رنگ یک لایه از پوشش به عوامل مختلفی، خصوصاً به ماهیت شیمیایی لایه بستگی دارد، این رنگ را رنگ ذاتی ماده می نامند. به عنوان مثال، رنگ ذاتی مس صورتی سالمون (همرنگ گوشت ماهی آزاد) و رنگ ذاتی نقره سفید است. رنگ ذاتی یک لایه در واقع رنگ ماده ای است که جامد و رسوب یافته باشد.
هر ماده برای خود رنگ ذاتی دارد و تغییر آن به جز از طریق تغییر در ترکیب شیمیایی آن لایه امکان پذیر نیست. از طرف دیگر ، برخی از رنگها ارتباط مستقیمی با ضخامت لایه دارند و به آنها رنگهای تداخلی گفته می شود. برای درک مکانیسم تشکیل رنگ تداخلی ، یادآوری برخی از مفاهیم نوری ضروری است.
پوشش های تداخل نوری:
در چارچوب لایه های بسیار نازک، می توانیم رنگهایی را که به نام رنگ های تداخلی شناخته می شوند بدست آوریم، این رنگها، رنگ ذاتی مواد رسوب دهی شده نیستند، بلکه به ضخامت لایه بستگی دارند. در واقع اصول نوری موثر بر این لایه ها هستند که رنگ هایی را که در سطح استخر آب حاوی یک لایه روغن نازک می بینیم، توضیح می دهند. این پدیده اثر تداخل نام دارد. طبق تعریف، نور یک موج الکترومغناطیسی است و هنگامی که دو موج با طول موج یکسان روی هم قرار می گیرند، پدیده تداخل ظاهر می شود.
اگر دو موج هم فاز باشند، یعنی بیشینه و کمینه هایی را به طور همزمان داشته باشند، تداخل سازنده ایجاد میشود (شکل1). در طی یک تداخل سازنده ، شدت دو موج با هم جمع می شود و بنابراین دامنه موج حاصل برابر با مجموع دو موج ابتدایی خواهد بود. حال اگر هر دو موج در تقابل فاز باشند ، یعنی یکی از آنها در بیشینه مقدار خود باشد در حالی که دیگری در کمینه مقدار خود است، امواج به اندازه نیم طول موج تغییر مکان می دهند و بنابراین تداخل مخرب حاصل می شود. در طی یک تداخل مخرب نیز، شدت دو موج با هم جمع می شود تا در نتیجه، در صورتی که دو موج دامنه اولیه یکسانی داشته باشند، شدت حاصل صفر خواهد بود.
شکل ۱:شماتیک تداخل های سازنده (سمت چپ) و مخرب(سمت راست)
با قرار دادن یک لایه نازک اکسید شفاف روی یک پوشش فلزی، رنگهای جالب بسیاری را می توان بدست آورد. شکل 2 این پدیده را توضیح می دهد: اگر پرتوی نور بر روی سطحی که با یک لایه اکسید شفاف نازک پوشانده شده است تابیده شود، یک قسمت از نور توسط فیلم نازک اکسید منعکس می شود و بقیه از درون اکسید عبور می کند (با در نظر گرفتن مقدار کمی جذب) و در فصل مشترک زیرلایه/اکسید منعکس می شود. به عنوان مثال ، اگر 2d sin θ2 = λ / 2 باشد، پرتو شکست از فیلم اکسید با تغییر فازی برابر با نصف طول موج اولیه عبور می کند. حال اگر هر دو امواج منعکس شده و عبور کرده به یکدیگر اضافه شوند، دامنه حاصل بسیار کاهش خواهد یافت (تداخل مخرب). در نتیجه ، برای یک پرتو نور چند رنگ (پلی کروماتیک)، جذب برخی از طول موج ها یک رنگ کاملاً مشخص را ایجاد می کند. در دامنه مرئی با طول موج های بین 400 نانومتر و 700 نانومتر، لایه های نازک اکسید با ضخامت بین 100 نانومتر تا 175 نانومتر باعث ایجاد چنین اثرات تداخلی می شوند.
به طور خلاصه ، رنگ تداخلی رنگی است که در اثر تداخل دو پرتوی حاصل از یک منبع، که مسیرهای متفاوتی را طی کرده و به طور سازنده یا مخرب تداخل کرده اند، ایجاد می شود. بدین ترتیب واضح است که ایجاد یک رنگ تداخلی به شدت به ضخامت لایه اکسید بستگی دارد و بدست آوردن رنگ یکنواخت به لایه اکسیدی با ضخامت ثابت نیاز دارد. بدست آوردن این شرایط در فناوری PVD دشوار است. به عنوان مثال در یک جسم هندسی پیچیده به دست آوردن ضخامت اکسید یکنواخت در کل سطح غیرممکن است و قسمت های پوشش داده شده پس از رسوب لایه شفاف، رنگین کمانی به نظر خواهد رسید. هرچند که می توان رنگ تداخلی را با رسوب دادن یک لایه PVD از یک رنگ کاملاً مشخص قبل از رسوب دهی نهایی لایه نازک شفاف تثبیت نمود، اما این مشکل هرگز به طور کامل حل نخواهد شد. یکی از راه های دور زدن این مسئله ، ترکیب فن آوری PVD با الکتروشیمی و به طور مثال رسوب دهی یک پوشش تیتانیوم به روش PVD است که در ادامه آنودایز بشود.
پوشش های آندایزینگ تیتانیوم:
ضخامت یک لایه اکسید مستقیماً با ولتاژ اعمال شده متناسب است. لایه TiO2 یک عایق الکتریکی است. بنابراین ، هنگامی که ولتاژ اعمال می شود واکنش پیشرفت نموده و اکسید بیشتری تولید می شود. هنگامی که لایه اکسید به اندازه کافی ضخیم شد تا بتواند ارتباط قطعه را از حمام الکترولیتی قطع کند، واکنش متوقف می شود. اگر ولتاژ بالاتری اعمال شود، ضخامت عایق الکتریکی دیگر کافی نبوده و جریان می تواند دوباره از لایه اکسید عبور کند و واکنش تا زمانی ادامه یابد که لایه اکسید مجددا به اندازه کافی ضخیم باشد تا از عبور جریان جلوگیری کند.
پس رشد یک لایه اکسید با ولتاژ اعمال شده متناسب است. این ویژگی برای ایجاد رنگ تداخلی یک ویژگی بسیار جالب است. در این فرآیند ضخامت لایه اکسید نقش اصلی را بازی می کند. کنترل ولتاژ با اکثر منابع تغذیه نسبتاً آسان است. بنابراین، کنترل ضخامت لایه اکسید نسبتاً ساده و قابل کنترل خواهد بود زیرا یک ولتاژ معین می تواند اعمال شده و واکنش به خودی خود پیش برود تا پایان یابد.
آنودایزینگ تیتانیوم رایج ترین روش برای محافظت از قطعات پیش عملیات شده در برابر خوردگی است ، به ویژه در زمینه پیراپزشکی، اما توانایی کنترل مستقیم ضخامت لایه اکسید ایجاد شده چشم اندازهای بسیار جالبی را برای شکل گیری رنگ های تداخلی با اهداف تزئینی ایجاد می کند. آنودایزینگ تیتانیوم منجر به تشکیل رنگ تداخلی در قطعات پیش عملیات شده می شود. این رنگها براق هستند و برخلاف آنودایزینگ آلومینیوم، براقیت فلزی را حفظ می کنند.
رنگ آمیزی اقلام تیتانیوم در سالهای اخیر به سرعت توسعه یافته است، علی الخصوص در زمینه جواهرات که یافتن قطعاتی از جنس تیتانیوم آنودایز شده و دارای رنگهای مختلف روشن غیرمعمول نیست. وابستگی ضخامت لایه اکسید تیتانیوم به عنوان تابعی از ولتاژ آنودایزینگ به صورت خطی است و آنودایزینگ تیتانیوم منجر به ضخامت اکسید از 0 تا 300 نانومتر برای ولتاژهای 0 تا 120 ولت می شود. جستجو در این دامنه ولتاژ منجر به یافتن تعداد زیادی از رنگ های مختلف خواهد شد که در شکل 3 نشان داده شده است. این طیف رنگی سه مرتبه در دامنه این تغییر ولتاژ و ضخامت تکرار می شود (m = 1 ، m = 2 و m = 3).
شکل ۳: ارتباط ضخامت لایه تیتانیوم اکسید با ولتاژ آندایزینگ