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为什么PVD涂层可以沉积不同的颜色

来源: 时间:2019-04-29 17:09:06 次数:

我们看到一个物体,首先感到是它的颜色。物质的颜色是由人眼视觉看得到的。如果在没有光线的密闭的暗室中,或在漆黑的夜里,物体的颜色是看不见的。只有在光照下,物质的颜色才能为肉眼所见,所以我们说颜色是光和眼睛相互作用而产生的。事实上,颜色是大脑对投射在视网膜上不同性质光线进行辨认的结果。

为什么PVD涂层可以沉积不同的颜色

一. 颜色的基本概念。

我们看到一个物体,首先感到是它的颜色。物质的颜色是由人眼视觉看得到的。如果在没有光线的密闭的暗室中,或在漆黑的夜里,物体的颜色是看不见的。只有在光照下,物质的颜色才能为肉眼所见,所以我们说颜色是光和眼睛相互作用而产生的。事实上,颜色是大脑对投射在视网膜上不同性质光线进行辨认的结果。

光源本身发出的颜色我们称光源色。我们通常观察到的物质颜色称为物体色。物体色的产生首先是由物体的本质,即物体本身的内部结构所决定,其次,物体色的产生离不开光照。光照射到物体表面上,一部分光被物体表面反射,一部分进入物体中,进行折射。进入物体表面的光是由于物体对入射光的波长能进行吸收的结果。剩下的一部分光透过物体向外射出,即我们通常所说的透射光。最后,物体的颜色是由人眼的视觉得到。

二、光源与颜色

对于光,我们并不感到陌生,因为我们每天都生活在光的世界中,各种不发光物体鲜艳夺目的颜色,只有在足够的光线照射下,才能为人们看见,一切发光的物体都可以成为光源,而太阳是巨大的天然光源,也是人类唯一的白昼光光源。实际上白昼光光源是直射和天空中反射光组成的自然光,也叫阴天光。

我们知道,在真空中或者在均匀的介质中,光是沿直线传播的,如果光线照在水里,则会发生光的折射。人们在河边洗衣服时,当阳光照在肥皂泡沫上或者照在河面上的污油层时,就会看到彩虹似的颜色,从车床上切削下来的铁屑,也往往会在阳光照射下泛起一层美丽的蓝色,这都是光的干涉现象。在夏日雨后,天空中有时会横贯一条光彩夺目的彩虹,这是由于下雨后,天空中仍悬浮着无数极小的水滴,太阳光沿着一定的角度射入这些水珠时,就会引起两次折射和一次全反射,从水滴射出来的光就发散成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色光。当我们背着太阳朝这些水珠看去,就会看到一条圆弧形的彩色光带。太阳光经过两次折射而发散成各种色光的现象叫光的色散。

随着科技的发展,人们逐步认识到,光是一种可以引起视觉的电磁波,在整个电磁波谱中,只有很窄的一部分人眼能看到,光的波长不同,会引起不同的视觉。而我们看到物质呈某种颜色,可以是单色光,也可以是几种单色光以不同比例的混合光。

三、    颜色的产生。

可见光的范围大约是400-800nm。如将波长为400-800nm的光按适当的比例均匀的混合后,照到眼睛的视网膜上,则产生白色的光感。但物质为什么会显示不同的颜色呢?第一个揭示颜色秘密的是英国科学家牛顿。他用一块三棱镜,将太阳光经过两次折射,第一次成功地将其分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的色带。牛顿不仅将白光分解成可见光谱,他后来又设法用透镜将这7种光聚到一起,又还原为白色光,他的实验,揭示了白光是由许多不同颜色,不同波长或不同频率的色光组成的混合光。现我们已清楚的认识到,颜色只是不同波长的光线,照射在人眼的视网膜上,然后给大脑的一种感觉,我们将这种感觉称为色觉,为了过一步了解可见光谱和各种颜色,我们将可见光谱分成9个宽阔而又容易相互区别的区域,它们可以用颜色环来描述。(如图)


颜色环周围所注的波长与环中每一扇形的光颜色是对应的,从图中可以看出,每块扇形的对顶处都有另一块扇形。我们将颜色环上全部有色光以正确比例混合,可以得到白光,事实上,也可以由颜色环上任何两个对顶位置扇形中的单色光混合而得到。这一对颜色,互称为补色,如蓝色(435-480nm的扇形)的补色为黄色(580-595nm),即蓝光和黄光混合得到的是白光。这种两种或多种其它色光混合而得到另一色光,我们称之为加色混合,颜色环上任何一种有色光,都可以用相邻两侧的两种单色光混合而复制,例如黄光加红光混合得到橙光。自然界中很少有纯光谱色或加色混合颜色,我们周围接触到的绝大多数颜色,与上述情况不同,它们是通过减色混合产生的。什么是减色混合呢?


观察到

的颜色

吸收光

波长(nm

颜色

黄绿

400-450

450-480

480-490

490-500

蓝绿

紫红

500-560

绿

560-580

黄绿

580-600

600-650

蓝绿

650-750


我们已知道,一对互补色的光混合后,给人一白色的光感,那么如果从白色中除去了某一种波长,则剩余的那一部分光的颜色完全可以被眼睛观察到。如日光通过一个滤光片,除去了波长495nm的光线(蓝绿光),眼睛感受到的是蓝绿色的补色,也就是红色。相反如滤光片滤掉了红色,则人们感受到的是蓝绿色。这种从白光除去某一部分光线,而形成彩色的过程,即为减色混合。减色混合的原理,在摄影技术中应用很普遍,如拍摄风景照片时,人们喜欢蓝天中的白云,但拍出的照片往往失去了原来的风采,原因是照相机不同人的眼睛,它没有色觉,不能感觉景物的颜色,只能感觉到景物光线的强弱。白天和蓝天的颜色虽然不同,光的成份不同,但白天和蓝天都含有感光能力强的蓝光和绿光,差的只是红橙等感光能力差的光,所以它们反差很小,自然效果不好,如在拍摄时,给相机镜头上加一块橙黄色的滤光片,效果就很好,这是因为橙黄色是近似蓝天的补色,来自天空的蓝光经滤光片,大部分被吸收,但从白云发出的白光中黄色光却可以通过,这加大了光的反差,照片效果自然很好。常见的染料、颜料及其它一些有色物的分子,可以从日光中有选择地除去某种波长的光,所以它们的发色往往都是由于减色混合所引起的。具体对应关系,大家可以从下面表格了解清楚。

用加色混合原理,我们很容易理解白光的产生,而用减色混原理,能很容易理解黑色的产生,因为向混合物中加入愈来愈多的能吸收可见光的分子时,使入射光被吸收的范围和数量都增加,直到最后,几乎完全被吸收,此时物质呈黑色。

总之,物质颜色的产生,是光和物质相互作用的结果,这种结果作用于人眼视网膜上而反映于大脑里留下来的一种感觉。物质颜色的产生,离不开光源,被照射物体,以及可感觉色的眼睛和头脑。这三点被称为彩色产生的三要素,缺一不可。

四、    PVD装饰镀层颜色

一般的金属靶材在可见光的范围内(380-780nm显示出高的反射率,呈现银白色,但有些有色金属,例如,金和铜,在特定的波长范围内具有选择性的吸收,这样就出现特殊的色彩。金在波长470nm附近的光线下,由于电子跃迁而产生选择性的吸收,因而呈现出特有的金黄色。在实际镀膜中,人们常常用靶材加气体形成金属化合物的方法来调试各种颜色,各种金属化合物对于光谱的反射率曲线形式不一样,如下图有金、银、铝、铁和TiN的反射率曲线,由图可见,TiN的反射率曲线和黄金的较为相似,因而它们颜色与比较相近。黑色系列如TiC和CrC由于具有低的反射率,膜层吸收了大部波长的可见光,所以我们看上去是黑色的。


另外装饰膜中我们还常常利用到光的另外一种特性,干涉性.如蓝色,紫色,都涉及到这方面的特性.当氧气量达到一定程度后,膜层的颜色越膜层厚度变化而发生变化.大至如下表

氧化钛膜厚

0.400μ

0.43μm

0.47μ

0.53μ

0.58μ

颜色

紫色

浅蓝色

蓝色

绿色

黄色


当然也有其它膜层可以达到这种干涉效果如氮化硅,氧化硅都可以,详见下表:

级别

颜色

SiO2厚度范围
(埃)

Si3N4厚度范围
(埃)

硅本色

0-270

0-200

棕色

270-530

200-400

金褐色

530-730

400-500

红色

730-970

550-730

深蓝色

970-1000

730-770

第一周期

蓝色

1000-1200

770-930

灰蓝色

1200-1300

930-1000

深灰蓝色

1300-1500

1000-1100

硅本色

1500-1600

1100-1200

浅黄色

1600-1700

1200-1300

黄色

1700-2000

1300-1500

桔红色

2000-2400

1500-1800

红色

2400-2500

1800-1900

暗红色

2500-2800

1900-2100

第二周期

蓝色

2800-3100

2100-2300

蓝绿色

3100-3300

2300-2500

浅绿色

3300-3700

2500-2800

桔黄色

3700-4000

2800-3000

红色

4000-4400

3000-3300


从上表可以看出,理论上我可以通过薄膜的干涉效果镀出很多种颜色。

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