Tailored deposition of coloured coatings: on the widening of the available colour range

Abstract

Decorative coatings are important for several consumer products such as jewellery, eyeglass frames, and wristwatch casing among others. They are supposed to provide properties such as scratch-resistance and protection against corrosion. But from a consumer’s point of view, it is important that those objects process an appealing appearance, and colour is fundamental to achieve that goal. Decorative coatings have been largely based binary nitrides, witch possess outstanding optical and mechanical properties but lack in terms of the available colour range which is restricted to colours as golden yellows, greys, and black. Additionally, over the time the requirements of decorative coatings are more and more demanding leading to the application of physical vapour deposition (PVD) processes. However, in order to obtain different coloured coatings, it is necessary to use different target materials and/or the reactive gas. This is time consuming, and not economically viable, and even so, there are still some colour limitations. Recently a new class of materials became important regarding decorative applications, the metal oxynitrides. This materials allow tailor the properties of the film between a metal nitride and a metal oxide. This could allow to obtain a range of colours, within the same system, by simply varying the ratio between oxygen and nitrogen. So in order to obtain new coloured coatings, zirconium oxynitride thin films were deposited using reactive magnetron sputtering, in several batches and varying different deposition parameters. Some of the samples were also doped with titanium. The samples were then characterized in terms of: microstructure using Scanning Electron Microscopy, chemical composition by mean of Rutherford Backscattering Spectroscopy, structure by X-ray diffraction and colour through spectrophotometry. The results indicate a tight relation between the chemical composition and the structure and colour of the films, and it was possible to verify that a certain compositional range leads to a certain structure. In terms of the colours obtained the films are restricted to silver, golden-yellow and darkgreys, besides the interference colours.

Os revestimentos decorativos são importantes em diversos produtos de consumo tais como joias, armações de óculos, caixas de relógio de pulso, entre outros. Estes revestimentos devem possuir propriedades tais como resistência ao risco e proteção contra a corrosão. Mas, do ponto de vista do consumidor, é extremamente importante que os objetos tenham uma aparência apelativa e, para isso, a cor é fundamental. Os revestimentos decorativos têm sido maioritariamente baseados em nitretos binários, sendo que estes possuem excelentes propriedades óticas e mecânicas, mas, por outro lado, têm um número muito reduzidos de cores que se limitam a amarelos- dourados, cinzentos e pretos. Adicionalmente, ao longo do tempo, os requisitos dos revestimentos decorativos são cada vez mais exigentes levando a que a produção se direcione para o uso de processos por deposição física de vapores (PVD). Contudo, de forma a obter filmes com cores variadas normalmente é necessário recorrer a diferentes materiais para o alvo e/ou para os gases reativos. Esta constante mudança de materiais leva tempo, e não é viável do ponto de vista económico, e mesmo assim, há, ainda, limitações em termos das cores obtidas. Recentemente uma nova classe de materiais tem-se tornado importante em termos de aplicações decorativas, os oxinitretos de metais. Estes materiais permitem ajustar as propriedades dos filmes entre as propriedades de nitretos e óxidos metálicos. Isto pode permitir a obtenção de uma gama de cores usando o mesmo sistema, simplesmente variando o rácio entre oxigénio e azoto. Assim, de forma a obter revestimentos com novas cores, oxinitretos de zircónio foram depositados através de deposição física de vapores, em várias series e com parâmetros de deposição diferentes. Algumas das amostras foram dopadas com titânio. As amostras foram depois caracterizadas em termos de microestrutura usando microscopia ótica de varrimento, composição química através de espectroscopia de retrodispersão de Rutherford, estrutura através de difração de raio-x e cor por espetrofotometria. Os resultados indicam uma íntima relação entre a composição química a estrutura e a cor dos filmes, e foi possível verificar que uma certa gama de composições leva a uma certa estrutura. Em relação a gama de cores obtida, os filmes estão restritos a cores como prateado, amarelo-dourado e cinzentos-escuros, além das cores de interferência.