont remplacés par une région continue appelée bande, comme dans le diagramme de densité d'états pour le cuivre métallique montré sur la figure. Ce diagramme montre que le nombre d'électrons pouvant être logés dans la bande à une énergie donnée varie; dans le cuivre, le nombre diminue à mesure que la bande approche du remplissage d'électrons. Le nombre d'électrons dans le cuivre remplit la bande au niveau indiqué, laissant un espace vide aux énergies supérieures.
Lorsqu'un photon de lumière est absorbé par un électron près du sommet de la bande d'énergie, l'électron est élevé à un niveau d'énergie disponible plus élevé dans la bande. La lumière est si intensément absorbée qu'elle peut pénétrer jusqu'à une profondeur de quelques centaines d'atomes, généralement moins d'une seule longueur d'onde. Parce que le métal est un conducteur d'électricité, cette lumière absorbée, qui est, après tout, une onde électromagnétique, induit des courants électriques alternatifs sur la surface métallique. Ces courants réémettent immédiatement le photon hors du métal, fournissant ainsi la forte réflexion d'une surface métallique polie.
L'efficacité de ce processus dépend de certaines règles de sélection. Si l'efficacité d'absorption et de réémission est approximativement égale à toutes les énergies optiques, alors les différentes couleurs de la lumière blanche se refléteront également bien, conduisant à la couleur «argentée» des surfaces en argent poli et en fer. Dans le cuivre, l'efficacité de la réflexion diminue avec l'augmentation de l'énergie; la réflectivité réduite à l'extrémité bleue du spectre donne une couleur rougeâtre. Des considérations similaires expliquent la couleur jaune de l'or et du laiton.
Semi-conducteurs purs
Dans un certain nombre de substances, une bande interdite apparaît dans le diagramme de densité des états (voir figure). Cela peut se produire, par exemple, quand il y a en moyenne exactement quatre électrons de valence par atome dans une substance pure, résultant en une bande inférieure complètement pleine, appelée bande de valence, et une bande supérieure exactement vide, la bande de conduction. Parce qu'il n'y a pas de niveaux d'énergie électronique dans l'espace entre les deux bandes, la lumière d'énergie la plus basse qui peut être absorbée correspond à la flèche A sur la figure; cela représente l'excitation d'un électron du haut de la bande de valence jusqu'au bas de la bande de conduction et correspond à l'énergie de bande interdite désignée E g. La lumière de toute énergie supérieure peut également être absorbée, comme indiqué par les flèches B et C.
Si la substance a une grande bande interdite, comme le 5,4 eV de diamant, alors aucune lumière dans le spectre visible ne peut être absorbée, et la substance apparaît incolore lorsqu'elle est pure. Ces semi-conducteurs à large bande interdite sont d'excellents isolants et sont plus généralement traités comme des matériaux ioniques ou liés par covalence.
Le pigment jaune de cadmium (sulfure de cadmium, également connu sous le nom de greenockite minérale) a une bande interdite plus petite de 2,6 eV, ce qui permet l'absorption du violet et du bleu mais aucune des autres couleurs. Cela conduit à sa couleur jaune. Une bande interdite un peu plus petite qui permet l'absorption du violet, du bleu et du vert produit la couleur orange; une bande interdite encore plus petite que dans le 2.0 eV du pigment vermillon (sulfure mercurique, le cinabre minéral) entraîne toutes les énergies mais le rouge est absorbé, ce qui conduit à une couleur rouge. Toute la lumière est absorbée lorsque l'énergie de bande interdite est inférieure à la limite de 1,77 eV (700 nm) du spectre visible; les semi-conducteurs à bande interdite étroite, tels que la galène de sulfure de plomb, absorbent donc toute la lumière et sont noirs. Cette séquence incolore, jaune, orange, rouge et noire est la gamme précise de couleurs disponibles dans les semi-conducteurs purs.
Semi-conducteurs dopés
Si un atome d'impureté, souvent appelé dopant, est présent dans un semi-conducteur (qui est alors désigné comme dopé) et a un nombre d'électrons de valence différent de l'atome qu'il remplace, des niveaux d'énergie supplémentaires peuvent se former dans la bande interdite. Si l'impureté a plus d'électrons, comme une impureté d'azote (cinq électrons de valence) dans un cristal de diamant (composé de carbones, ayant chacun quatre électrons de valence), un niveau de donneur est formé. Les électrons de ce niveau peuvent être excités dans la bande de conduction par l'absorption de photons; cela se produit uniquement à l'extrémité bleue du spectre dans le diamant dopé à l'azote, ce qui donne une couleur jaune complémentaire. Si l'impureté a moins d'électrons que l'atome qu'elle remplace, comme une impureté de bore (trois électrons de valence) dans le diamant, un niveau de trou est formé. Les photons peuvent maintenant être absorbés par l'excitation d'un électron de la bande de valence dans le niveau du trou. Dans le diamant dopé au bore, cela ne se produit qu'à l'extrémité jaune du spectre, ce qui donne une couleur bleu profond comme dans le célèbre diamant Hope.
Certains matériaux contenant à la fois des donneurs et des accepteurs peuvent absorber l'énergie ultraviolette ou électrique pour produire de la lumière visible. Par exemple, les poudres de phosphore, telles que le sulfure de zinc contenant du cuivre et d'autres impuretés, sont utilisées comme revêtement dans les lampes fluorescentes pour convertir l'énergie ultraviolette abondante produite par l'arc au mercure en lumière fluorescente. Les phosphores sont également utilisés pour recouvrir l'intérieur d'un écran de télévision, où ils sont activés par un flux d'électrons (rayons cathodiques) en cathodoluminescence, et dans les peintures lumineuses, où ils sont activés par la lumière blanche ou par le rayonnement ultraviolet, ce qui les amène à présentent une décroissance lumineuse lente appelée phosphorescence. L'électroluminescence résulte de l'excitation électrique, comme lorsqu'une poudre de phosphore est déposée sur une plaque métallique et recouverte d'une électrode conductrice transparente pour produire des panneaux d'éclairage.
L'électroluminescence par injection se produit lorsqu'un cristal contient une jonction entre des régions semi-conductrices dopées différemment. Un courant électrique produira des transitions entre les électrons et les trous dans la région de jonction, libérant de l'énergie qui peut apparaître sous forme de lumière quasi monochromatique, comme dans les diodes électroluminescentes (LED) largement utilisées sur les dispositifs d'affichage dans les équipements électroniques. Avec une géométrie adaptée, la lumière émise peut également être monochromatique et cohérente comme dans les lasers à semi-conducteur.
