Metal-Based Antireflective Coatings with Improved Durability for Ophthalmic Applications

Dans une ère de supraconducteurs et d'isolants topologiques, les matériaux typiques peuvent sembler comme il n'ont plus rien à nous offrir. Mais au contraire, la plasmonique a prouvé qu'avec de la physique classique et un concept ingénieux, les métaux peuvent produire des phénomènes optiques intéressants et inattendus, et a inspiré une multitude de nouveaux moyens d'utiliser les métaux en optique. Dans ce travail, nous avons tenté d'utiliser des couches métalliques pour améliorer la performance et la durabilité des lunettes. Plus précisément, le but était de produire un revêtement optique contenant une couche mince métallique permettant un effet antireflet important, et offrant une durabilité suffisante afin de résister à l'usage quotidien d'une paire de lunettes. Les revêtements antireflets (AR), ont été produits selon une architecture diélectrique-métaldiélectrique. L'argent (Ag) fût sélectionné pour la couche métallique en raison de ses propriétés optiques hautement désirables, même parmi les métaux nobles. Cela étant dit, l'utilisation de l'Ag apporte son lot de défis. Tout d'abord, les couches minces d'Ag tendent à former des îlots lorsque déposées sur un diélectrique; ces îlots mènent alors à une absorption indésirable par résonance plasmon localisée. De plus, l'Ag est susceptible chimiquement, pouvant être dégradé par le chlore dans les huiles naturelles de la peau ou l'oxygène de l'air ambiant. Ainsi ce travail traitait de deux aspects: la performance optique devait être contrôlée via la dynamique de croissance, sans introduire de susceptibilités à l'environnement et des mesures de protection devaient être implémentées tout en minimisant leur impact sur la transparence et la performance de l'AR. L'étude a été menée sur des échantillons produits par pulvérisation magnétron et par évaporation par faisceau d'électrons. La dynamique de croissance et les propriétés optiques des couches d'argent ont été étudiées par ellipsométrie spectroscopique in situ, ainsi que par des mesures de la résistance de feuille, par spectrophotométrie et par ellipsométrie ex situ. Les effets des différentes architectures et conditions de dépôt sur la nanostructure et la durabilité des revêtements ont été étudiés par diffraction de rayons-X et dans divers tests de durabilité standardisés conçus pour les lentilles ophthalmiques, tels que la résistance à l'abrasion, à la délamination, à l'humidité et à la corrosion dans une solution aqueuse de NaCl. Le recouvrement de l'Ag par un diélectrique et le dopage à l'aluminium se sont révélés être des mesures de protection insuffisantes.

Abstract

In an era of superconductors and topological insulators, common materials may sometimes seem like they have nothing left to offer. But on the contrary, the field of plasmonics has proved that, with classical physics and a clever concept, metals can provide us with interesting and unexpected optical phenomena and has inspired a multitude of novel uses for metals in optics. In this work, we have attempted to use metallic layers to improve both the performance and durability of eyeglasses. More precisely, the goal was to create an optical coating containing a thin metallic layer to enable a strong antireflective effect, while proving durable enough to survive the daily ordeals of a pair of glasses. Antireflective (AR) coatings were made following a dielectric-metal-dielectric architecture. Silver (Ag) was chosen to constitute the metal layer, due to its highly coveted optical properties even amongst noble metals. That being said, the use of Ag brings about challenges of its own. First, thin Ag layers tend to form islands when deposited on dielectrics; these islands then lead to undesirable absorption due to localized plasmon resonance. Moreover, Ag is susceptible to degradation by a host of chemicals, including the chlorine found in oils naturally coating our skin and the oxygen we breathe. Thus, the work was twofold: optical performance was to be improved through control of the film growth without introducing durability issues and protective measures were to be implemented while minimising their impact on coating transparency and AR performance. The study was performed on samples deposited by magnetron sputtering and electron beam evaporation. Growth dynamics and optical properties of silver films were studied by in situ spectroscopic ellipsometry, as well as ex situ ellipsometry, spectrophotometry and sheet resistance measurements. The effects of these different deposition conditions and architectures on the nanostructure and durability of the coatings were investigated by X-ray diffraction measurements and standardized durability tests designed for ophthalmic lenses, such as resistance to abrasion and delamination, humidity and corrosion in an aqueous NaCl solution. Coating Ag with a dielectric layer and aluminum doping both proved to be insufficient protective measures. The use of nickel (Ni) and chromium nitride (CrNx) based coatings of a few angstroms allow increased chemical and mechanical durability. By separating the Ni and CrNx depositions and using a zinc oxide (ZnO) seed layer, chemically and vii mechanically durable stacks with less than 11% absorption and 1% reflection in the visible spectrum were produced.