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 ; il convient donc de considérer deux aspects : la couleur intrinsèque, due aux caractéristiques d’absorption des matériaux non transparents dans le spectre visible, et la couleur d’interférence, résultant des réflexions multiples des matériaux transparents ou faiblement absorbants.
1. Couleur intrinsèque
Les caractéristiques d'absorption du spectre de la lumière visible par les matériaux en couches minces opaques sont à l'origine de leurs couleurs intrinsèques. Le processus le plus important est la transition de l'énergie des photons absorbés par les électrons. Dans les matériaux conducteurs, les électrons absorbent l'énergie des photons dans la bande de valence partiellement remplie et passent à un état d'énergie élevé, situé au-dessus du niveau de Fermi : c'est une transition intrabande. Dans les semi-conducteurs et 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 cette bande interdite peuvent la franchir et passer de la bande de valence à la bande de conduction : c'est une transition interbande. Quel que soit le type de transition, elle engendre une différence entre la lumière réfléchie et la lumière absorbée, ce qui confère au matériau sa couleur intrinsèque. Les matériaux dont la largeur de bande interdite est supérieure à la limite du visible et de l'ultraviolet, par exemple supérieure à 3,5 eV, sont transparents à l'œil nu. La largeur de la 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 interdite se situe dans la gamme intermédiaire peuvent présenter des couleurs caractéristiques. Le dopage peut induire des transitions interbandes dans les matériaux à large bande interdite. 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 inférieure peuvent également subir des transitions, ce qui confère une couleur au matériau initialement transparent.
1. Couleur d'interférence
Les matériaux en couches minces, transparents ou légèrement absorbants, présentent des couleurs d'interférence dues à leurs multiples réflexions de la lumière. L'interférence est la variation d'amplitude qui se produit après la superposition d'ondes. Dans la vie courante, un film d'huile à la surface d'une flaque d'eau présente une irisation, une couleur typique des interférences entre couches minces. Le dépôt d'une fine couche d'oxyde transparent sur un substrat métallique permet d'obtenir de nombreuses couleurs originales grâce à ce phénomène. Lorsqu'un rayon lumineux d'une longueur d'onde unique frappe la surface de la couche transparente, une partie est réfléchie par cette surface et retourne directement dans l'atmosphère. L'autre partie subit une réfraction à travers la couche transparente et se réfléchit à l'interface film-substrat. Elle traverse ensuite la couche transparente et se réfracte à l'interface film-atmosphère avant de retourner dans l'atmosphère. Ces deux phénomènes engendrent une différence de chemin optique et des interférences superposées.
Date de publication : 30 juin 2023