Rušení tenkých filmů - Thin-film interference

Při odrazu světla od horních a dolních hranic tenkého olejového filmu je pozorován barevný interferenční obrazec. Různé pásy se vytvářejí s tím, jak se tloušťka filmu zmenšuje z centrálního bodu odtoku.
Barvy ve světle odražené od mýdlové bubliny
Vazač laserového výstupu je potažen mnoha vrstvenými fóliemi, aby bylo dosaženo odrazivosti 80% při 550 nm. Vlevo: Zrcadlo je vysoce reflexní do žluté a zelené, ale vysoce transmisivní do červené a modré. Vpravo: Zrcadlo propouští 25% laserového světla 589 nm.

Rušení tenkých vrstev je přirozený jev, při kterém se světelné vlny odražené horními a dolními hranicemi tenkého filmu navzájem ruší , a to buď zesilující nebo snížené odražené světlo . Když je tloušťka filmu lichým násobkem jedné čtvrtiny vlnové délky světla, odrážející se vlny z obou povrchů se navzájem ruší. Protože vlna nemůže být odražena, je místo toho zcela přenesena . Když je tloušťka násobkem poloviční vlnové délky světla, dvě odražené vlny se navzájem posilují, zvyšují odraz a snižují přenos. Když tedy na film dopadá bílé světlo, které se skládá z řady vlnových délek, určité vlnové délky (barvy) jsou zesíleny, zatímco jiné jsou zeslabeny . Interference tenkých filmů vysvětluje více barev pozorovaných ve světle odraženém od mýdlových bublin a olejových filmů na vodě . Je to také mechanismus působení antireflexních vrstev používaných na brýle a čočky fotoaparátů .

Skutečná tloušťka filmu závisí jak na jeho indexu lomu, tak na úhlu dopadu světla. Rychlost světla je v médiu s vyšším indexem pomalejší; film se tedy vyrábí v poměru k vlnové délce, jak prochází filmem. Při normálním úhlu dopadu bude tloušťka typicky čtvrtina nebo polovina násobku středové vlnové délky, ale při šikmém úhlu dopadu bude tloušťka rovna kosinu úhlu v polohách čtvrtiny nebo poloviny vlnové délky, což odpovídá měnícím se barvám při změně úhlu pohledu. (Pro jakoukoli určitou tloušťku se barva změní z kratší na delší vlnovou délku, protože úhel se změní z normálního na šikmý.) Tato konstruktivní/destruktivní interference vytváří úzké šířky pásma odrazu/přenosu, takže pozorované barvy jsou zřídka oddělené vlnové délky, jako např. vzniká difrakční mřížkou nebo hranolem , ale směsí různých vlnových délek, které ve spektru chybí. Pozorované barvy jsou proto jen zřídka duhové, ale hnědé, zlaté, tyrkysové, modrozelené, jasně modré, purpurové a magentové. Studium světla odraženého nebo přenášeného tenkou fólií může odhalit informace o tloušťce fólie nebo účinném indexu lomu filmového média. Tenké fólie mají mnoho komerčních aplikací, včetně antireflexních vrstev , zrcadel a optických filtrů .

Teorie

Ukázka rozdílu délky optické dráhy pro světlo odražené od horní a dolní hranice tenkého filmu.
Rušení tenkých filmů způsobené odmrazovacím povlakem ITO na okně kokpitu Airbusu .

V optice je tenký film vrstvou materiálu o tloušťce v rozmezí nanometrůmikronů . Jak světlo dopadá na povrch filmu, je buď přenášeno, nebo se odráží na horním povrchu. Světlo, které je přenášeno, dosáhne spodního povrchu a může být znovu přeneseno nebo odraženo. Na Fresnelovy rovnice poskytují kvantitativní popis toho, jak moc světla budou předány nebo odrazí na rozhraní. Světlo odražené od horního a dolního povrchu bude rušit. Míra konstruktivní nebo destruktivní interference mezi dvěma světelnými vlnami závisí na rozdílu v jejich fázi. Tento rozdíl zase závisí na tloušťce filmové vrstvy, indexu lomu filmu a úhlu dopadu původní vlny na film. Navíc lze při odrazu na hranici zavést fázový posun o 180 ° nebo radiány v závislosti na indexech lomu materiálů na obou stranách hranice. K tomuto fázovému posunu dochází, pokud je index lomu média, kterým světlo prochází, menší než index lomu materiálu, na který dopadá. Jinými slovy, jestliže a světlo cestuje z materiálu 1 do materiálu 2, pak při odrazu dochází k fázovému posunu. Vzorec světla, který je výsledkem této interference, se může jevit buď jako světlé a tmavé pásy, nebo jako barevné pásy v závislosti na zdroji dopadajícího světla.

Zvažte světlo dopadající na tenký film a odražené jak horními, tak dolními hranicemi. Aby se určily podmínky interference, musí se vypočítat rozdíl optické dráhy (OPD) odraženého světla. S odkazem na diagram paprsku výše je OPD mezi těmito dvěma vlnami následující:

Kde,

Používání Snellův zákon ,

Interference bude konstruktivní, pokud je rozdíl optická dráha je rovna celočíselnému násobku vlnové délky světla, .

Tento stav se může změnit po zvážení možných fázových posunů, ke kterým dochází při odrazu.

Monochromatický zdroj

Benzín na vodě ukazuje vzorek jasných a tmavých okrajů při osvětlení laserovým světlem 589 nm.

Tam, kde má dopadající světlo monochromatickou povahu, se interferenční obrazce projevují jako světlé a tmavé pásy. Světelné pásy odpovídají oblastem, ve kterých dochází ke konstruktivní interferenci mezi odraženými vlnami, a tmavé pásy odpovídají destruktivním interferenčním oblastem. Jak se tloušťka filmu mění z jednoho místa na druhé, interference se může změnit z konstruktivního na destruktivní. Dobrý příklad tohoto jevu, nazývaný „ Newtonovy prstence “, ukazuje interferenční obrazec, který vzniká, když se světlo odráží od sférického povrchu sousedícího s plochým povrchem. Soustředné prstence jsou pozorovány, když je povrch osvětlen monochromatickým světlem. Tento jev se používá u optických ploch k měření tvaru a rovinnosti povrchů.

Širokopásmový zdroj

Pokud je dopadající světlo širokopásmové nebo bílé, například světlo ze slunce, interferenční obrazce se zobrazují jako barevné pásy. Různé vlnové délky světla vytvářejí konstruktivní interference pro různé tloušťky filmu. Různé oblasti filmu se zobrazují v různých barvách v závislosti na místní tloušťce filmu.

Fázová interakce

Konstruktivní fázová interakce
Interakce destruktivní fáze

Obrázky ukazují dva dopadající světelné paprsky (A a B). Každý paprsek vytváří odražený paprsek (přerušovaný). Zajímavé odrazy jsou odraz paprsku A od spodního povrchu a odraz paprsku B od horního povrchu. Tyto odražené paprsky se spojí a vytvoří výsledný paprsek (C). Pokud jsou odražené paprsky ve fázi (jako na prvním obrázku), je výsledný paprsek relativně silný. Pokud mají naopak odražené paprsky opačnou fázi, je výsledný paprsek zeslaben (jako na druhém obrázku).

Fázový vztah dvou odražených paprsků závisí na vztahu mezi vlnovou délkou paprsku A ve filmu a tloušťkou filmu. Pokud paprsek celkové vzdálenosti A putuje ve filmu je celočíselný násobek vlnové délky paprsku ve filmu, pak jsou dva odražené paprsky ve fázi a konstruktivně interferují (jak je znázorněno na prvním obrázku). Pokud je vzdálenost uražená paprskem A lichým celočíselným násobkem poloviční vlnové délky světla ve filmu, paprsky destruktivně překáží (jako na druhém obrázku). Film zobrazený na těchto obrázcích se tedy odráží silněji na vlnové délce světelného paprsku na prvním obrázku a méně silně na paprsku na druhém obrázku.

Příklady

Typ interference, ke které dochází při odrazu světla od tenkého filmu, závisí na vlnové délce a úhlu dopadajícího světla, tloušťce filmu, indexech lomu materiálu na obou stranách filmu a indexu filmové médium. Různé možné konfigurace filmu a související rovnice jsou podrobněji vysvětleny v níže uvedených příkladech.

Mýdlová bublina

Interference tenkého filmu v mýdlové bublině. Barva se mění podle tloušťky filmu.
Světelný incident na mýdlovém filmu ve vzduchu

V případě mýdlové bubliny světlo cestuje vzduchem a dopadá na mýdlový film. Vzduch má index lomu 1 ( ) a film má index větší než 1 ( ). Odraz, ke kterému dochází na horní hranici filmu (hranice vzduchového filmu), způsobí fázový posun o 180 ° v odražené vlně, protože index lomu vzduchu je menší než index filmu ( ). Světlo, které je přenášeno horním rozhraním vzduch-film, bude pokračovat do spodního rozhraní film-vzduch, kde se může odrážet nebo přenášet. Odraz, ke kterému dochází na této hranici, nezmění fázi odražené vlny, protože . Podmínkou rušení mýdlové bubliny je následující:

  pro konstruktivní interference odraženého světla
  za destruktivní rušení odraženého světla

Kde je tloušťka filmu, je index lomu filmu, je úhel dopadu vlny na spodní hranici, je celé číslo a je vlnová délka světla.

Olejový film

Světelný dopad na olejový film na vodě

V případě tenkého olejového filmu leží na vrstvě vody vrstva oleje. Olej může mít index lomu blízko 1,5 a voda má index 1,33. Stejně jako v případě mýdlové bubliny mají materiály na obou stranách olejového filmu (vzduch a voda) oba indexy lomu, které jsou menší než index filmu. . Při odrazu od horní hranice dojde k fázovému posunu, protože k posunu při odrazu od dolní hranice protože . Rovnice pro interference budou stejné.

  pro konstruktivní interference odraženého světla
  za destruktivní rušení odraženého světla

Antireflexní vrstvy

Světelný dopad na antireflexní vrstvu na skle

Antireflexní vrstva eliminuje odražené světlo a maximalizuje procházející světlo v optickém systému. Film je navržen tak, že odražené světlo vytváří destruktivní rušení a procházející světlo vytváří konstruktivní rušení pro danou vlnovou délku světla. Při nejjednodušší implementaci takového povlaku je film vytvořen tak, že jeho optická tloušťka je čtvrt vlnovou délkou dopadajícího světla a jeho index lomu je větší než index vzduchu a menší než index skla.

Po odrazu na horním i dolním rozhraní filmu bude indukován fázový posun o 180 °, protože a . Rovnice pro interference odraženého světla jsou:

  pro konstruktivní rušení
  za destruktivní rušení

Pokud se optická tloušťka rovná čtvrtině vlnové délky dopadajícího světla a pokud světlo dopadá na film při normálním dopadu , odražené vlny budou zcela mimo fázi a budou destruktivně interferovat. Další snížení odrazu je možné přidáním dalších vrstev, z nichž každá je navržena tak, aby odpovídala konkrétní vlnové délce světla.

Rušení procházejícího světla je u těchto filmů zcela konstruktivní.

V přírodě

Strukturální zbarvení v důsledku tenkovrstvých vrstev je v přírodním světě běžné. Křídla mnoha hmyzu působí díky své minimální tloušťce jako tenké filmy. To je jasně vidět na křídlech mnoha much a vos. U motýlů je tenkovrstvá optika viditelná, když samotné křídlo není pokryto pigmentovanými šupinami křídel, což je případ modrých skvrn křídel motýla Aglais io . Lesklý vzhled květů pryskyřníku je také díky tenkému filmu a lesklým prsním peřím rajského ptáka .

Aplikace

Optické okno s antireflexní vrstvou . V úhlu 45 ° je povlak o něco silnější vůči dopadajícímu světlu, což způsobuje posun středové vlnové délky směrem k červené a na fialovém konci spektra se objevují odrazy. Při teplotě 0 °, pro kterou byl tento povlak navržen, nebyl pozorován téměř žádný odraz.

Tenké fólie se komerčně používají v antireflexních povlacích, zrcadlech a optických filtrech. Mohou být navrženy tak, aby řídily množství světla odraženého nebo přenášeného na povrchu pro danou vlnovou délku. Fabry-Perot etalon využívá tenkovrstvé interferenční selektivně zvolit, které vlnové délky světla jsou povoleny pro přenos přes zařízení. Tyto fólie se vytvářejí depozičními procesy, při kterých je materiál kontrolovaně přidáván k substrátu. Metody zahrnují chemické napařování a různé fyzikální techniky napařování .

Tenké filmy se nacházejí také v přírodě. Mnoho zvířat má za sítnicí vrstvu tkáně , Tapetum lucidum , která pomáhá při shromažďování světla. Účinky interference tenkých vrstev lze také pozorovat na ropných skvrnách a mýdlových bublinách. Odrazivost spektrum z tenké fólie je k dispozici rozdílné kmity a extrémy spektra mohou být použity pro výpočet tloušťky tenkých fólií.

Elipsometrie je technika, která se často používá k měření vlastností tenkých vrstev. V typickém elipsometrickém experimentu se polarizované světlo odráží od povrchu filmu a měří se detektorem. Měří se komplexní poměr odrazivosti systému. Poté byla provedena modelová analýza, ve které jsou tyto informace použity ke stanovení tloušťky filmové vrstvy a indexů lomu.

Interferometrie s duální polarizací je nově se objevující technikou pro měření indexu lomu a tloušťky tenkých vrstev molekulárního měřítka a toho, jak se tyto mění při stimulaci.

Dějiny

Temperovací barvy se vyrábějí, když se ocel zahřívá a na povrchu se vytváří tenký film oxidu železa. Barva udává teplotu, které ocel dosáhla, což z ní činilo jedno z prvních praktických použití rušení tenkých vrstev.
Duhové interferenční barvy v olejovém filmu

Iridescence způsobená interferencí tenkého filmu je v přírodě běžně pozorovaným jevem, který se vyskytuje v různých rostlinách a zvířatech. Jednu z prvních známých studií tohoto jevu provedl Robert Hooke v roce 1665. V Micrographia Hooke předpokládal, že iridescence v pavích peřích byla způsobena tenkými, střídajícími se vrstvami talíře a vzduchu. V roce 1704 Isaac Newton ve své knize Opticks uvedl , že duhovost v pávím peří byla způsobena skutečností, že průhledné vrstvy v peří byly tak tenké. V roce 1801 poskytl Thomas Young první vysvětlení konstruktivního a destruktivního rušení. Youngův příspěvek zůstal do značné míry nepovšimnut až do práce Augustina Fresnela , který pomohl založit vlnovou teorii světla v roce 1816. Iridescenci však bylo možné jen velmi málo vysvětlit až do 70. let 19. století, kdy James Maxwell a Heinrich Hertz pomohli vysvětlit elektromagnetické povaha světla . Po vynálezu interferometru Fabry-Perot v roce 1899 mohly být mechanismy interference tenkého filmu demonstrovány ve větším měřítku.

Ve velké části raných prací se vědci pokusili vysvětlit duhovost u zvířat, jako jsou pávi a skarabeři , jako nějakou formu povrchové barvy, jako je barvivo nebo pigment, které by mohly změnit světlo při odrazu z různých úhlů. V roce 1919 lord Rayleigh navrhl, aby jasné, měnící se barvy nebyly způsobeny barvivy nebo pigmenty, ale mikroskopickými strukturami, které nazval „ strukturální barvy “. V roce 1923 CW Mason poznamenal, že barbules v pávím peří byly vyrobeny z velmi tenkých vrstev. Některé z těchto vrstev byly barevné, zatímco jiné byly průhledné. Všiml si, že stisknutím barbule se barva posune směrem k modré, zatímco bobtnání chemikálií ji posune směrem k červené. Zjistil také, že bělení pigmentů z peří neodstraňuje iridescenci. To pomohlo rozptýlit teorii barev povrchu a posílit strukturální teorii barev.

V roce 1925 Ernest Merritt ve svém článku Spektrofotometrická studie určitých případů strukturální barvy poprvé popsal proces interference tenkého filmu jako vysvětlení iridescence. První zkoumání duhových peří elektronovým mikroskopem proběhlo v roce 1939 a odhalilo složité tenkovrstvé struktury, zatímco zkoumání motýla morpho v roce 1942 odhalilo extrémně malé pole tenkovrstvých struktur v nanometrovém měřítku.

K první výrobě tenkovrstvých povlaků došlo zcela náhodou. V roce 1817, Joseph Fraunhofer zjistili, že zhoršuje sklo s kyselinou dusičnou , mohl snížit odrazy na povrchu. V roce 1819, když Fraunhofer sledoval odpařování vrstvy alkoholu ze skleněné tabule, poznamenal, že barvy se objevily těsně předtím, než se kapalina úplně vypařila, a usoudil, že jakýkoli tenký film z průhledného materiálu vytvoří barvy.

V technologii tenkých vrstev bylo dosaženo malého pokroku až do roku 1936, kdy John Strong začal odpařovat fluorit , aby na skle vytvořil antireflexní povlaky. Během třicátých let 20. století vylepšení vakuových pump umožnily metody vakuového nanášení , jako je naprašování . V roce 1939 vytvořil Walter H. Geffcken první interferenční filtry pomocí dielektrických povlaků.

Viz také

Reference

Další čtení