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Metal-Based Antireflective Coatings with Improved Durability for Ophthalmic Applications

Phillip Rumsby

Master's thesis (2020)

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Abstract

In an era of superconductors and topological insulators, common materials may sometimes seemlike 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 unexpectedoptical 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 anddurability of eyeglasses. More precisely, the goal was to create an optical coating containing a thinmetallic layer to enable a strong antireflective effect, while proving durable enough to survive thedaily 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 evenamongst noble metals. That being said, the use of Ag brings about challenges of its own. First, thinAg layers tend to form islands when deposited on dielectrics; these islands then lead to undesirableabsorption due to localized plasmon resonance. Moreover, Ag is susceptible to degradation by ahost of chemicals, including the chlorine found in oils naturally coating our skin and the oxygenwe breathe.Thus, the work was twofold: optical performance was to be improved through control of the filmgrowth without introducing durability issues and protective measures were to be implementedwhile minimising their impact on coating transparency and AR performance. The study wasperformed on samples deposited by magnetron sputtering and electron beam evaporation. Growthdynamics 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 effectsof these different deposition conditions and architectures on the nanostructure and durability of thecoatings were investigated by X-ray diffraction measurements and standardized durability testsdesigned for ophthalmic lenses, such as resistance to abrasion and delamination, humidity andcorrosion in an aqueous NaCl solution. Coating Ag with a dielectric layer and aluminum dopingboth 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. Byseparating the Ni and CrNx depositions and using a zinc oxide (ZnO) seed layer, chemically and viimechanically durable stacks with less than 11% absorption and 1% reflection in the visible spectrum were produced.

Résumé

Dans une ère de supraconducteurs et d'isolants topologiques, les matériaux typiques peuventsembler comme il n'ont plus rien à nous offrir. Mais au contraire, la plasmonique a prouvé qu'avecde la physique classique et un concept ingénieux, les métaux peuvent produire des phénomènesoptiques intéressants et inattendus, et a inspiré une multitude de nouveaux moyens d'utiliser lesmétaux en optique.Dans ce travail, nous avons tenté d'utiliser des couches métalliques pour améliorer la performanceet la durabilité des lunettes. Plus précisément, le but était de produire un revêtement optiquecontenant une couche mince métallique permettant un effet antireflet important, et offrant unedurabilité 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 propriétésoptiques hautement désirables, même parmi les métaux nobles. Cela étant dit, l'utilisation de l'Agapporte son lot de défis. Tout d'abord, les couches minces d'Ag tendent à former des îlots lorsquedéposées sur un diélectrique; ces îlots mènent alors à une absorption indésirable par résonanceplasmon localisée. De plus, l'Ag est susceptible chimiquement, pouvant être dégradé par le chloredans 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 ladynamique de croissance, sans introduire de susceptibilités à l'environnement et des mesures deprotection devaient être implémentées tout en minimisant leur impact sur la transparence et laperformance de l'AR. L'étude a été menée sur des échantillons produits par pulvérisationmagnétron et par évaporation par faisceau d'électrons. La dynamique de croissance et les propriétésoptiques des couches d'argent ont été étudiées par ellipsométrie spectroscopique in situ, ainsi quepar des mesures de la résistance de feuille, par spectrophotométrie et par ellipsométrie ex situ. Leseffets des différentes architectures et conditions de dépôt sur la nanostructure et la durabilité desrevêtements ont été étudiés par diffraction de rayons-X et dans divers tests de durabilitéstandardisés conçus pour les lentilles ophthalmiques, tels que la résistance à l'abrasion, à ladélamination, à l'humidité et à la corrosion dans une solution aqueuse de NaCl. Le recouvrementde l'Ag par un diélectrique et le dopage à l'aluminium se sont révélés être des mesures de protection insuffisantes.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Ludvik Martinu, Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/5416/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 19 May 2021 14:02
Last Modified: 08 Nov 2022 21:25
Cite in APA 7: Rumsby, P. (2020). Metal-Based Antireflective Coatings with Improved Durability for Ophthalmic Applications [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/5416/

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