Efectos ópticos especiales de los recubrimientos de dióxido de titanio sobre mica

Abstract

En las aplicaciones decorativas, los fabricantes utilizan técnicas PVD para crear colores con nuevos matices y efectos ópticos especiales, sin embargo, los resultados y productos obtenidos hacen parte del Know-How de esas empresas y acceder al conocimiento involucrado para la fabricación de dispositivos a través de procesos PVD es difícil. El presente trabajo se orientó al estudio de las propiedades ópticas de películas delgadas de TiO2 depositadas mediante Magnetrón Sputtering RF sobre sustratos de mica tipo moscovita. Los recubrimientos fueron crecidos durante 30, 60, 90, 120, 180 y 240 minutos, en atmósfera de argón y usando un blanco de TiO2 a temperatura ambiente. Las propiedades estructurales, la composición química, la morfología y los efectos ópticos se estudiaron en el sustrato y el sistema sustrato recubrimiento mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido, microscopía de fuerza atómica, microscopía óptica, espectrometría de infrarrojo por transformada de Fourier y espectrofotometría de luz visible. Se determinó que el sustrato es mica tipo moscovita perteneciente a la estructura cristalina monoclínica con orientación preferencial en el plano (001). Se verificó además que es un material prácticamente incoloro y la reflectancia promedio es muy baja. Para los recubrimientos se encontró que tienen estructura cristalina tetragonal perteneciente a la fase rutilo los cuales crecieron en islas cuando los tiempos de proceso fueron bajos y a tiempos de crecimiento mayores a 180 minutos el modo de crecimiento fue combinado capa-isla. El tamaño de grano del los recubrimientos fue alrededor de 100 nm y aumentó con el tiempo de crecimiento. Se demostró que el fenómeno de interferencia es el mecanismo de generación de color en los sistemas y que únicamente con el aumento del espesor del recubrimiento cambia el color observado, este resultado proyecta los métodos PVD como una excelente alternativa para la fabricación de pigmentos de efectos. Finalmente se compararon las medidas de reflectancia de los recubrimientos en el espectro visible con las predicciones del modelo teórico de interferencia de múltiples haces en películas delgadas, se encontró que los datos se ajustan para bajos espesores y en altos espesores se propuso una corrección al modelo en términos de la dispersión de luz asociada a la rugosidad en la superficie y otra corrección asociada al cubrimiento del TiO2. Se plantea la medición de color por reflectancia como un método indirecto para calcular el espesor de los recubrimientos a través del ajuste de los datos experimentales con la simulación. / Abstract: In decorative applications, manufacturers use PVD techniques for creating new colors with different shades and special optical effects, although those products belongs to know-how companies and the information related to PVD process and its applications is not easy to find. This work was aimed to study the optical properties of titanium dioxide thin films, which were deposited on muscovite substrates by Magnetron Sputtering RF using a titanium dioxide target. The thin films were grown during 30, 60, 90, 120, 180 y 240 minutes at room temperature in an argon atmosphere. The structural and morphological properties, chemical composition and optical effects of substrate and substrate - film system were characterized by X ray diffraction, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, optical microscopy, fourier transform infrared spectroscopy and visible light spectrophotometry. The mica substrate was muscovite with showed a monoclinic crystal structure preferentially oriented parallel to (001) plane. Besides, the colorless of mica was verified and the average substrate reflectance is a very low value. The crystal structure of the TiO2 films were found in the tetragonal rutile phase, which showed an island growth at low time process and over 180 minutes a coating-island combination, was evident. The grain size was around 100 nm and it rose with increasing the growing time. The interference phenomenon was the mechanism to color effects and these effects depends only on the film thickness. The results show the PVD methods as an excellent alternative for manufacturing effect pigments. Finally, reflectance measurements made at visible light range were compared to multiple beam interference thin film models, the results was in accordance with model at low thickness, at higher values corrections related to roughness and hiding TiO2 on surface was purposed. A methodology to establish the film thickness using the samples reflectance curves was discussed.