閃亜鉛鉱の発光

閃亜鉛鉱（ZnS）の不純物添加によって発光色が変わる仕組みは、不純物準位（ドーパント準位）とバンド構造の変化に関連しています。以下にその詳細を説明します。

1. バンド構造と不純物準位

ZnSは直接遷移型半導体で、価電子帯（VB）と伝導帯（CB）の間にバンドギャップ（約3.6 eV）があります。不純物（ドーパント）を添加すると、不純物特有の電子エネルギー準位がバンドギャップ内に形成されます。

電子の移動経路:

1. 光励起や熱エネルギーによって、電子が価電子帯（VB）から伝導帯（CB）や不純物準位に励起されます。

2. 電子が不純物準位にトラップされ、ゆっくりと基底状態に戻る際に光を放出します。

3. この放出光のエネルギー（波長）が発光色を決定します。

2. 不純物の種類と発光色

不純物の種類によって形成される準位の位置が異なるため、発光する光の波長（色）が変わります。以下はZnSに添加される代表的な不純物とその発光色です。

3. フォトルミネッセンスと発光色

不純物による準位形成は、ZnSのフォトルミネッセンス（光による発光）の特性を大きく変えます。

純粋なZnS: 紫外線（UV）を吸収して青～紫色の発光。

不純物添加ZnS: 不純物準位を経由した低エネルギーの光（緑、黄色など）を発光。

4. 欠陥との相互作用

不純物だけでなく、ZnS内の格子欠陥（亜鉛空孔や硫黄空孔）も発光特性に影響を与えます。例えば、不純物準位と格子欠陥準位が相互作用すると、発光効率や発光波長がさらに変化します。

まとめ

ZnSに不純物を添加すると、

不純物準位がバンドギャップ内に形成される。

電子が不純物準位を経由して基底状態に戻る際の光放出エネルギーが変わり、発光色が異なる。

これにより、ZnSの発光特性が制御され、蛍光体や蓄光材料として応用されています。