Dünnschichtinterferenz

Dünnschichtinterferenz tritt auf, wenn Lichtwellen, die von der oberen und unteren Grenze einer dünnen Schicht reflektiert werden , miteinander interferieren . Dadurch wird die Reflexion bei bestimmten Wellenlängen verstärkt und bei anderen verringert. Trifft weißes Licht auf eine dünne Schicht, erzeugt dieser Effekt farbige Reflexionen.

Dünnschichtinterferenz erklärt die vielfältigen Farben, die im Licht von Seifenblasen und Ölfilmen auf Wasser reflektiert werden , sowie viele Farben in der Natur. Sie ist auch der Mechanismus hinter der Wirkung von Antireflexbeschichtungen auf Gläsern und Kameraobjektiven . Ist die Schichtdicke deutlich größer als die Kohärenzlänge des einfallenden Lichts, verschwindet das Interferenzmuster aufgrund der Linienbreite der Lichtquelle.

Die Reflexion eines dünnen Films besteht typischerweise nicht aus einzelnen Wellenlängen, wie sie von einem Beugungsgitter oder Prisma erzeugt werden , sondern aus einer Mischung verschiedener Wellenlängen. Daher sind die beobachteten Farben selten die des Regenbogens, sondern eher Braun-, Gold-, Türkis-, Blaugrün-, Hellblau-, Violett- und Magentatöne. Die Untersuchung des von einem dünnen Film reflektierten oder transmittierten Lichts kann Aufschluss über die Dicke des Films oder den effektiven Brechungsindex des Filmmaterials geben. Dünne Filme finden zahlreiche kommerzielle Anwendungen, unter anderem als Antireflexbeschichtungen , Spiegel und optische Filter .

In der Optik bezeichnet man als Dünnschicht eine Materialschicht mit einer Dicke im Subnanometer- bis Mikrometerbereich . Trifft Licht auf die Oberfläche einer Dünnschicht, wird es an der Oberseite entweder transmittiert oder reflektiert. Das transmittierte Licht erreicht die Unterseite und kann dort erneut transmittiert oder reflektiert werden. Die Fresnel-Gleichungen beschreiben quantitativ, wie viel Licht an einer Grenzfläche transmittiert oder reflektiert wird. Das von der Ober- und Unterseite reflektierte Licht interferiert. Der Grad der konstruktiven oder destruktiven Interferenz hängt von der Phasendifferenz der beiden Lichtwellen ab. Diese Phasendifferenz wiederum hängt von der Dicke der Dünnschicht, dem Brechungsindex der Dünnschicht und dem Einfallswinkel der ursprünglichen Welle auf die Dünnschicht ab. Zusätzlich kann bei der Reflexion an einer Grenzfläche eine Phasenverschiebung von 180° oder Radiant auftreten, abhängig von den Brechungsindizes der Materialien beidseits der Grenzfläche. Diese Phasenverschiebung tritt auf, wenn der Brechungsindex des Mediums, durch das sich das Licht ausbreitet, kleiner ist als der Brechungsindex des Materials, auf das es trifft. Mit anderen Worten: Wenn Licht von Material 1 zu Material 2 wandert, erfährt es bei der Reflexion eine Phasenverschiebung. Das durch diese Interferenz entstehende Lichtmuster kann je nach Lichtquelle entweder als helle und dunkle Streifen oder als farbige Streifen erscheinen. ${\displaystyle \pi }$${\displaystyle n_{1}<n_{2}}$

Betrachten wir Licht, das auf einen dünnen Film trifft und sowohl an der oberen als auch an der unteren Grenzfläche reflektiert wird. Die optische Weglängendifferenz (OPD) des reflektierten Lichts muss berechnet werden, um die Interferenzbedingung zu bestimmen. Gemäß dem obigen Strahlendiagramm ergibt sich die OPD zwischen den beiden Wellen wie folgt:

${\displaystyle OPD=n_{2}({\overline {AB}}+{\overline {BC}})-n_{1}({\overline {AD}})}$

Wo,

${\displaystyle {\overline {AB}}={\overline {BC}}={\frac {d}{\cos(\theta _{2})}}}$

${\displaystyle {\overline {AD}}=2d\tan(\theta _{2})\sin(\theta _{1})}$

Nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz${\displaystyle n_{1}\sin(\theta _{1})=n_{2}\sin(\theta _{2})}$

${\displaystyle {\begin{aligned}OPD&=n_{2}\left({\frac {2d}{\cos(\theta _{2})}}\right)-2d\tan(\theta _{2})n_{2}\sin(\theta _{2})\\&=2n_{2}d\left({\frac {1-\sin ^{2}(\theta _{2})}{\cos(\theta _{2})}}\right)\\&=2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})\\\end{aligned}}}$

Interferenz ist konstruktiv, wenn der optische Wegunterschied einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge des Lichts entspricht . ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle 2n_{2}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$

Dieser Zustand kann sich ändern, wenn man mögliche Phasenverschiebungen berücksichtigt, die bei der Reflexion auftreten.

Where incident light is monochromatic in nature, interference patterns appear as light and dark bands. Light bands correspond to regions at which constructive interference is occurring between the reflected waves and dark bands correspond to destructive interference regions. As the thickness of the film varies from one location to another, the interference may change from constructive to destructive. A good example of this phenomenon, termed "Newton's rings", demonstrates the interference pattern that results when light is reflected from a spherical surface adjacent to a flat surface. Concentric rings are observed when the surface is illuminated with monochromatic light. This phenomenon is used with optical flats to measure the shape and flatness of surfaces.

If the incident light is broadband, or white, such as light from the sun, interference patterns appear as colorful bands. Different wavelengths of light create constructive interference for different film thicknesses. Different regions of the film appear in different colors depending on the local film thickness.

The figures show two incident light beams (A and B). Each beam produces a reflected beam (dashed). The reflections of interest are beam A's reflection off of the lower surface and beam B's reflection off of the upper surface. These reflected beams combine to produce a resultant beam (C). If the reflected beams are in phase (as in the first figure) the resultant beam is relatively strong. If, on the other hand, the reflected beams have opposite phase, the resulting beam is attenuated (as in the second figure).

The phase relationship of the two reflected beams depends on the relationship between the wavelength of beam A in the film, and the film's thickness. If the total distance beam A travels in the film is an integer multiple of the wavelength of the beam in the film, then the two reflected beams are in phase and constructively interfere (as depicted in the first figure). If the distance traveled by beam A is an odd integer multiple of the half wavelength of light in the film, the beams destructively interfere (as in the second figure). Thus, the film shown in these figures reflects more strongly at the wavelength of the light beam in the first figure, and less strongly at that of the beam in the second figure.

The type of interference that occurs when light is reflected from a thin film is dependent upon the wavelength and angle of the incident light, the thickness of the film, the refractive indices of the material on either side of the film, and the index of the film medium. Various possible film configurations and the related equations are explained in more detail in the examples below.

Bei einer Seifenblase breitet sich Licht durch Luft aus und trifft auf einen Seifenfilm . Die Luft hat einen Brechungsindex von 1 ( ), der Film einen Brechungsindex größer als 1 ( ). Die Reflexion an der oberen Grenze des Films (der Luft-Film-Grenzfläche) bewirkt eine Phasenverschiebung von 180° in der reflektierten Welle, da der Brechungsindex der Luft kleiner ist als der des Films ( ). Licht, das an der oberen Luft-Film-Grenzfläche transmittiert wird, gelangt zur unteren Film-Luft-Grenzfläche, wo es reflektiert oder transmittiert werden kann. Die Reflexion an dieser Grenze ändert die Phase der reflektierten Welle nicht, da . Die Interferenzbedingung für eine Seifenblase lautet: ${\displaystyle n_{\rm {air}}=1}$${\displaystyle n_{\rm {film}}>1}$${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {film}}}$${\displaystyle n_{\rm {film}}>n_{\rm {air}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {film}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda }$ zur konstruktiven Interferenz des reflektierten Lichts

${\displaystyle 2n_{\rm {film}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$ zur destruktiven Interferenz von reflektiertem Licht

Hierbei ist die Filmdicke, der Brechungsindex des Films, der Einfallswinkel der Welle auf die untere Grenzfläche, eine ganze Zahl und die Wellenlänge des Lichts. ${\displaystyle d}$${\displaystyle n_{\rm {film}}}$${\displaystyle \theta _{2}}$${\displaystyle m}$${\displaystyle \lambda }$

Bei einem dünnen Ölfilm liegt eine Ölschicht auf einer Wasserschicht. Das Öl hat einen Brechungsindex von etwa 1,5, das Wasser einen von 1,33. Wie bei einer Seifenblase haben die Materialien auf beiden Seiten des Ölfilms (Luft und Wasser) Brechungsindizes, die kleiner sind als der des Films. Bei der Reflexion an der oberen Grenzfläche tritt eine Phasenverschiebung auf, bei der Reflexion an der unteren Grenzfläche jedoch keine . Die Interferenzgleichungen bleiben unverändert. ${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {water}}<n_{\rm {oil}}}$${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {oil}}}$${\displaystyle n_{\rm {oil}}>n_{\rm {water}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {oil}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda }$ zur konstruktiven Interferenz des reflektierten Lichts

${\displaystyle 2n_{\rm {oil}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$ zur destruktiven Interferenz von reflektiertem Licht

Eine Antireflexionsbeschichtung eliminiert reflektiertes Licht und maximiert die Lichtdurchlässigkeit in einem optischen System. Die Beschichtung ist so konzipiert, dass reflektiertes Licht destruktive und durchgelassenes Licht konstruktive Interferenz für eine gegebene Wellenlänge erzeugt. In der einfachsten Ausführung einer solchen Beschichtung ist die optische Dicke der Beschichtung ein Viertel der Wellenlänge des einfallenden Lichts, und ihr Brechungsindex ist größer als der von Luft, aber kleiner als der von Glas. ${\displaystyle dn_{\rm {coating}}}$

${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {coating}}<n_{\rm {glass}}}$

${\displaystyle d=\lambda /(4n_{\rm {coating}})}$

Bei der Reflexion an der Ober- und Unterseite des Films entsteht eine Phasenverschiebung von 180°, da und . Die Gleichungen für die Interferenz des reflektierten Lichts lauten: ${\displaystyle n_{\rm {air}}<n_{\rm {coating}}}$${\displaystyle n_{\rm {coating}}<n_{\rm {glass}}}$

${\displaystyle 2n_{\rm {coating}}d\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$ für konstruktives Eingreifen

${\displaystyle 2n_{\rm {coating}}d\cos(\theta _{2})=\left(m-{\frac {1}{2}}\right)\lambda }$ für destruktive Interferenz

Wenn die optische Dicke einer Viertelwellenlänge des einfallenden Lichts entspricht und das Licht senkrecht auf den Film trifft , sind die reflektierten Wellen vollständig phasenverschoben und interferieren destruktiv. Eine weitere Reduzierung der Reflexion ist durch das Hinzufügen weiterer Schichten möglich, die jeweils auf eine bestimmte Wellenlänge des Lichts abgestimmt sind. ${\displaystyle dn_{\rm {coating}}}$${\displaystyle (\theta _{2}=0)}$

Die Interferenz des durchgelassenen Lichts ist bei diesen Filmen vollständig konstruktiv.

Strukturelle Färbungen durch dünne Farbschichten sind in der Natur weit verbreitet. Die Flügel vieler Insekten wirken aufgrund ihrer geringen Dicke wie dünne Schichten. Dies ist deutlich an den Flügeln vieler Fliegen und Wespen zu erkennen. Bei Schmetterlingen werden die optischen Effekte dünner Schichten sichtbar, wenn der Flügel selbst nicht von pigmentierten Flügelschuppen bedeckt ist, wie beispielsweise bei den blauen Flügelflecken des Aglais io- Schmetterlings. ^{[ 1 ] Auch der Glanz von Hahnenfußblüten [ 2 ] [ 3 ]} sowie die glänzenden Brustfedern des Paradiesvogels ^{[ 4 ]} beruhen auf einer dünnen Schicht .

• 
  Die blauen Flügelflecken des Europäischen Pfauenauges ( Aglais io ) entstehen durch Dünnschichtinterferenz. ^{[ 1 ]}
• 
  Der Glanz von Hahnenfußblüten beruht auf Dünnschichtinterferenz. ^{[ 2 ]}

Dünnschichten werden kommerziell in Antireflexbeschichtungen, Spiegeln und optischen Filtern eingesetzt. Sie lassen sich so gestalten, dass die Menge des an einer Oberfläche reflektierten oder transmittierten Lichts für eine bestimmte Wellenlänge gezielt gesteuert werden kann. Ein Fabry-Pérot-Etalon nutzt die Interferenz dünner Schichten, um selektiv auszuwählen, welche Wellenlängen des Lichts das Bauelement durchlassen. Diese Schichten werden durch Abscheidungsprozesse hergestellt, bei denen Material kontrolliert auf ein Substrat aufgebracht wird. Zu den Verfahren gehören die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und verschiedene physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD).

Dünne Schichten kommen auch in der Natur vor. Viele Tiere besitzen hinter der Netzhaut eine Gewebeschicht , das Tapetum lucidum , das die Lichtabsorption unterstützt. Die Effekte der Dünnschichtinterferenz lassen sich auch bei Ölfilmen und Seifenblasen beobachten. Das Reflexionsspektrum einer dünnen Schicht weist deutliche Oszillationen auf, und anhand der Extrema des Spektrums kann die Dicke der dünnen Schicht berechnet werden. ^{[ 1 ]}

Die Ellipsometrie ist eine häufig angewandte Technik zur Messung der Eigenschaften dünner Schichten. In einem typischen Ellipsometrie-Experiment wird polarisiertes Licht von einer Schichtoberfläche reflektiert und von einem Detektor erfasst. Das komplexe Reflexionsverhältnis des Systems wird gemessen. Anschließend wird eine Modellanalyse durchgeführt, in der die gewonnenen Informationen zur Bestimmung der Schichtdicken und Brechungsindizes verwendet werden. ${\displaystyle \rho }$

Die Dualpolarisationsinterferometrie ist eine aufstrebende Technik zur Messung des Brechungsindex und der Dicke dünner Filme im molekularen Bereich sowie zur Untersuchung ihrer Veränderung bei Anregung.

Irisierendes Licht, hervorgerufen durch Interferenz dünner Schichten, ist ein häufig beobachtetes Naturphänomen, das bei einer Vielzahl von Pflanzen und Tieren auftritt. Eine der ersten bekannten Untersuchungen dieses Phänomens wurde 1665 von Robert Hooke durchgeführt. In seiner „Micrographia“ postulierte Hooke, dass das Irisieren von Pfauenfedern durch dünne, abwechselnde Schichten aus Metall und Luft verursacht wird. 1704 erklärte Isaac Newton in seinem Buch „ Opticks“ , dass das Irisieren einer Pfauenfeder auf die extreme Dünne der transparenten Schichten in der Feder zurückzuführen sei. ^{[ 5 ]} 1801 lieferte Thomas Young die erste Erklärung für konstruktive und destruktive Interferenz. Youngs Beitrag blieb weitgehend unbeachtet, bis Augustin Fresnel 1816 mit seiner Arbeit zur Wellentheorie des Lichts beitrug. ^{[ 6 ]} Dennoch ließ sich das Irisieren bis in die 1870er-Jahre kaum erklären, bis James Maxwell und Heinrich Hertz zur Aufklärung der elektromagnetischen Natur des Lichts beitrugen . ^{[ 5 ]} Nach der Erfindung des Fabry-Perot-Interferometers im Jahr 1899 konnten die Mechanismen der Dünnschichtinterferenz in größerem Maßstab demonstriert werden. ^{[ 6 ]}

In vielen frühen Arbeiten versuchten Wissenschaftler, die Irisierung von Tieren wie Pfauen und Blatthornkäfern durch eine Art Oberflächenfarbe zu erklären, etwa durch einen Farbstoff oder ein Pigment, das das Licht bei unterschiedlichen Reflexionswinkeln verändert. 1919 schlug Lord Rayleigh vor, dass die leuchtenden, wechselnden Farben nicht durch Farbstoffe oder Pigmente, sondern durch mikroskopische Strukturen, die er als „ Strukturfarben “ bezeichnete, verursacht würden. ^{[ 5 ]} 1923 stellte C. W. Mason fest, dass die Federstrahlen in der Pfauenfeder aus sehr dünnen Schichten bestehen. Einige dieser Schichten sind gefärbt, andere transparent. Er beobachtete, dass sich die Farbe durch Drücken der Federstrahlen ins Blaue verschob, während das Aufquellen mit einer Chemikalie sie ins Rote verschob. Außerdem fand er heraus, dass das Bleichen der Pigmente aus den Federn die Irisierung nicht aufhob. Dies trug dazu bei, die Oberflächenfarbentheorie zu widerlegen und die Strukturfarbentheorie zu bestärken. ^{[ 7 ]}

1925 beschrieb Ernest Merritt in seiner Arbeit „A Spectrophotometric Study of Certain Cases of Structural Color“ erstmals die Dünnschichtinterferenz als Erklärung für die Irisierung. Die erste Untersuchung irisierender Federn mit einem Elektronenmikroskop erfolgte 1939 und enthüllte komplexe Dünnschichtstrukturen, während eine Untersuchung des Morphofalters im Jahr 1942 eine extrem kleine Anordnung von Dünnschichtstrukturen im Nanometerbereich aufdeckte. ^{[ 5 ]}

Die erste Herstellung von Dünnschichtbeschichtungen erfolgte eher zufällig. 1817 entdeckte Joseph Fraunhofer , dass er durch Anlaufen von Glas mit Salpetersäure die Reflexionen auf der Oberfläche verringern konnte. 1819 beobachtete Fraunhofer das Verdunsten einer Alkoholschicht von einer Glasscheibe und stellte fest, dass kurz vor der vollständigen Verdunstung der Flüssigkeit Farben auftraten. Daraus schloss er, dass jede dünne Schicht aus transparentem Material Farben erzeugen würde. ^{[ 6 ]}

Bis 1936 wurden in der Dünnschichtbeschichtungstechnologie nur geringe Fortschritte erzielt. In diesem Jahr begann John Strong, Fluorit zu verdampfen , um Antireflexionsbeschichtungen auf Glas herzustellen. In den 1930er Jahren ermöglichten Verbesserungen an Vakuumpumpen Vakuumbeschichtungsverfahren wie das Sputtern . 1939 entwickelte Walter H. Geffcken die ersten Interferenzfilter mit dielektrischen Beschichtungen. ^{[ 6 ]}

• Reflektometrische Interferenzspektroskopie
• Dünnschichtoptik
• Transfermatrixmethode (Optik)

• Fowles, Grant R. (1989), „Mehrstrahlinterferenz“, Einführung in die moderne Optik , Dover
• Greivenkamp, ​​John (1995), „Interferenz“, Handbuch der Optik , McGraw–Hill
• Hecht, Eugene (2002), „Interferenz“, Optik , Addison Wesley
• Knittl, Zdeněk (1976), Optik dünner Schichten; Eine optische Mehrschichttheorie , Wiley, Bibcode : 1976otf..book.....K
• DG Stavenga, Dünnschicht- und Mehrschichtoptiken verursachen Strukturfarben bei vielen Insekten und Vögeln Materials today: Proceedings, 1S, 109 – 121 (2014).