40、探秘色心与色环：从微观结构到色彩应用

探秘色心与色环：从微观结构到色彩应用

1. 色心的基本概念与类型

1.1 F 中心：电子过剩中心

F 中心最早在碱卤化物中被发现，是最为人熟知的电子过剩中心。在碱卤化物 MX 中，存在低浓度的阴离子空位，这些空位带有有效正电荷。当一个阴离子空位（VX）捕获一个电子后，就形成了一个有效的中性缺陷（VX e），即 F 中心。

F 中心在结构上类似于孤立的氢原子，电子能够吸收电磁辐射，从一个能级跃迁到另一个能级，就像氢原子玻尔模型中的电子吸收辐射一样。吸收曲线的峰值 lmax 对应于电子从 F 中心的完全移除，通常落在可见光范围内，从而使原本透明的晶体产生颜色。

从能带理论的角度来看，碱卤化物是绝缘体，其价带和导带之间存在相当大的能隙。F 中心在基态时会在能隙中产生一个新的能级或窄能带。产生颜色的光学吸收峰对应于电子被激发到导带。观察到的颜色变化取决于主体晶体的能隙和 F 中心的能级，这两者都与主体基质的晶格参数有关。

F 中心的形成机制在一定程度上取决于其产生方式。例如，在 X 射线辐照的情况下，高能辐射能够将电子从正常阴离子中击出，其中一些电子会被现有的阴离子空位捕获。失去电子的相应阴离子会在价带中产生一个空穴能级。

F 中心不仅存在于碱卤化物中，还存在于许多碱土金属卤化物和氧化物中。例如，矿物蓝约翰是一种罕见的天然紫色 - 蓝色萤石（CaF2），其颜色是由 F 中心引起的。据信，当萤石晶体偶然位于岩层中的铀化合物附近时，铀的放射性衰变产生了形成色心所需的高能辐射。

1.2 空穴过剩中心

1.2.1 烟水晶中的色心

烟水晶是一种天然存在的二氧化硅（Si