CENTROS DE COLOR EN HALUROS ALCALINOS CAJA TRIDIMENSIONAL – Experimentos Cuánticos (curso 2013)

ACTIVIDADES:

1.- Generar centros F irradiando haluros alcalinos (HA) con rayos X.

2.- Determinar la posición de los primeros niveles de energía excitadosmidiendo la absorción óptica.

3.- Proponer distintos potenciales para el defecto y comparar laspredicciones de los modelos con los resultados experimentales.

4.- Eliminar los centros F de las muestras.

MATERIALES Y METODOS

- Utilizar HA crecidos artificialmente y NaCl natural (de Antofagasta).

- Irradiar los cristales con rayos X en un equipo de florescencia (Centro Tecnológico de YPF).

- Medir el espectro de absorción de los cristales, entre 190 y 900 nm, con un espectrofotómetro UV-vis. Calibrar el espectrofotómetro.

- Determinar la energía de la transición que se corresponde con el máximo de absorbancia.

CENTROS DE COLOR EN HALUROS ALCALINOS CAJA TRIDIMENSIONAL

ACTIVIDADES:

1.- Generar centros F irradiando haluros alcalinos (HA) con rayos X.

2.- Determinar la posición de los primeros niveles de energía excitadosmidiendo la absorción óptica.

MODELO:

Los centros F son electrones atrapados en vacancias deaniones. Los potenciales más simples para simular estasituación son el de una caja cúbica (paredes infinitas) de ladoigual a la constante de red del cristal o el Coulombianoapantallado. Los resultados experimentales se puedencomparar con las predicciones de estos modelos. Es fácilmostrar que los resultados se apartan mucho de laspredicciones del potencial Coulombiano.

3.- Proponer distintos potenciales para el defecto y comparar laspredicciones de los modelos con los resultados experimentales.

4.- Eliminar los centros F de las muestras.

MATERIALES Y METODOS

- Utilizar HA crecidos artificialmente y NaCl natural (de Antofagasta).

- Irradiar los cristales con rayos X en un equipo de florescencia (Centro Tecnológico de YPF).

- Medir el espectro de absorción de los cristales, entre 190 y 900 nm, con un espectrofotómetro UV-vis. Calibrar el espectrofotómetro.

- Determinar la energía de la transición que se corresponde con el máximo de absorbancia.

predicciones del potencial Coulombiano.

Se propone el estudio de potenciales más elaborados: cajacúbica finita y potenciales esféricos finitos e infinitos. En casode elegir potenciales de altura finita se sugiere establecercriterios considerando el valor de la brecha de energía paraestos cristales o la energía de Madelung.

Diamantes

Irradiación Irradiación y calor Irradiación

CENTROS DE COLOR EN HALUROS ALCALINOS CAJA TRIDIMENSIONAL

Topazios Al2SiO4(OH, F)2

(rayos γ y calor)

Tourmalina bi-color

(Ca,K,Na, …)

(blanca y verde)

Fluorita púrpura

(CaF2)

(rayos γ)

Haluros alcalinos: cristales iónicos

alcalinos

- Tienen 2 clases de átomos en la celda unidad con cargas opuestas (neutralidad del cristal). Por ej. Na+ Cl-

- El enlace es esencialmente electrostático y fuerte, y no direccional.

- Se pueden pensar como un agrupamiento compacto de esferas duras minimizando el volumen y la energía electrostática.

- No poseen electrones libres y son aisladores (conducción iónica por defectos). Esto es lo que nos permite considerar al sistema como una carga atrapada o confinada en un espacio finito.

halógenos

Red cristalina: es un arreglo periódico de átomos (idealmente de dimensiones infinitas)

Defectos estructurales: interrupción del arreglo periódico

- Vacancias

- Intersticiales

Defectos en cristales.

- Impurezas (“químicas”)

- Dislocaciones

- La superficie misma

a) Defecto Schottky b) Defecto Frenkel

Intersticial

Vacancia de anión y catión

NaCl:

Estructura de haluros alcalinos

Cs+

CsCl:

Resolución atómica en un cristal

(100) de NaCl

(Atomic Force Microscope) a T = 5 K en ultra alto vacío ( 3.5 x 3.5 nm)

a =5.6 Å

2 sub-redes FCC interpenetradas

Cl-

Cuál es el origen de la coloración?

Centro F: electrón atrapado en una vacancia de anión.

Defectos en haluros alcalinos (HA)

-e

Defectos en haluros alcalinos (HA)

- ++

++

VK(+)

(+)

Se crea un excitón

-

- -

Hueco autoatrapado

Generación de Centros F por radiación ionizante

Centro VK (+)

--

Se forma un centro H y se disocia el excitónFormación de un centro F

Generación de huecos y electrones por radiación ionizante

+ B.V.

B.C.

-- -

-+

-- -

-+ +

Creación del centro F por coloración aditiva

-

+-

-

+ -

Vapor del alcalino componente (neutro)

-e

-e ++ +

+ -

-e

-

Blanqueo térmico de los centros FSe crea un centro F- y una vacancia de anión

El electrón del centro F es atrapado por el

F VaFVa

VK

El electron es liberado y aniquila al hueco del Vk, eliminando el centro F original

El electrón del centro F es atrapado por el centro H, formando un intersticial. Este y la vacancia se recombinan (difunden facilmente), eliminando el centro F.

Vacancia se mueve hacia el centro H y genera un Vk

CENTROS DE COLOR EN HALUROS ALCALINOS CAJA TRIDIMENSIONAL

ACTIVIDADES:

1.- Generar centros F irradiando haluros alcalinos (HA) con rayos X.

2.- Determinar la posición de los primeros niveles de energía excitadosmidiendo la absorción óptica.

MODELO:

Los centros F son electrones atrapados en vacancias deaniones. Los potenciales más simples para simular estasituación son el de una caja cúbica (paredes infinitas) de ladoigual a la constante de red del cristal o el Coulombianoapantallado. Los resultados experimentales se puedencomparar con las predicciones de estos modelos. Es fácilmostrar que los resultados se apartan mucho de laspredicciones del potencial Coulombiano.

3.- Proponer distintos potenciales para el defecto y comparar laspredicciones de los modelos con los resultados experimentales.

4.- Eliminar los centros F de las muestras.

MATERIALES Y METODOS

- Utilizar HA crecidos artificialmente y NaCl natural (de Antofagasta).

- Irradiar los cristales con rayos X en un equipo de florescencia (Centro Tecnológico de YPF).

- Medir el espectro de absorción de los cristales, entre 190 y 900 nm, con un espectrofotómetro UV-vis. Calibrar el espectrofotómetro.

- Determinar la energía de la transición que se corresponde con el máximo de absorbancia.

predicciones del potencial Coulombiano.

Se propone el estudio de potenciales más elaborados: cajacúbica finita y potenciales esféricos finitos e infinitos. En casode elegir potenciales de altura finita se sugiere establecercriterios considerando el valor de la brecha de energía paraestos cristales o la energía de Madelung.

1- Potencial coulombiano apantallado por la constante dieléctrica del material ε/ε0

Modelos Cuánticos: predicción de niveles electrónicos excitados

2- Caja cúbica de paredes impenetrables (tamaño de celda)

Más sofisticados:

3- Pozo cúbico finito (energía de Madelung o gap del aislador)

4- Pozo esférico infinito y finito (energía de Madelung o gap del aislador)