磁控濺射法制備CNx薄膜及其結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)用性能研究.pdf

1、本文首先利用直流反應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(shù)對氮化碳薄膜的沉積及其結(jié)構(gòu)的影響：考察了氮化碳薄膜的硬度和摩擦磨損性能，總結(jié)了薄膜制備工藝、結(jié)構(gòu)與薄膜力學(xué)性能的相關(guān)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(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)的出現(xiàn)都伴隨著氮含量的遞增。 3.利用SEM、EDS、AFM、IR等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)等進行了考察和對比，分析了工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性。結(jié)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(dāng)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(shù)時，當(dāng)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(zhuǎn)化，使薄膜中sp2C的數(shù)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(shù)，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(jié)構(gòu)的相關(guān)性。結(jié)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(shù)量減少，sp2數(shù)量增加，導(dǎo)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(dǎo)致薄膜硬度下降。氮化碳薄膜的平均摩擦系數(shù)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(xué)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(jié)果表明：Ti/CNx梯度薄膜與NiTi合金基底的結(jié)合非常牢固，結(jié)合力達到63.6N。Ti/CNx薄膜硬度為23.01GPa，和Ti/TiN薄膜硬度相當(dāng)，略高于Ti/DLC薄膜，并且具有最低的摩擦系數(shù)(0.092)，表明Ti/CNx薄膜是一種優(yōu)異的硬質(zhì)耐磨涂層。表面親水性試驗