Centro F
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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 excitados midiendo la absorción óptica. 3.- Proponer distintos potenciales para el defecto y comparar las predicciones 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 MODELO: Los centros F son electrones atrapados en vacancias de aniones. Los potenciales más simples para simular esta situación son el de una caja cúbica (paredes infinitas) de lado igual a la constante de red del cristal o el Coulombiano apantallado. Los resultados experimentales se pueden comparar con las predicciones de estos modelos. Es fácil mostrar que los resultados se apartan mucho de las predicciones del potencial Coulombiano. Se propone el estudio de potenciales más elaborados: caja cúbica finita y potenciales esféricos finitos e infinitos. En caso de elegir potenciales de altura finita se sugiere establecer criterios considerando el valor de la brecha de energía para estos cristales o la energía de Madelung. ACTIVIDADES: 1.- Generar centros F irradiando haluros alcalinos (HA) con rayos X. 2.- Determinar la posición de los primeros niveles de energía excitados midiendo la absorción óptica. 3.- Proponer distintos potenciales para el defecto y comparar las predicciones 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 Diamantes Irradiación Irradiación y calor Irradiación Topazios Al2SiO4(OH, F)2 (rayos γ y calor) Fluorita púrpura (CaF2) (rayos γ) Tourmalina bi-color (Ca,K,Na, …) (blanca y verde) Haluros alcalinos: cristales iónicos alcalinos halógenos - 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. Defectos en cristales. Red cristalina: es un arreglo periódico de átomos (idealmente de dimensiones infinitas) Defectos estructurales: interrupción del arreglo periódico - Vacancias - Intersticiales - Impurezas (“químicas”) - Dislocaciones Intersticial - La superficie misma Vacancia de anión y catión a) Defecto Schottky b) Defecto Frenkel Estructura de haluros alcalinos NaCl: CsCl: Cs+ Cl- a =5.6 Å Resolución atómica en un cristal (100) de NaCl 2 sub-redes FCC interpenetradas (Atomic Force Microscope) a T = 5 K en ultra alto vacío ( 3.5 x 3.5 nm) Cuál es el origen de la coloración? Defectos en haluros alcalinos (HA) Centro F: electrón atrapado en una vacancia de anión. -e Defectos en haluros alcalinos (HA) + + - + + VK(+) (+) Generación de Centros F por radiación ionizante Hueco autoatrapado Se crea un excitón - B.C. + Centro VK (+) B.V. Generación de huecos y electrones por radiación ionizante - Formación de un centro F - Se forma un centro H y se disocia el excitón Creación del centro F por coloración aditiva - + + -e Vapor del alcalino componente (neutro) - + -e + - + + + + - + -e Blanqueo térmico de los centros F Se crea un centro F- y una vacancia de anión F FVa Va 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. VK Vacancia se mueve hacia el centro H y genera un Vk El electron es liberado y aniquila al hueco del Vk, eliminando el centro F original CENTROS DE COLOR EN HALUROS ALCALINOS CAJA TRIDIMENSIONAL MODELO: Los centros F son electrones atrapados en vacancias de aniones. Los potenciales más simples para simular esta situación son el de una caja cúbica (paredes infinitas) de lado igual a la constante de red del cristal o el Coulombiano apantallado. Los resultados experimentales se pueden comparar con las predicciones de estos modelos. Es fácil mostrar que los resultados se apartan mucho de las predicciones del potencial Coulombiano. Se propone el estudio de potenciales más elaborados: caja cúbica finita y potenciales esféricos finitos e infinitos. En caso de elegir potenciales de altura finita se sugiere establecer criterios considerando el valor de la brecha de energía para estos cristales o la energía de Madelung. ACTIVIDADES: 1.- Generar centros F irradiando haluros alcalinos (HA) con rayos X. 2.- Determinar la posición de los primeros niveles de energía excitados midiendo la absorción óptica. 3.- Proponer distintos potenciales para el defecto y comparar las predicciones 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. Modelos Cuánticos: predicción de niveles electrónicos excitados 1- Potencial coulombiano apantallado por la constante dieléctrica del material ε/ε0 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)
