磁控濺射法制備CNx薄膜及其結構、生物醫(yī)用性能研究.pdf

1、本文首先利用直流反應磁控濺射法在Si單晶基底上制備了氮化碳薄膜，對氮化碳薄膜的表面形貌、微觀結構、生長過程進行了分析及探索；系統(tǒng)研究了磁控濺射的基本工藝參數對氮化碳薄膜的沉積及其結構的影響：考察了氮化碳薄膜的硬度和摩擦磨損性能，總結了薄膜制備工藝、結構與薄膜力學性能的相關性；然后通過磁控濺射法在NiTi合金基底上沉積Ti/CNx梯度薄膜，以及常用表面改性梯度薄膜Ti/TiN和Ti/DLC(類金剛石)，著重比較了其力學性能和血液相容性。

2、 1.采用SEM、XRD和FT-IR對氮化碳薄膜進行結構分析。SEM照片顯示氮化碳薄膜中散布著大量無定形球形顆粒，并含有少量有明顯晶體生長取向的CNx化合物顆粒。XRD檢測結果證實了薄膜中主要含α-C3N4，β-C3N4，g-C3N4等微晶及其混合相。IR的進一步分析結果表明，薄膜中碳和氮以C-N、C=N以及C≡N等三種形式成鍵。 2.采用SEM、AFM及EDS對氮化碳薄膜的生長進行探索研究。結果表明：氮化碳薄膜由一層貫穿

3、整個Si基底表面的二維非晶連續(xù)層以及其上的無定形顆粒組成，其中連續(xù)非晶層在小離子沉積強度下表面粗糙度大，而在大離子沉積強度下光潔度高；氮化碳非晶薄膜的生長主要表現(xiàn)為薄膜中無定形顆粒的聚集長大，在此過程中，無定形顆粒的生長方式分為顆粒之間接觸合并生長，以及顆粒間通過“搭橋”的方式合并生長；無定形顆粒以及有晶體特征的各種結構的出現(xiàn)都伴隨著氮含量的遞增。 3.利用SEM、EDS、AFM、IR等結構表征手段，對不同沉積工藝下所得薄膜的沉

4、積速率、氮含量、表面形貌以及價鍵結構等進行了考察和對比，分析了工藝參數與結構之間的相關性。結果表明：Ar的加入和偏壓的施加先是有利于提高氮化碳薄膜的沉積速率，但當Ar/N2流量超過10sccm/10sccm，基底偏壓超過-50V時，薄膜沉積速率反而下降。濺射功率和基底溫度增加均有利于薄膜沉積速率增加。固定其他沉積工藝參數時，當功率為150W或偏壓為-100V，薄膜的氮含量最低；而薄膜含氮量則隨著Ar/N2流量比和溫度的降低均呈增加的趨勢

5、。N的增加會使薄膜中部分sp3C向sp2C轉化，使薄膜中sp2C的數量增加。 4.利用顯微硬度計和摩擦磨損儀分別測試了薄膜的硬度和摩擦系數，并使用SEM觀測薄膜的磨損表面，分析了不同沉積工藝下所得薄膜其硬度和摩擦磨損性能與工藝和結構的相關性。結果表明：試驗所得氮化碳薄膜的最高硬度為23.80GPa，薄膜的氮含量增加會引起薄膜中sp3數量減少，sp2數量增加，導致薄膜硬度下降；而Ar離子轟擊有利于減少C≡N端基，增加原子區(qū)域間的橫

6、向連接和交叉耦合，從而提高薄膜的硬度；提高基底溫度有利于提高薄膜的硬度：功率為150W或偏壓為-100V時，薄膜硬度在同系列中最高，偏壓和功率過大或過小都導致薄膜硬度下降。氮化碳薄膜的平均摩擦系數在0.129～0.224，并且隨著薄膜氮含量的減少而逐漸減小，薄膜磨損率低，耐磨性能好，其磨損機制主要為粘著磨損與磨粒磨損。 5.采用磁控濺射法在生物醫(yī)用NiTi合金基體表面制備了Ti/CNx、Ti/DLC以及Ti/TiN梯度薄膜，先利

7、用顯微硬度計、劃痕儀比較分析了上述各薄膜的力學性能，通過表面接觸角法研究了薄膜的親水性；然后著重測試并分析了溶血率和血小板黏附行為，進而對薄膜的血液相容性進行評估。結果表明：Ti/CNx梯度薄膜與NiTi合金基底的結合非常牢固，結合力達到63.6N。Ti/CNx薄膜硬度為23.01GPa，和Ti/TiN薄膜硬度相當，略高于Ti/DLC薄膜，并且具有最低的摩擦系數(0.092)，表明Ti/CNx薄膜是一種優(yōu)異的硬質耐磨涂層。表面親水性試驗