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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?
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)