Der Film selbst reflektiert oder absorbiert einfallendes Licht selektiv, und seine Farbe ergibt sich aus den optischen Eigenschaften des Films. Die Farbe dünner Filme entsteht durch reflektiertes Licht, daher müssen zwei Aspekte berücksichtigt werden: die Eigenfarbe, die durch die Absorptionseigenschaften nicht transparenter Dünnschichtmaterialien im sichtbaren Lichtspektrum hervorgerufen wird, und die Interferenzfarbe, die durch Mehrfachreflexionen transparenter oder schwach absorbierender Dünnschichtmaterialien entsteht.
1. Eigenfarbe
Die Absorptionseigenschaften von opaken Dünnschichtmaterialien im sichtbaren Lichtspektrum führen zum Auftreten von Eigenfarben. Der wichtigste Prozess dabei ist der Übergang von Photonenenergie in Elektronen. Bei leitfähigen Materialien absorbieren die Elektronen Photonenenergie im teilweise gefüllten Valenzband und gehen in einen unbesetzten, höheren Energiezustand oberhalb des Fermi-Niveaus über. Dieser Übergang wird als In-Band-Übergang bezeichnet. Bei Halbleitern oder Isolatoren existiert eine Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband. Nur Elektronen, deren absorbierte Energie größer als die Breite dieser Bandlücke ist, können die Lücke überwinden und vom Valenzband ins Leitungsband übergehen. Dieser Übergang wird als Interband-Übergang bezeichnet. Unabhängig von der Art des Übergangs entsteht eine Diskrepanz zwischen reflektiertem und absorbiertem Licht, wodurch das Material seine Eigenfarbe zeigt. Materialien mit Bandlückenbreiten oberhalb der Grenze des sichtbaren Ultraviolettbereichs, beispielsweise über 3,5 eV, sind für das menschliche Auge transparent. Die Bandlückenbreite von Materialien mit schmaler Bandlücke liegt unterhalb der Infrarotgrenze des sichtbaren Spektrums. Beträgt sie weniger als 1,7 eV, erscheint das Material schwarz. Materialien mit mittleren Bandlückenbreiten können charakteristische Farben aufweisen. Dotierung kann in Materialien mit großer Bandlücke Interbandübergänge hervorrufen. Die Dotierungselemente erzeugen ein Energieniveau zwischen den Bandlücken und unterteilen diese so in zwei kleinere Energieintervalle. Elektronen, die niedrigere Energien absorbieren, können ebenfalls Übergänge durchführen, wodurch das ursprünglich transparente Material Farbe annimmt.
1. Interferenzfarbe
Transparente oder schwach absorbierende Dünnschichtmaterialien zeigen Interferenzfarben aufgrund mehrfacher Lichtreflexionen. Interferenz ist die Amplitudenänderung, die durch die Überlagerung von Wellen entsteht. Befindet sich beispielsweise ein Ölfilm auf der Oberfläche einer Wasserpfütze, so schimmert dieser – eine typische Interferenzfarbe. Durch das Aufbringen einer dünnen Schicht aus transparentem Oxid auf ein Metallsubstrat lassen sich durch Interferenz viele neuartige Farben erzeugen. Trifft Licht einer bestimmten Wellenlänge aus der Atmosphäre auf die Oberfläche der transparenten Schicht, wird ein Teil davon an der Oberfläche des Dünnfilms reflektiert und kehrt direkt in die Atmosphäre zurück. Der andere Teil wird beim Durchgang durch den transparenten Film gebrochen und an der Grenzfläche zwischen Film und Substrat reflektiert. Anschließend durchdringt das Licht den transparenten Film und wird an der Grenzfläche zwischen Film und Atmosphäre erneut gebrochen, bevor es wieder in die Atmosphäre zurückkehrt. Die daraus resultierenden optischen Wegunterschiede führen zu überlagerten Interferenzerscheinungen.
Veröffentlichungsdatum: 30. Juni 2023