O próprio filme reflete ou absorve seletivamente a luz incidente, e sua cor resulta das propriedades ópticas do filme. A cor de filmes finos é gerada pela luz refletida, portanto, dois aspectos precisam ser considerados: a cor intrínseca gerada pelas características de absorção de materiais de filmes finos não transparentes para o espectro de luz visível e a cor de interferência gerada por múltiplas reflexões de materiais de filmes finos transparentes ou ligeiramente absorventes.
1. Cor intrínseca
As características de absorção de materiais opacos em filmes finos no espectro da luz visível levam ao aparecimento de cores intrínsecas, e o processo mais importante é a transição da energia do fóton absorvida pelos elétrons. Para materiais condutores, os elétrons absorvem a energia do fóton na banda de valência parcialmente preenchida para transitar para um estado de alta energia não preenchido acima do nível de Fermi, o que é chamado de transição intrabanda. Para semicondutores ou materiais isolantes, existe uma lacuna de energia entre a banda de valência e a banda de condução. Somente elétrons com energia absorvida maior que a largura da lacuna de energia podem atravessá-la e transitar da banda de valência para a banda de condução, conhecida como transição interbanda. Independentemente do tipo de transição, haverá inconsistência entre a luz refletida e a luz absorvida, o que faz com que o material exiba sua cor intrínseca. Materiais com larguras de banda proibida maiores que o limite ultravioleta visível, como aqueles maiores que 3,5 eV, são transparentes ao olho humano. A largura da banda proibida de materiais com banda proibida estreita é menor que o limite infravermelho do espectro visível e, se for menor que 1,7 eV, aparenta ser preta. Materiais com larguras de banda na faixa intermediária podem exibir cores características. A dopagem pode causar transições interbanda em materiais com grandes bandas proibidas. Os elementos dopantes criam um nível de energia entre as bandas proibidas, dividindo-as em dois intervalos de energia menores. Elétrons que absorvem energia mais baixa também podem sofrer transições, resultando na apresentação de cor em um material originalmente transparente.
1. Cor de interferência
Materiais de película fina transparentes ou ligeiramente absorventes exibem cores de interferência devido às múltiplas reflexões da luz. Interferência é a mudança na amplitude que ocorre após a superposição de ondas. Na vida real, se houver uma película de óleo na superfície de uma poça d'água, podemos observar que essa película apresenta iridescência, que é a cor produzida pela interferência típica de películas. Depositar uma fina camada de película de óxido transparente sobre um substrato metálico permite obter diversas cores novas por meio da interferência. Se um único comprimento de onda de luz incidir da atmosfera sobre a superfície da camada transparente, uma parte dela será refletida na superfície da película fina e retornará diretamente para a atmosfera; a outra parte sofrerá refração ao atravessar a película transparente e será refletida na interface película-substrato. Em seguida, continuará a atravessar a película transparente e refratará na interface entre a película e a atmosfera antes de retornar à atmosfera. Esses dois processos resultarão em uma diferença de caminho óptico e interferência por superposição.
Data da publicação: 30 de junho de 2023