Übergänge vom Valenz- ins Leitungsband bei Halbleitern

In Festkörpern können die einzelnen Atomorbitale zu ausgedehnten Kristallorbitalen verschmelzen, die den ganzen Kristall umfassen und von allen im Kristall vorhandenen Atomen gemeinsam gebildet werden. Da die Energien dieser Kristallorbitale sehr dicht nebeneinander liegen, wird nicht mehr von einzelnen Orbitalen gesprochen, sondern man faßt sie zu Bändern zusammen und weist diesen Bändern Besetzungszahlen zu. Zwei Bänder werden besonders hervorgehoben: das Valenzband und das Leitungsband. Das Valenzband ist das energetisch höchste, noch von Elektronen besetzte Band, und das Leitungsband ist das energetisch niedrigste unbesetzte Band. Zwischen diesen beiden Bändern klafft die Bandlücke. (Bei Leitern existiert diese Lücke nicht, beide Bänder gehen ineinander über; bei Isolatoren ist diese Lücke sehr groß.)

Wir ignorieren an dieser Stelle alle faszinierenden Konsequenzen von Bandstrukturen (Stichworte: Leiter, Halbleiter, Isolator) und halten fest, daß es einige Substanzen (Halbleiter) gibt, bei denen die Bandlücke eine Größe aufweist, die es erlaubt, durch Absorption von sichtbarem Licht Elektronen vom Valenz- in das Leitungsband anzuheben. Als Konsequenz ist ein solcher Halbleiter farbig.

Da die Bandlücke nur die Mindestenergie vorgibt, die für einen erfolgreichen Übergang absorbiert werden muß, kann auch Licht höherer Energie absorbiert werden, wobei das Elektron nicht an der unteren Kante des Leitungsbandes, sondern "mitten drin" eintritt. Die Absorption bei diesem Typ von Pigment erfolgt also sehr breitbandig mit einer Kante bei der der Bandlücke entsprechenden Energie. Je schärfer diese Kante, umso reinfarbiger ist der Stoff.

Interessanterweise hängt die Größe der Bandlücke auch von der Größe der Kristalle ab, d.h. somit vom Vermahlungsgrad des Pigments. Tatsächlich gibt es Substanzen, bei denen die Farbe durch Vermahlung von Weiß über Gelb und Rot nach Schwarz geändert werden kann.
Weiterhin kann durch Einbringen von Fremdatomen (Dotierung) die Größe der Bandlücke und somit die Farbe in weiten Grenzen variiert werden, wie man am Beispiel des Cadmiumgelb sieht, das durch Einbringen von Selen statt Schwefel seinen Farbton nach Rot verschiebt.