Сама плівка вибірково відбиває або поглинає падаюче світло, а її колір є результатом оптичних властивостей плівки. Колір тонких плівок генерується відбитим світлом, тому необхідно враховувати два аспекти, а саме: власний колір, що генерується характеристиками поглинання непрозорих тонкоплівкових матеріалів для видимого спектру світла, та інтерференційний колір, що генерується багаторазовими відбиттями прозорих або слабопоглинаючих тонкоплівкових матеріалів.
1. Внутрішній колір
Поглинальні характеристики непрозорих тонкоплівкових матеріалів у спектрі видимого світла призводять до появи власних кольорів, і найважливішим процесом є перехід енергії фотонів, поглиненої електронами. У провідних матеріалах електрони поглинають енергію фотонів у частково заповненій валентній зоні, переходячи у незаповнений високоенергетичний стан вище рівня Фермі, що називається внутрішньозонним переходом. У напівпровідників або ізоляційних матеріалів між валентною зоною та зоною провідності існує енергетична щілина. Тільки електрони з поглиненою енергією, що перевищує ширину енергетичної щілини, можуть перетнути щілину та перейти з валентної зони в зону провідності, що називається міжзонним переходом. Незалежно від типу переходу, він спричинить невідповідність між відбитим та поглиненим світлом, що призведе до прояву власного кольору матеріалу. Матеріали з шириною забороненої зони, що перевищує межу видимого ультрафіолетового випромінювання, такі як ті, що перевищують 3,5 еВ, прозорі для людського ока. Ширина забороненої зони матеріалів з вузькою забороненою зоною менша за інфрачервону межу видимого спектру, і якщо вона менша за 1,7 еВ, вони виглядають чорними. Матеріали зі смугами пропускання в середній області можуть проявляти характерні кольори. Легування може спричиняти міжзонні переходи в матеріалах з широкими енергетичними щілинами. Легуючі елементи створюють енергетичний рівень між енергетичними щілинами, розділяючи їх на два менші енергетичні інтервали. Електрони, які поглинають нижчу енергію, також можуть зазнавати переходів, в результаті чого вихідний прозорий матеріал має колір.
1. Інтерференційний колір
Прозорі або слабопоглинаючі тонкоплівкові матеріали демонструють інтерференційні кольори через багаторазове відбиття світла. Інтерференція – це зміна амплітуди, яка відбувається після суперпозиції хвиль. У житті, якщо на поверхні води є масляна плівка, можна спостерігати, що масляна плівка має іризацію, що є кольором, що утворюється внаслідок типової інтерференції плівок. Нанесення тонкого шару прозорої оксидної плівки на металеву підкладку може призвести до появи багатьох нових кольорів завдяки інтерференції. Якщо світло однієї довжини хвилі падає з атмосфери на поверхню прозорого шару, частина його відбивається від поверхні тонкої плівки та безпосередньо повертається в атмосферу; інша частина заломлюється через прозору плівку та відбивається на межі розділу плівка-підкладка. Потім світло продовжує пропускати світло через прозору плівку та заломлюватися на межі розділу між плівкою та атмосферою, перш ніж повернутися в атмосферу. Це призведе до різниці оптичних ходу та накладеної інтерференції.
Час публікації: 30 червня 2023 р.