Der Film selbst reflektiert oder absorbiert selektiv einfallendes Licht, und seine Farbe ist das Ergebnis seiner optischen Eigenschaften. Die Farbe dünner Filme entsteht durch reflektiertes Licht. Daher müssen zwei Aspekte berücksichtigt werden: die Eigenfarbe, die durch die Absorptionseigenschaften nicht transparenter Dünnschichtmaterialien für das sichtbare Lichtspektrum entsteht, und die Interferenzfarbe, die durch Mehrfachreflexionen transparenter oder leicht absorbierender Dünnschichtmaterialien entsteht.
1.Intrinsische Farbe
Die Absorptionseigenschaften undurchsichtiger Dünnschichtmaterialien im sichtbaren Lichtspektrum führen zur Entstehung von Eigenfarben. Der wichtigste Prozess dabei ist die Absorption der von Elektronen absorbierten Photonenenergie. Bei leitfähigen Materialien absorbieren die Elektronen Photonenenergie im teilweise gefüllten Valenzband und wechseln in einen ungefüllten, energiereichen Zustand oberhalb des Fermi-Niveaus (In-Band-Übergang). Bei Halbleitern und Isoliermaterialien besteht zwischen Valenzband und Leitungsband eine Energielücke. Nur Elektronen, deren absorbierte Energie größer ist als die Breite dieser Energielücke, können diese Lücke überwinden und vom Valenzband ins Leitungsband wechseln (Interband-Übergang). Unabhängig von der Art des Übergangs kommt es zu Inkonsistenzen zwischen reflektiertem und absorbiertem Licht, wodurch das Material seine Eigenfarbe erhält. Materialien mit Bandlücken größer als die sichtbare Ultraviolettgrenze, beispielsweise über 3,5 eV, sind für das menschliche Auge transparent. Die Bandlückenbreite von Materialien mit schmaler Bandlücke liegt unter der Infrarotgrenze des sichtbaren Spektrums. Liegt sie unter 1,7 eV, erscheint das Material schwarz. Materialien mit Bandbreiten im mittleren Bereich können charakteristische Farben aufweisen. Dotierung kann in Materialien mit großen Energielücken Interbandübergänge verursachen. Dotierungselemente erzeugen ein Energieniveau zwischen den Energielücken und teilen diese in zwei kleinere Energieintervalle. Elektronen, die weniger Energie absorbieren, können ebenfalls Übergänge durchlaufen, wodurch das ursprünglich transparente Material farbig erscheint.
1. Interferenzfarbe
Transparente oder leicht absorbierende Dünnschichtmaterialien weisen aufgrund ihrer Mehrfachreflexion von Licht Interferenzfarben auf. Interferenz ist die Amplitudenänderung, die nach der Überlagerung von Wellen auftritt. Befindet sich im wirklichen Leben ein Ölfilm auf der Oberfläche einer Wasserpfütze, kann man beobachten, dass dieser schillert, eine typische Farbe, die durch Filminterferenz entsteht. Durch Aufbringen einer dünnen Schicht eines transparenten Oxidfilms auf ein Metallsubstrat können durch Interferenz viele neuartige Farben erzeugt werden. Trifft Licht einer einzelnen Wellenlänge aus der Atmosphäre auf die Oberfläche der transparenten Schicht, wird ein Teil davon an der Oberfläche des dünnen Films reflektiert und kehrt direkt in die Atmosphäre zurück; der andere Teil wird durch den transparenten Film gebrochen und an der Grenzfläche zwischen Film und Substrat reflektiert. Anschließend durchdringt er den transparenten Film weiter und wird an der Grenzfläche zwischen Film und Atmosphäre gebrochen, bevor er in die Atmosphäre zurückkehrt. Diese beiden Faktoren führen zu optischen Wegunterschieden und überlagerten Interferenzen.
Veröffentlichungszeit: 30. Juni 2023