Le film lui-même réfléchit ou absorbe sélectivement la lumière incidente, et sa couleur résulte de ses propriétés optiques. La couleur des films minces est générée par la lumière réfléchie ; deux aspects doivent donc être pris en compte : la couleur intrinsèque générée par les caractéristiques d'absorption des matériaux en films minces non transparents dans le spectre de la lumière visible, et la couleur interférentielle générée par les réflexions multiples des matériaux en films minces transparents ou légèrement absorbants.
1. Couleur intrinsèque
Les caractéristiques d'absorption des matériaux opaques en couches minces dans le spectre de la lumière visible conduisent à l'apparition de couleurs intrinsèques, dont le processus le plus important est la transition de l'énergie photonique absorbée par les électrons. Pour les matériaux conducteurs, les électrons absorbent l'énergie photonique dans la bande de valence partiellement remplie pour passer à un état de haute énergie non rempli, au-dessus du niveau de Fermi. Cette transition est appelée transition intrabande. Pour les semi-conducteurs ou les matériaux isolants, il existe une bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction. Seuls les électrons dont l'énergie absorbée est supérieure à la largeur de la bande interdite peuvent la traverser et passer de la bande de valence à la bande de conduction. Cette transition est appelée transition interbande. Quel que soit le type de transition, elle entraîne une incohérence entre la lumière réfléchie et la lumière absorbée, ce qui permet au matériau de révéler sa couleur intrinsèque. Les matériaux dont la largeur de bande interdite est supérieure à la limite de l'ultraviolet visible, par exemple supérieure à 3,5 eV, sont transparents à l'œil nu. La largeur de bande interdite des matériaux à bande interdite étroite est inférieure à la limite infrarouge du spectre visible ; si elle est inférieure à 1,7 eV, le matériau apparaît noir. Les matériaux dont la bande passante se situe dans la zone médiane peuvent présenter des couleurs caractéristiques. Le dopage peut provoquer des transitions interbandes dans les matériaux à larges bandes interdites. Les éléments dopants créent un niveau d'énergie entre les bandes interdites, les divisant en deux intervalles d'énergie plus petits. Les électrons absorbant une énergie plus faible peuvent également subir des transitions, donnant ainsi au matériau transparent d'origine une couleur.
1. Couleur d'interférence
Les matériaux en couches minces transparents ou légèrement absorbants présentent des couleurs interférentielles dues à leurs multiples réflexions lumineuses. L'interférence est la variation d'amplitude qui se produit après la superposition d'ondes. Dans la réalité, si un film d'huile se forme à la surface d'une flaque d'eau, on observe une iridescence, couleur typique de l'interférence de film. Le dépôt d'une fine couche d'oxyde transparent sur un substrat métallique permet d'obtenir de nombreuses couleurs inédites grâce à l'interférence. Si une seule longueur d'onde lumineuse incidente de l'atmosphère atteint la surface de la couche transparente, une partie de celle-ci est réfléchie sur la surface du film mince et retourne directement dans l'atmosphère ; l'autre partie subit une réfraction à travers le film transparent et se réfléchit à l'interface entre le film et le substrat. La transmission se poursuit ensuite par le film transparent et se réfracte à l'interface entre le film et l'atmosphère avant de retourner dans l'atmosphère. Ces deux phénomènes entraînent une différence de trajet optique et une interférence superposée.
Date de publication : 30 juin 2023