I rivestimenti in film sottile hanno trovato applicazioni in specchi, microscopia, fotocatalisi, fotovoltaico, celle solari, interruttori, lenti, microelettronica, ecc. I film sottili ottici implicano l’interazione della radiazione elettromagnetica, a diverse lunghezze d’onda, con uno strato funzionale depositato.
Perché un film sottile possa essere utilizzato in ottica, il suo spessore deve rientrare in un intervallo ben definito, che di solito va da decine a poche centinaia di nm. La composizione dei film sottili ottici può variare ampiamente, a seconda dell’applicazione specifica, spaziando da film metallici a ossidi e anche ceramiche non ossidate.
Un’applicazione diffusa dei film sottili ottici è nel campo della gestione della luce in dispositivi che operano nell’intervallo di lunghezze d’onda visibili, come specchi, lenti, ecc. In questo caso, il ruolo del film sottile è quello di alterare la riflessione, la trasmissione e la rifrazione della luce rispetto al comportamento del substrato nudo. È difficile vedere un componente ottico in cui la legge di riflessione e la legge di rifrazione siano rispettate come desiderato, e pertanto è necessario apportare gli opportuni aggiustamenti al sistema ottico principalmente attraverso una scelta appropriata di un rivestimento ottico. Di solito, questo rivestimento viene ottenuto mediante un processo di deposizione sotto 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 aria e vetro. Questo rivestimento antiriflesso si ottiene mediante un rivestimento costituito da una sequenza appropriata di strati dielettrici, con spessore ben definito. Riduce l’abbagliamento e previene anche il riverbero associato all’uso di lenti non rivestite in applicazioni come occhiali, binocoli, telescopi, fotocamere, ecc.
Come è noto, i materiali possono essere classificati in base alla loro capacità di riflettere, trasmettere e rifrangere la luce: qualunque sia la loro natura esatta, tutti i materiali possono potenzialmente trovare interessanti applicazioni 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 nocive in specifici intervalli di lunghezza d’onda, preservando al contempo la possibilità di vedere attraverso. Un’applicazione interessante in questo campo è l’uso dell’oro come barriera semitrasparente, che può bloccare la radiazione termica IR, in occhiali protettivi, finestre di edifici, finestrini di aerei, ecc.
A sua volta, quando lo spessore dello strato metallico è maggiore, cioè alcune centinaia di nm, i film sottili risultanti possono fungere da specchi. Ad esempio, alluminio e argento vengono utilizzati per fabbricare specchi domestici, nonché specchi di alta gamma utilizzati nei telescopi astronomici. L’argento è generalmente preferito quando si desidera una riflettanza più elevata nella porzione visibile dello spettro, mentre l’alluminio è la scelta migliore quando è di interesse la banda ultravioletta. Va notato anche che l’argento è meno resistente all’ambiente rispetto all’alluminio, pertanto deve essere protetto con un rivestimento ceramico aggiuntivo, 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 il filtraggio e la correzione del colore. Un esempio è il rivestimento di una lampada a filamento, lampada alogena a inondazione, ecc. In questo caso, la combinazione dell’indice di rifrazione del materiale e dello spessore del film sottile determina le proprietà di quello che viene chiamato filtro dicroico. Tali rivestimenti ottici possono anche essere utilizzati per generare colori diversi attraverso l’inclinazione, variando l’angolo di incidenza della luce; questo processo è stato utilizzato in applicazioni decorative e persino nella prevenzione della contraffazione, ad esempio per rilevare banconote false. Anche i rivestimenti trasparenti elettricamente conduttivi possono essere: un esempio di strato conduttivo trasparente è l’ossido di indio-stagno (ITO). I rivestimenti conduttivi trasparenti vengono utilizzati per fornire energia a dispositivi come display LCD/OLED, per riscaldare una superficie trasparente per evitare appannamento e formazione di ghiaccio, ecc.
Un’altra interessante applicazione dei film sottili in ottica è in biologia: grazie a un fenomeno noto come “risonanza plasmonica di superficie”, la presenza di proteine e agenti patogeni può essere rilevata con elevata sensibilità , e molte sostanze di grande interesse per gli scienziati possono essere studiate con elevata precisione.
Altre applicazioni dei film sottili in ottica includono: film anticorrosivi, film superconduttori, filtri a banda, filtri a interferenza, polarizzatori, rivestimenti duri, ecc.
| Tipo di metallo | Applicazione in ottica |
|---|---|
| Rame | Film trasparenti |
| Argento | Guide ottiche a film sottile |
| Vanadio | Interruttori ottici |
| Oro | Produzione di plasmoni |
| Tungsteno | Fotocatalisi |
| Alluminio | Microelettronica |
Altri esempi di film sottili utilizzati in ottica
- Ossido di zinco (ZnO)
Il film sottile di ZnO ha un’elevata conduttività elettrica, che può anche essere migliorata attraverso il drogaggio con gallio (Ga) o alluminio (Al). I film sottili di ZnO drogati vengono utilizzati nella fabbricazione di transistor a film sottile. Il film sottile di ZnO ha una trasmittanza media della luce visibile compresa tra il 78 e l’81%.
- Solfuro di antimonio (Sb2S3)
I film di solfuro di antimonio hanno applicazioni in dispositivi optoelettronici e in celle solari fotovoltaiche. Questo film metallico può essere prodotto con diversi metodi come la deposizione fisica da vapore (PVD); pirolisi spray, sputtering, ablazione laser, deposizione chimica da vapore (CVD); tecniche di spin, evaporazione termica, ecc. Il drogaggio del solfuro di antimonio con palladio aiuta ad aumentare l’applicazione dei film sottili di solfuro di antimonio.
- Seleniuro di piombo (PbSe)
Il seleniuro di piombo viene utilizzato in rivelatori IR, laser, assorbitore fotovoltaico, semiconduttori, ecc. I film sottili di seleniuro di piombo possono essere prodotti mediante deposizione chimica da vapore (CVD).
- Solfuro di cadmio (CdS)
I film sottili di solfuro di cadmio sono stati utilizzati in dispositivi elettronici, fotorivelatori, celle solari perché hanno un band gap completo. I film sottili di solfuro di cadmio possono essere preparati mediante deposizione per pirolisi a diverse temperature, dopo di che viene effettuata la ricottura. Questi film vengono quindi utilizzati nelle celle solari come finestre ottiche.
Metodi di produzione dei film sottili
L’ottica dei film sottili comporta l’applicazione della luce. I film sottili vengono fabbricati mediante il processo chiamato deposizione di film sottili su una superficie nota come substrato. La tecnologia particolare utilizzata e i parametri di deposizione determinano lo spessore del film e anche la sua qualità e idoneità per uno scopo specifico. La classificazione generale dei metodi di deposizione di film sottili utilizzati nell’applicazione ottica fornisce due categorie di metodi:
- Metodi di deposizione fisica da vapore.
- Metodi di deposizione chimica da vapore.
- Il metodo di deposizione fisica include: sputtering, evaporazione (termica, fascio di elettroni), placcatura ionica ed evaporazione reattiva attivata. I film sottili prodotti con metodi di deposizione fisica hanno generalmente una qualità inferiore, a causa della presenza di una varietà di difetti, e una minore copertura dei gradini. Il metodo di deposizione fisica presenta un piccolo rischio di processo, soprattutto per quanto riguarda la deposizione di metalli. Esempi di film sottili metallici con diversi metodi di deposizione includono: ZnS, ZnSe e CdS (deposizione per sputtering), PbS, Cu2S, CoS, Bi2S3 e Ni4S3 (elettrodeposizione), CuS, ZnS e CdSe (pirolisi spray).
I film sottili prodotti con il metodo di deposizione chimica da vapore possono essere di qualità superiore e di spessore uniforme, con elevata capacità di copertura dei gradini. Alcuni metodi di deposizione chimica da vapore sono: pirolisi spray, elettrodeposizione, anodizzazione, crescita in soluzione, ecc.
Conclusioni
I film sottili vengono utilizzati in molti campi diversi: le applicazioni ottiche sono un’importante classe di applicazioni, in cui eccellono per efficacia, scalabilità e aumento del valore del prodotto. Possono essere utilizzati per fabbricare filtri, specchi, rivestimenti antiriflesso, ecc. che vengono convenientemente applicati in molti campi industriali diversi come automotive, biomedicale, optoelettronica, ecc.