Das Fotonexus-Wiki befindet sich im Testbetrieb.

---

Aus Fotonexus.

[[Hilfe:Cache|Fehler beim Thumbnail-Erstellen]]: convert: unable to open image `/var/www/fotonexus/w/images/c/ca/Wikipedia_lexikon3e.jpg': No such file or directory.

Dieses Dokument entstammt in seiner ersten oder einer späteren Version der deutschsprachigen Wikipedia. Es ist dort zu finden unter dem Stichwort Dielektrische_Schichten, die Liste der bisherigen Autoren befindet sich in der Versionsliste; die Originalfassung kann dort auch bearbeitet werden. Alle Texte der Wikipedia und ihre Derivate stehen unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation.

Dielektrische Schichten (Dielektrikum: Nichtleiter im elektrischen Feld) oder auch „dünne Schichten“ genannt, sind dünne, meist transparente und aufgedampfte Schichten aus verschiedenen chemischen Verbindungen. Unter dünnen Schichten (engl. thin films) versteht man dünne Überzüge aus den verschiedensten Substanzen, welche die Oberflächen von Körpern aus anderen Stoffen bedecken und diesen zu besonderen, sonst nicht vorhandenen Eigenschaften verhelfen. Die chemischen Stoffe / Verbindungen, die für dielektrische Schichten verwendet werden hängen sehr stark von der Anwendung ab.

Ursprünglich war dies die alleinige Bedeutung des Begriffs Film, die aber nach der Erfindung der Fotografie und vor allem des Kinofilms einen Wandel erfuhr. Aus diesem Grund werden heute die Begriffe dünne Schichten und Dünnschichttechnik bevorzugt. Weil heute meist ein System aus mehreren Schichten verwendet wird, spricht man im Plural von dünnen Schichten und nicht von einer dünnen Schicht.

Bekannte Regenbogenfarben von dünnen Ölfilmen auf Wasser und bei Seifenblasen, sowie die brillanten Farben von Pfaufedern oder Schmetterlingsflügeln, werden durch Lichtinterferenz an einzelnen oder mehreren solcher Schichten hervorgerufen. Dielektrische Schichten werden z.B. durch Sputtern oder Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder andere Dünnschichttechnologieen hergestellt bzw. aufgedampft.

Inhaltsverzeichnis 1 Verwendung 2 Wirtschaftliche Bedeutung 3 Funktionsprinzip 3.1 Erklärendes Beispiel 3.2 Gangunterschied 3.3 Phasenbedingung 3.4 Amplitudenbedingung 4 Herstellung dielektrischer Schichten 4.1 Schichtmaterialien 4.2 Beschichtungstechniken 5 Anwendungen 6 Literatur & Quellen 7 Weblinks

Verwendung

In der Optik werden dünne Schichten dazu verwendet um die optischen Eigenschaften von Oberflächen und Grenz - und Oberflächen zu verändern. Diese Grenzflächen tragen dazu bei, dass einfallendes Licht teilweise reflektiert und teilweise transmittiert und gebrochen wird. Das Brech – und Reflexionsverhalten ist jedoch teilweise sehr undefiniert und nicht effizient genug. Mit dünnen Schichten kann man jedoch ein definiertes Transmissions – und Reflexionsverhalten für Ober – und Grenzflächen erreichen.

Die einfachsten dünnen Schichten sind dünne Metallschichten (Aluminium,Silber und Gold sind gebräuchlich) die ein transparentes Substrat in einen Spiegel verwandeln, oder dünne Schichten aus Magnesiumfluorid, die den Reflexionsgrad von Glas von 4,25% auf etwa 1,25% senken, wobei der Transmissions - und Reflexionsgrad stark vom Einfallswinkel und der verwendeten Wellenlänge abhängt. Die Präzision bei der Herstellung dieser Schichten muss sehr hoch sein, damit es zu Interferenzeffekten kommen kann.

Wirtschaftliche Bedeutung

Die wirtschaftliche Bedeutung dünner Schichten ist groß und stetig wachsend. Mit Hilfe der Dünnschichttechnologie lassen sich mit verschiedenen Verfahren mikrotechnische Bauteile, oder andere Funktionsschichten herstellen. Typische Schichtdicken liegen oft im Mikrometer- und Nanometerbereich, bis hin zu monomolekularen Schichten. Das macht auch den Einsatz teurer Werkstoffe wirtschaftlich, wenn trotz geringer Mengen der gewünschte Effekt erzielt werden kann.

Allein durch Verschleiß entstehen in den großen Industrienationen jährlich Schäden in Höhe von mehreren hundert Millionen Euro, der Schaden durch Korrosion dürfte sich auf ein Mehrfaches belaufen. Hier können entsprechende Schutzschichten die Kosten deutlich verringern.

Die höchste wirtschaftliche Bedeutung kommt dünnen Schichten in der Mikroelektronik zu. Die meisten mikroelektronischen Bauteile wie z.B. Prozessoren, Speicherbausteine, Monitore, aber auch Speichermedien wie CDs/DVDs und Festplatten werden mit Hilfe der Dünnschichttechnik hergestellt.

Funktionsprinzip

Die Eingangs beschriebenen Regenbogenfarben bei einem dünnen (Ölfilm auf Wasser) kommen durch Interferenz zustande, die durch einen Gangunterschied des reflektieren Lichtes zustande kommen, dieser Gangunterschied wiederum entsteht durch die unterschiedlichen Brechzahlen von Öl und Wasser und die unterschiedlichen optischen Wege, die die Teilstrahlen zurücklegen.

Erklärendes Beispiel

Die Funktionsweise soll anhand dieses Beispiels erklärt werden (hierzu siehe Abbildung 1). Ein bei A auf die Oberfläche treffender Strahl wird in einen reflektieren und einen gebrochenen Teilstrahl aufgeteilt. Diese zur Interferenz benötigte Strahlteilung bezeichnet man auch als Amplitudenteilung. Der gebrochene Teilstrahl wird (ganz oder teilweise) an der Unterseite bei B reflektiert und verlässt nach erneuter Brechung bei C die Schicht parallel zu dem bei A reflektierten Strahl. Der bei C reflektierte Strahl erfährt Mehrfachreflexion, die zu vielen parallel austretenden Strahlen und damit zur Vielstrahlinterferenz führen. Der Anschaulichkeit halber werden hier nur die 2 Hauptreflexionen betrachtet, die mit einer Linse (oder dem Auge) im Punkt P zur Interferenz gebracht werden.

Gangunterschied

Da die die beiden Wellen unterschiedliche Wege zurücklegen, weisen sie in P einen Gangunterschied von Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta

auf.

Bei senkrechtem Einfall, wo Strahl 2 die Dicke d zweimal zusätzlich durchlaufen muss, gilt für den Gangunterschied bei Reflexion an einer Schicht: Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta

= 2*n1*d + Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta

_r, hierbei ist d die Schichtdicke, n₁ ihre Brechzahl und Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta _r der durch die Reflexion evtl. erzeugte Gangunterschied. Treten beide Reflexionen nur am optisch dichteren (n₀ < n₁ < n₂) oder nur am optisch dünneren Medium (n₀ > n₁ > n₂) auf, gilt Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta _r = 0. Bei Reflexionen am optisch dichteren und optisch dünneren Medium ist Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta _r jedoch Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \lambda/2 . Deswegen tritt trotz gleicher optischer Dicke, bei einer Schicht konstruktive und bei der anderen destruktive Interferenz auf. Dies findet Anwendung bei Brillengläsern und Linsen durch reflexmindernde Schichten wobei n₀ = 1 (für Luft) und n₁ < n₂, sodass keine Phasensprünge auftreten. Um die störende Reflexion durch Interferenz zu unterdrücken müssen folgende 2 Bedingungen erfüllt werden.

Phasenbedingung

Für destruktive Interferenz müssen die Phasen der Teilwellen entgegengesetzt sein, also der Gangunterschied Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta

= 2n1d = Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \lambda/2
oder ein ungerades Vielfaches davon aufweisen. In diesem Fall muss die Dicke eine s.g. "Lambda-viertel Schicht" Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \lambda/4
sein.
Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): d=\frac{\lambda_0}{4n_1}=\frac{\lambda}{4}

Amplitudenbedingung

Zusätzlich zur Phasenbedingung müssen die Amplituden der beiden Teilwellen gleichgroß sein, damit es zur destruktiven Interferenz kommt. Der Reflexionsfaktor r an den Grenzflächen zwischen 2 Medien ( Medium 1 und 2) ist gegeben durch das Verhältnis von reflektierter zu einfallender Amplitude Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): r_{12}=\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2} . Zur Erfüllung der Amplitudenbedingung muss an der Grenzfläche 0 zu Grenzfläche 1 und an Grenzfläche 1 zu Grenzfläche 2 gelten, dass r_0->1 = r_1->2. Dadurch lässt sich das Verhältnis Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \frac{n_1}{n_0}=\frac{n_2}{n_1}

aufstellen und damit die Brechzahl einer Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \lambda/4
- Schicht bestimmen durch Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): n_1=\sqrt{n_0 n_2}

Da aber i. d. R. noch andere Faktoren eine Rolle spielen, gibt es meistens keinen Stoff, der die Amplitudenbedingung exakt erfüllt.

Mit Einfachschichten lassen sich Reflexminderungen nur unbefriedigend erreichen. In der Praxis erhält man durch Dreifachschichtung mit unterschiedlichen Brechzahlen und Dicke reflexmindernde Schichten, die über den ganzen sichtbaren Bereich funktionieren.

Herstellung dielektrischer Schichten

Schichtmaterialien

Eine dünne Schicht, die auf eine Linse aufgebracht wird, muss nicht nur vorgegebene optische Eigenschaften (Brechzahl, Absorption) besitzen, sondern auch noch zusätzliche technische Anforderungen erfüllen, damit die Linse alltagstauglich ist. Dazu gehören

• die mechanische Belastbarkeit (Haftfestigkeit, Härte, Abriebfestigkeit und Kratzunempfindlichkeit, Zentrieren, Ultraschall),
• thermische Belastbarkeit (Kälte, Wärme) und
• die chemische Belastbarkeit (Lösungsmittel, Reinigungsmittel, Hautschweiß, UVStrahlung, Feuchtigkeit).

Des Weiteren darf sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials nicht stark von dem des Substrats unterscheiden, um ein Abplatzen der Schicht bei Temperaturdifferenzen zu verhindern. Die Kombination aller Anforderungen führt dazu, dass nur wenige Stoffe überhaupt als Schichtmaterialien in Frage kommen. So steht wegen der geringen Auswahl an Schichtmaterialien nicht jede beliebige Brechzahl zur Verfügung.

In der folgenden Tabelle finden sich einige ausgewählte Schichtmaterialien mit ihren mittlern Brechzahlen.

Summenformel	Name	Brechzahl
Vorlage:Hintergrundfarbe8 | MgF2	Vorlage:Hintergrundfarbe8 | Magnesiumfluorid	Vorlage:Hintergrundfarbe8 | 1,38
Vorlage:Hintergrundfarbe2 | SiO2	Vorlage:Hintergrundfarbe2 | Siliciumdioxid	Vorlage:Hintergrundfarbe2 | 1,46
Vorlage:Hintergrundfarbe8 | Al2O3	Vorlage:Hintergrundfarbe8 | Aluminiumoxid	Vorlage:Hintergrundfarbe8 | 1,7
Vorlage:Hintergrundfarbe2 | ZrO2	Vorlage:Hintergrundfarbe2 | Zirkoniumdioxid	Vorlage:Hintergrundfarbe2 | 2,05
Vorlage:Hintergrundfarbe8 | PrTiO3	Vorlage:Hintergrundfarbe8 | Praseodym-Titan-Oxid	Vorlage:Hintergrundfarbe8 | 2,1
Vorlage:Hintergrundfarbe2 | TiO2	Vorlage:Hintergrundfarbe2 | Titanoxid	Vorlage:Hintergrundfarbe2 | 2,3
Vorlage:Hintergrundfarbe8 | ZnS	Vorlage:Hintergrundfarbe8 | Zinksulfid	Vorlage:Hintergrundfarbe8 | 2,3

(Kein Anspruch auf Vollständigkeit)

Beschichtungstechniken

• Anstriche
• Tauchverfahren
• Chemische Gasphasenabscheidung
• Physikalische Gasphasenabscheidung
  • Sputtern
  • Ionenplattieren
• selbstwachsende Oxidfilme

Siehe auch: Beschichten, Oberflächentechnik, Dünnschichttechnologie

Anwendungen

• Hitzespiegel (hot mirrors), die den sichtbaren Teil des Lichtes (VIS) transmittieren und die Hitzestrahlung (Infrarot) reflektieren
• bei Kaltspiegeln (cold mirrors), die das genaue Gegenstück zu den Hitzespiegeln darstellen
• schmalbandige Filter
• Kurz- und Langwellenfilter
• Strahlteiler und Strahlvereiniger (beam combiner)
• Polarisatoren
• Polarisationsfilter
• Farbfilter
• Interferenzfilter
• Multiplexer und Demultiplexer
• Entspiegelung optischer Flächen (Linsen, Brillengläser)
• Körperpflege, Kosmetik
  (Schutz vor UV-Strahlen und aggressiven Substanzen)
• Zahnbehandlung
  (Aminfluorid zur Versiegelung und Härtung der Zahnoberfläche)
• Medizin
  (Beschichtung von Prothesen)
• Lacke
• elektronische Bauteile
  (Thin-Film-Transistor)
• Computer-Chips
• Solarzellen
• CD, DVD
• Fotofilme
• schmutzabweisende Oberflächen auf Glas und Keramik (Lotusblüteneffekt)
• Entspiegelung optischer Flächen (siehe auch: Marga Faulstich)
• Verbesserung der Kratzfestigkeit optischer Flächen von Kunststoffteilen
• Thermofenster
• Lebensmittelverpackungen
  (beschichtete PA-Folien als Gas- und Aromasperre zum Verpacken von Fleisch, Wurst und Käse)

• Und viele weitere Anwendungen

Literatur & Quellen

• Optik für Ingenieure. Grundlagen" von Frank L. Pedrotti, Leno S. Pedrotti, Werner Bausch, Springer - Berlin, ISBN 3-540-22813-6
• "Thin Film Technology Handbook", Aicha Elshabini-Riad & Fred D. Barlow III, McGraw-Hill, New York, ISBN 0-07-019025-9

• Die Teile "Wirtschaftlichkeit" und "Beschichtungstechniken" sowie ein kleiner Teil der Einleitung und einige Anwendungsbeispiele wurden aus dem Artikel dünne Schichten übernommen.

Weblinks

• http://www.io.cfmac.csic.es/Web_GPL/personal_pages/Jan/diplom/kap4.pdf
• Fachbereich optische Schichten im Fraunhofer IOF
• Geschäftsfeld Optik, Information und Kommunikation des Fraunhofer IST

[[Hilfe:Cache|Fehler beim Thumbnail-Erstellen]]: convert: unable to open image `/var/www/fotonexus/w/images/c/ca/Wikipedia_lexikon3e.jpg': No such file or directory.

Dieses Dokument entstammt in seiner ersten oder einer späteren Version der deutschsprachigen Wikipedia. Es ist dort zu finden unter dem Stichwort Dielektrische_Schichten, die Liste der bisherigen Autoren befindet sich in der Versionsliste; die Originalfassung kann dort auch bearbeitet werden. Alle Texte der Wikipedia und ihre Derivate stehen unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation.