Сама пленка избирательно отражает или поглощает падающий свет, и ее цвет является результатом оптических свойств пленки. Цвет тонких пленок создается отраженным светом, поэтому необходимо учитывать два аспекта: собственный цвет, создаваемый абсорбционными характеристиками непрозрачных тонкопленочных материалов в видимом спектре света, и интерференционный цвет, создаваемый многократными отражениями прозрачных или слабо поглощающих тонкопленочных материалов.
1. Собственный цвет
Поглощение непрозрачными тонкопленочными материалами видимого спектра света приводит к появлению собственных цветов, и наиболее важным процессом является переход энергии фотонов, поглощенных электронами. В проводящих материалах электроны поглощают энергию фотонов в частично заполненной валентной полосе, переходя в незаполненное высокоэнергетическое состояние выше уровня Ферми, что называется внутризонным переходом. В полупроводниках или изоляционных материалах существует энергетический зазор между валентной полосой и полосой проводимости. Только электроны с поглощенной энергией, превышающей ширину энергетического зазора, могут пересечь этот зазор и перейти из валентной полосы в полосу проводимости, что известно как межзонный переход. Независимо от типа перехода, он вызывает несоответствие между отраженным и поглощенным светом, что приводит к появлению у материала собственного цвета. Материалы с шириной запрещенной зоны, превышающей видимый ультрафиолетовый предел, например, более 3,5 эВ, прозрачны для человеческого глаза. Ширина запрещенной зоны узкозонных материалов меньше инфракрасного предела видимого спектра, и если она меньше 1,7 эВ, материал выглядит черным. Материалы со средней шириной запрещенной зоны могут иметь характерные цвета. Легирование может вызывать межзонные переходы в материалах с широкими энергетическими щелями. Легирующие элементы создают энергетический уровень между энергетическими щелями, разделяя их на два меньших энергетических интервала. Электроны, поглощающие более низкую энергию, также могут претерпевать переходы, в результате чего исходный прозрачный материал приобретает цвет.
1. Интерференционный цвет
Прозрачные или слабо поглощающие тонкопленочные материалы демонстрируют интерференционные цвета из-за многократного отражения света. Интерференция — это изменение амплитуды, происходящее после суперпозиции волн. В реальной жизни, если на поверхности лужи воды есть масляная пленка, можно наблюдать иризацию — цвет, характерный для типичной пленочной интерференции. Нанесение тонкого слоя прозрачной оксидной пленки на металлическую подложку позволяет получить множество новых цветов за счет интерференции. Если на поверхность прозрачного слоя падает свет одной длины волны из атмосферы, часть его отражается от поверхности тонкой пленки и непосредственно возвращается в атмосферу; другая часть преломляется через прозрачную пленку и отражается на границе раздела пленка-подложка. Затем она продолжает проходить через прозрачную пленку и преломляется на границе раздела между пленкой и атмосферой, прежде чем вернуться в атмосферу. В результате возникает разность оптических путей и суперпозиция интерференции.
Дата публикации: 30 июня 2023 г.