4.2.2.2. Enlace iónico
En los sólidos iónicos, los electrones no pueden absorber fotones, a menos que el fotón tenga una energía mayor de cierto mínimo, que es igual a la laguna entre bandas. La figura 4.15 ilustra cualitativamente las propiedades de absorción de un sólido iónico. Para todas las frecuencias menores que el valor correspondiente a la laguna energética hay fuerte transmisión de la radiación incidente. Cuando la energía del fotón excede a la del vacío entre bandas, hay gran probabilidad de que el fotón sea absorbido, y el haz incidente es atenuado con rapidez en el material. Un valor típico de la laguna energética en los cristales iónicos es de 6-8 eV (véase tabla 4.4); por consiguiente, los sólidos iónicos son transparentes al espectro visible, pero absorben marcadamente el ultravioleta.
Figura 4.15 Ilustración esquemática del espectro de absorción de un cristal iónico
Tabla 4.4 Posición del pico de absorción en los haluros alcalinos
| Material | Energía de absorción(eV) | Longitud de onda(nm) |
| NaCl | 7,8 | 158 |
| KCl | 7,6 | 162 |
| CsCl | 7,6 | 162 |
| CsBr | 6,6 | 189 |
| KBr | 6,5 | 189 |
| KI | 5,6 | 220 |
| RbI | 5,5 | 223 |
Los picos menores de absorción que ocurren a frecuencias menores resultan de dos interacciones diferentes: la primera, llamada reststrahlen y la segunda debida a la absorción de impureza. La reststrahlen es absorción causada por una interacción entre la radiación incidente y los iones mismos (véase figura 4.17). Esta interacción sucede cuando la frecuencia de la radiación incidente es comparable con la frecuencia de oscilación de los iones. En este punto, los iones son excitados a un movimiento oscilatorio, colisionan entre sí, y la energía del haz incidente se disipa en forma de energía térmica.
El pico de absorción, marcado como absorción de impureza en la figura 4.19, es causado por impurezas o defectos reticulares en el sólido iónico. La presencia de tales defectos altera localmente los niveles de energía electrónica, pues se originan nuevos niveles, situados entre la banda de valencia y la banda de conducción. Como estos niveles de absorción en general están en la región visible, hacen que los cristales iónicos exhiban un color definido, la intensidad del cual depende de la densidad de defectos. Estos defectos se conocen como centros de color (véase figura 4.16).
Figura 4.16 Centros de color en los cristales iónicos
Además de las vacancias que producen niveles localizados de energía electrónica, los átomos de impureza también exhiben bandas de absorción características en el espectro visible. Estos átomos producen el color en muchos sólidos iónicos. Por ejemplo, la Al203 es incolora cuando está puro; se vuelve rojo con pequeñas adiciones de Cr, formando el rubí; se torna azul con adiciones de Fe y se conoce como zafiro, y se vuelve verde cuando hay Cl presente y se le denomina esmeralda oriental (véase figura 4.17).
Figura 4.17 Color de los sólidos iónicos según átomos de impureza. La alúmina (Al203), incolora, cuando está pura (a), toma distintos colores y nombres de acuerdo con las impurezas que tenga: con Cr es rubí (b); con Fe, zafiro (c), y con Cl, esmeralda oriental (d).
4.2.2.3. Enlace covalente
Las propiedades ópticas de los sólidos covalentes son similares a las de los iónicos, pues ambos tipos de enlace producen una laguna energética entre los estados energéticos llenos y vacíos. Los fotones de baja energía no pueden excitar electrones a través de este vacío y, por consiguiente, los materiales covalentes son transparentes a las longitudes de onda más largas del espectro de radiación.
Los buenos aisladores, como el diamante y el SiO2, tienen lagunas energéticas grandes (6eV) y son transparentes a la radiación de longitudes de onda hasta el ultravioleta. Los semiconductores, como el Si, el Ge y el GaAs, tienen vacíos más pequeños (eV) y solo son transparentes a longitudes de onda mayores que las del infrarrojo. El lustre metálico de estos materiales se produce por un proceso similar al de los metales.
4.2.2.4. Enlace de Van der Waals
Estos sólidos son aisladores con una gran laguna energética; en consecuencia, estos materiales son transparentes a la radiación electromagnética hasta la corta longitud del ultravioleta, donde los fotones tienen suficiente energía para producir transiciones electrónicas. Los materiales poliméricos o sólidos moleculares, se comportan de la misma manera. La opacidad o el color de los polímeros resultan de la presencia de una segunda fase que se añade al polímero para mejorar sus propiedades.
4.2.3. Luminiscencia
El proceso general mediante el cual un electrón excitado retorna a su estado básico con la emisión de un fotón en la región visible o casi visible se denomina luminiscencia. Los materiales luminiscentes se diferencian según el tiempo que el electrón permanezca en estado excitado antes de emitir el fotón (véase figura 4.18). Los materiales donde el lapso es menor de 10–8 se conocen como fluorescentes, mientras los de lapsos mayores se llaman fosforescentes.
Los tipos de luminicensia son los siguientes:
Fotoluminiscencia. En este proceso, la excitación electrónica es producida por absorción de fotones (véase figura 4.19). Ejemplos típicos son los fosforescentes usados para la detección de rayos X y las lámparas fluorescentes. En estas últimas, el problema es convertir la radiación ultravioleta del Hg (λ = 254 nm) en luz visible. Esto se ha logrado cubriendo el interior con Sb y Mn (emisión azul y naranja). Las dos impurezas producen luz blanca.
Cátodoluminiscencia. En este caso, la excitación ocurre por el bombardeo con electrones de alta energía (como en el microscopio electrónico). Materiales típicos con esta propiedad son el Cu “dopado” con ZnS o con (Cd, Zn)S. Este proceso se aplica en los osciloscopios de rayos catódicos y en las pantallas de televisión (véase figura 4.20).
Figura 4.18 Luminiscencia. Incluye los materiales fluorescentes (izquierda) y los fosforescentes (derecha).
Figura 4.19 Fotoluminiscencia
Figura 4.20 Cátodoluminiscencia
Figura 4.21 Electroluminiscencia. Acontece cuando pequeñas partículas de un conductor se distribuyen en un material fosforescente.
Figura 4.22 Electroluminiscencia por semiconductores
Electroluminiscencia. Este proceso se da de dos maneras distintas. En la primera situación, pequeñas partículas de un conductor se distribuyen en un material fosforescente. Al aplicar un campo eléctrico alterno de alta intensidad (104 V/M), los electrones se liberan del conductor y colisionan con las impurezas presentes. La impureza ionizada proporciona acción luminiscente (véase figura 4.21).
La segunda