Il Ruolo Dei Film Sottili in Campo Ottico

I rivestimenti a film sottile trovano applicazione in specchi, microscopi, fotocatalisi, fotovoltaico, celle solari, interruttori, lenti ottiche, microelettronica, ecc. I film sottili ottici implicano l'interazione della radiazione elettromagnetica, a diverse lunghezze d'onda, con uno strato funzionale depositato.

Un film sottile da utilizzare in campo ottico deve avere uno spessore compreso in un intervallo ben definito, che di solito si estende da decine a poche centinaia di nanometri. La composizione dei film sottili ottici può variare ampiamente, a seconda dell'applicazione specifica, che va dalle pellicole metalliche, alle ceramiche di ossido e non ossido.

Un'applicazione diffusa di pellicole ottiche sottili la troviamo nel campo della gestione della luce in dispositivi che operano nell'intervallo di lunghezze d'onda visibili, come specchi, obiettivi, ecc. In questo caso, il ruolo dei film sottili è quello di alterare il riflesso, la trasmissione e rifrazione della luce rispetto al comportamento del substrato nudo. In un componente ottico difficilmente la legge della riflessione e la legge della rifrazione vengono rispettate, perciò devono essere apportati i necessari aggiustamenti sul sistema ottico operando una scelta appropriata sul rivestimento ottico da applicare. Solitamente, questo rivestimento, è ottenuto mediante un processo di deposizione in vuoto, in cui una sequenza appropriata di sostanze viene condensata sulla superficie del substrato, mediante un'ampia gamma di tecnologie PVD.

Ad esempio, le lenti sono spesso trattate con rivestimenti antiriflesso per ridurre la quantità di luce riflessa dall'interfaccia tra l'aria e il vetro. Questo rivestimento antiriflesso è ottenuto da un rivestimento costituito da una sequenza appropriata di strati dielettrici, con uno spessore ben definito. Riduce l'abbagliamento e impedisce anche i riflessi associati all'uso di lenti non rivestite in applicazioni quali occhiali, binocoli, telescopi, macchine fotografiche, ecc.

Come è noto, i materiali possono essere classificati in base alla loro capacità di riflettere, trasmettere e rifrangersi: qualunque sia la loro natura esatta, tutti i materiali possono potenzialmente trovare applicazioni interessanti come rivestimenti funzionali ottici.

Ad esempio, quando i materiali metallici vengono depositati a bassi spessori, sono parzialmente trasparenti e possono essere utilizzati come strati protettivi contro radiazioni dannose in intervalli specifici di lunghezza d'onda, pur preservando la possibilità di vedere attraverso. Un'applicazione interessante in questo campo è l'uso dell'oro come barriera semitrasparente, che può bloccare le radiazioni IR termiche, in occhiali protettivi, finestre di edifici, finestre di aeroplani, ecc.

A sua volta, quando lo spessore dello strato metallico è più grosso, cioè alcune centinaia di nanometri, i film sottili risultanti possono agire come specchi. Ad esempio, l'alluminio e l'argento sono usati per fabbricare specchi domestici e specchi di alta gamma usati nei telescopi astronomici. L'argento è preferibile quando si desidera una maggiore riflettanza nella porzione visibile dello spettro, mentre l'alluminio è la scelta migliore quando prendiamo in considerazione la banda ultravioletta. Va notato inoltre che l'argento è meno resistente all'ambiente dell'alluminio, pertanto deve essere protetto con un rivestimento ceramico aggiuntivo, il che si traduce in una combinazione intelligente di materiali funzionali con scopi diversi.

Anche i materiali ceramici trovano utile applicazione, sotto forma di film sottili, in molti dispositivi ottici. Possono essere utilizzati, ad esempio, per filtrare e correggere i colori. Un esempio è il rivestimento di una lampada a filamento, una lampada alogena, ecc. In questo caso, la combinazione dell'indice di rifrazione del materiale e lo spessore del film sottile determinano le proprietà di quello che viene chiamato un filtro dicroico. Tali rivestimenti ottici possono anche essere usati per generare colori diversi attraverso l'inclinazione variando l'angolo di incidenza della luce; questo processo è stato utilizzato per applicazioni decorative e persino nella prevenzione della contraffazione, ad es. per rilevare banconote false (denaro). Possono essere anche rivestimenti trasparenti elettricamente conduttivi: un esempio di uno strato conduttivo trasparente è l'ossido di indio-stagno (ITO). I rivestimenti conduttivi trasparenti vengono utilizzati per fornire energia ai dispositivi come display LCD / OLED, per riscaldare una superficie trasparente per evitare l'appannamento e la formazione di ghiaccio, ecc.

Un'altra interessante applicazione di film sottili in campo ottico è in biologia: a causa di un fenomeno noto come "risonanza plasmonica di superficie", la presenza di proteine ​​e patogeni può essere rilevata con elevata sensibilità e molte sostanze di grande interesse per gli scienziati possono essere studiate con elevata precisione.

Altre applicazioni del film sottile in ottica includono; film anticorrosivi, film superconduttori, filtri a banda, filtri interferenziali, polarizzatori, rivestimento rigidi (hard-coatings), ecc.

Esempi di metalli utilizzati in campo ottico

Altri esempi di film sottili utilizzati nel settore ottico

• Ossido di zinco (ZnO)
  Il film sottile ZnO ha un'elevata conduttività elettrica, che può anche essere migliorata attraverso il doping con gallio (Ga) o alluminio (Al). I film sottili Doped ZnO sono utilizzati nella produzione di transistor a film sottile. Il film sottile ZnO ha una media tra il 78-81% di trasmittanza della luce visibile.
   
• Solfuro di antimonio (Sb2S3)
  Le pellicole di solfuro di antimonio trovano applicazione nei dispositivi optoelettronici e nei dispositivi fotovoltaici a celle solari. Questo film di metallo può essere prodotto con diversi metodi come la deposizione fisica in fase di vapore (PVD); spray pirolisi, sputtering, ablazione laser, deposizione chimica in fase vapore (CVD); tecniche di centrifugazione, evaporazione termica, ecc. Il solfuro di antimonio se unito al palladio aumenta le possibilità di applicazione di questi film sottili in campo ottico.
   
• Lead Selenide (PbSe)
  Il seleniuro di piombo viene utilizzato in rivelatori IR, laser, assorbitori fotovoltaici, semiconduttori, ecc. I film sottili di seleniuro di piombo possono essere prodotti mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD).
   
• Cadmio solfuro (CdS)
  I film sottili di solfuro di cadmio vengono utilizzati nei dispositivi elettronici, nei fotorivelatori, nelle celle solari perché hanno una banda passante piena. I film sottili di solfuro di cadmio possono essere preparati mediante deposizione di pirolisi a diverse temperature dopo di che viene effettuata la ricottura. Questi film vengono quindi utilizzati nelle celle solari come finestre ottiche.

Metodi di deposizione dei film sottili

I film sottili sono prodotti con il processo chiamato deposizione di film sottile su una superficie nota come substrato. La particolare tecnologia utilizzata e i parametri di deposizione determinano lo spessore del film e anche la sua qualità e adeguatezza per uno scopo specifico. La classificazione generale dei metodi di deposizione di film sottili utilizzati in campo ottico ci fornisce due categorie di metodi:

• Metodi di deposizione fisica in fase vapore.
• Metodi di deposizione chimica in fase vapore.
• Il metodo di deposizione fisica include: sputtering, evaporazione (termica, fascio di elettroni), ionizzazione e evaporazione reattiva attivata. I film sottili prodotti con metodi di deposizione fisica di solito hanno una qualità inferiore, a causa della presenza di una varietà di difetti e di una copertura inferiore. Il metodo di deposizione fisica presenta un piccolo rischio di processo, specialmente per quanto riguarda la deposizione di metallo. Esempi di film sottili metallici con differenti metodi di deposizione includono: ZnS, ZnSe e CdS (deposizione di polverizzazione), PbS, Cu2S, CoS, Bi2S3 e Ni4S3 (posizione dell'elettrodo), CuS, ZnS e CdSe (pirolisi a spruzzo).

I film sottili prodotti con il metodo di deposizione chimica in fase vapore risultano di qualità superiore e persino spessore maggiore, con un'elevata capacità di copertura del passo. Alcuni metodi di deposizione chimica del vapore sono: pirolisi spray, elettrodeposizione, anodizzazione, solution growth, ecc.

Conclusioni

I film sottili vengono utilizzati in molti campi diversi: le applicazioni ottiche sono un'importante settore di applicazione, dove eccellono per efficacia, scalabilità e aumento del valore del prodotto. Possono essere utilizzati per la fabbricazione di filtri, specchi, rivestimenti antiriflesso, ecc. che sono convenientemente applicati in molti campi industriali diversi come industria automobilistica, biomedicale, optoelettronica, ecc.