Design and optimization of multilayer coatings for the generation of colorimetric effects

• Auteur / Autrice : Riley Shurvinton
• Direction : Julien Lumeau, Fabien Lemarchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique traitement d'image
• Date : Soutenance le 02/11/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Jury : Président / Présidente : Aline Rougier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Lemarchand, Sébastien Cueff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sven Schröder, Nathalie Destouches

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux optiques

Composites

Circuits imprimés

Revêtements optiques

Propriétés optiques

Couches minces

Mots clés libres

Couleurs

Couches caméléon

Couches minces

Matériaux à changement de phase

Thin films

Colour coatings

Active coatings

Phase-Change materials

Résumé

Les composants à base de couches minces constituent une voie prometteuse pour le contrôle des couleurs. Ceux-ci peuvent être utilisés pour adapter précisément la réflexion ou la transmission d’une surface afin de générer des couleurs à haute saturation et contrôlées avec précision. Ils permettent également de produire des effets uniques tels que l’iridescence angulaire ou des changements de couleur "actif". Un empilement de quatre couches utilisant Ag, SiO2 et Ti est présenté pour le contrôle de la couleur et la génération de couleurs à haute saturation et luminance. Nous avons obtenu la dispersion d’indice de réfraction de couches minces de Ti sur une plage de longueurs d’onde de 370 à 835 nm pour des couches de 6 à 100 nm d’épaisseur.Des revêtements de couleur rouge/vert/bleu et cyan/magenta/jaune ont été conçus à partir de ces matériaux. Nous avons exploré les limites théoriques et expérimentales des revêtements simples à quatre couches (métal/diélectrique/métal/diélectrique) en termes de luminance et de chroma, et avons montré des performances proches ou supérieures aux limites des couleurs de peintures connues. Dans les expériences, les traitements multicouches déposés (fabriqués par dépôt par faisceau d’électrons) ont montré un accord très proche avec les résultats simulés, démontrant une caractérisation précise des couches minces.Les conceptions de traitements utilisant Sb2S3 ont été conçus. Il a été démontré que le Sb2S3 possède des propriétés supérieures pour la conception de revêtements à variation de couleur, et peut être utilisé dans différentes configurations pour créer différents effets

A promising avenue for colour control is via thin film coatings. These can be usedto precisely tailor the reflectance or transmittance of a surface to generate precisely-controlled, high-chroma colours. They could also enable unique effects such asangle-dependent iridescence, or "active" colour-shift coatings exploiting the refractiveindex change of phase-change materials. A four-layer stack using Ag, SiO2 and Ti is demonstrated for colour control andgeneration of high-chroma colours. Characterisation was performed for these threematerials, with particular focus on the semi-transparent Ti layer. We obtained the refractive index ofthin Ti layers over a wavelength range of 370 – 835 nm for layers between 6 nm and100 nm.Red/green/blue and cyan/magenta/yellow colour coatings were designed usingthese materials. We explored the theoretical and experimental limits of simple four-layer (metal/dielectric/metal/dielectric) coatings in terms of brightness and chroma,and obtained performances close to or exceeding the limits of known paint colours. Inexperiments, the deposited coatings (manufactured using electron-beam deposition)showed a very close agreement with the simulated results, demonstrating precisecharacterisation of the thin-film layers.Additionally, the possibility of using active materials with an exploitable indexchange was investigated. Two coating designs using the phase-change material Sb2S3were deposited. It was shown that Sb2S3 has well-suited properties for design ofcolour-shift coatings, and can be used in different configurations to create differenteffects, enabling a large hue shift as the sample is heated