Energibånd
metaller
Valenselektronene, som i andre stoffer produserer binding mellom individuelle atomer eller små grupper av atomer, deles likt av alle atomene i et metallstykke. Disse delokaliserte elektronene er således i stand til å bevege seg over hele metallstykket og gir metallisk glans og gode elektriske og termiske konduktiviteter av metaller og legeringer. Båndteori forklarer at i et slikt system blir individuelle energinivå erstattet av et kontinuerlig område kalt et bånd, som i tetthet-av-tilstand-diagrammet for kobbermetall vist på figuren. Dette diagrammet viser at antall elektroner som kan romme i båndet ved en gitt energi, varierer; i kobber synker antallet når bandet nærmer seg å bli fylt med elektroner. Antallet elektroner i kobberet fyller båndet til det viste nivået, og etterlater noe tomt rom ved høyere energier.
Når et foton av lys blir absorbert av et elektron nær toppen av energibåndet, heises elektronet til et høyere tilgjengelig energinivå i båndet. Lyset er så intenst absorbert at det kan trenge inn i en dybde på bare noen hundre atomer, vanligvis mindre enn en enkelt bølgelengde. Fordi metallet er en leder av elektrisitet, induserer dette absorberte lyset, som tross alt er en elektromagnetisk bølge, vekslende elektriske strømmer på metalloverflaten. Disse strømningene gjenkjenner umiddelbart fotonet ut av metallet, og gir dermed en sterk refleksjon av en polert metalloverflate.
Effektiviteten av denne prosessen avhenger av visse utvelgingsregler. Hvis effektiviteten av absorpsjon og utslipp er tilnærmet lik ved alle optiske energier, vil de forskjellige fargene i hvitt lys reflekteres like godt, noe som fører til den "sølvfarvede" fargen på polerte sølv- og jernoverflater. I kobber synker effektiviteten av refleksjonen med økende energi; den reduserte refleksjonsevnen i den blå enden av spekteret resulterer i en rødlig farge. Lignende hensyn forklarer den gule fargen på gull og messing.
Rene halvledere
I en rekke stoffer vises det et båndgap i diagrammen for tetthet av tilstander (se figur). Dette kan for eksempel skje når det i gjennomsnitt er nøyaktig fire valenselektroner per atom i et rent stoff, noe som resulterer i et helt fullt nedre bånd, kalt valensbåndet, og et nøyaktig tomt øvre bånd, ledningsbåndet. Fordi det ikke er noen elektronenerginivå i gapet mellom de to båndene, tilsvarer det laveste energilyset som kan tas opp, pilen A på figuren; dette representerer eksitasjonen av et elektron fra toppen av valensbåndet opp til bunnen av ledningsbåndet og tilsvarer båndgapsenergien betegnet Eg. Lys med eventuell høyere energi kan også tas opp, som indikert med pilene B og C.
Hvis stoffet har et stort båndgap, for eksempel 5,4 eV av diamant, kan ikke noe lys i det synlige spekteret tas opp, og stoffet virker fargeløst når det er rent. Slike store båndgap-halvledere er utmerkede isolatorer og blir vanligvis behandlet som ioniske eller kovalent bundne materialer.
Pigmentet kadmiumgult (kadmiumsulfid, også kjent som mineralgrønnockitt) har et mindre båndgap på 2,6 eV, som tillater absorpsjon av fiolett og noe blått, men ingen av de andre fargene. Dette fører til den gule fargen. Et noe mindre båndgap som tillater absorpsjon av fiolett, blått og grønt gir fargen oransje; et enda mindre båndgap som i 2,0 eV av pigment vermilion (kvikksurfinsulfid, mineral cinnabar) resulterer i at alle energier, men den røde blir absorbert, noe som fører til en rød farge. Alt lys absorberes når båndgapsenergien er mindre enn 1,77-eV (700-nm) grensen for det synlige spekteret; smale bånd-gap halvledere, slik som bly sulfid galena, absorberer derfor alt lys og er svart. Denne sekvensen av fargeløse, gule, oransje, røde og svarte er det nøyaktige spekteret av farger som er tilgjengelige i rene halvledere.
Dopte halvledere
Hvis et urenhetsatom, ofte kalt et dopingmiddel, er til stede i en halvleder (som deretter betegnes som dopert) og har et annet antall valenselektroner enn atomet det erstatter, kan det dannes ekstra energinivåer i båndgapet. Hvis urenheten har flere elektroner, for eksempel en nitrogenforurensning (fem valenselektroner) i en diamantkrystall (bestående av karbonatomer, som hver har fire valenselektroner), dannes et givernivå. Elektroner fra dette nivået kan eksiteres i ledningsbåndet ved absorpsjon av fotoner; dette forekommer bare i den blå enden av spekteret i nitrogen-dopet diamant, noe som resulterer i en komplementær gul farge. Hvis urenheten har færre elektroner enn atomet den erstatter, for eksempel en borforurensning (tre valenselektroner) i diamant, dannes et hullnivå. Fotoner kan nå tas opp med eksitering av et elektron fra valensbåndet inn i hullnivået. I bor-dopet diamant forekommer dette bare i den gule enden av spekteret, noe som resulterer i en dypblå farge som i den berømte Hope-diamanten.
Noen materialer som inneholder både givere og akseptorer, kan absorbere ultrafiolett eller elektrisk energi for å produsere synlig lys. F.eks. Blir fosforpulver, slik som zinksulfid som inneholder kobber og andre urenheter, brukt som belegg i lysrør for å omdanne den rikelig ultrafiolett energi som produseres av kvikksølvbuen til lysstoffrør. Fosfor brukes også til å belegge innsiden av en TV-skjerm, der de aktiveres av en strøm av elektroner (katodestråler) i katodoluminescens, og i lysende malinger, der de aktiveres av hvitt lys eller ved ultrafiolett stråling, noe som får dem til å viser et langsomt lysende forfall kjent som fosfororescens. Elektroluminescens er et resultat av elektrisk eksitasjon, som når et fosforpulver blir avsatt på en metallplate og dekket med en transparent ledende elektrode for å produsere belysningspaneler.
Injeksjonselektroluminescens oppstår når en krystall inneholder et kryss mellom forskjellige dopede halvledende regioner. En elektrisk strøm vil produsere overganger mellom elektroner og hull i veikryssregionen og frigjøre energi som kan vises som nær monokromatisk lys, som i lysdioder (LED) som er mye brukt på skjermenheter i elektronisk utstyr. Med en passende geometri kan det utsendte lyset også være monokromatisk og koherent som i halvlederlasere.
