Ta-O及Ta-N薄膜的制備及其性能研究.pdf

1、生物材料與生物體的相互作用僅在表面的幾個原子層范圍內，生物材料的抗凝血性能與生物材料表面性質，如表面成分、結構、表面形貌、親(疏)水性、表面能量狀態(tài)、表面導電性質等表面化學、物理特性相關。因此對生物材料進行表面改性，控制和改善生物材料的表面性質是改善和促進材料表面與生物體之間相互作用的關鍵途徑。 鉭系材料生物無毒性，鉭及其氧化物(Ta-0)和氮化物(Ta-N)在生物醫(yī)學材料中已有了一定的應用和研究，如人造骨、血管支架。通過調整氧

2、化鉭和氮化鉭薄膜的制備工藝，薄膜可具有較寬的表面性質調節(jié)范圍，用于研究材料學因素與材料抗凝血性能的關系。 本論文采用非平衡磁控濺射技術制備出不同成分、結構、物理性能和力學性能的Ta-O和Ta-N薄膜。使用X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)、四探針測試儀、紫外-可見光光譜儀、血小板粘附試驗等對薄膜的結構和性能進行了表征。重點研究了反應氣體(O2或N2)與工作氣體(Ar)流量比(O2∶Ar或N2∶Ar)的變化對薄膜結構

3、和性能的影響。 非平衡直流磁控濺射沉積的Ta-O薄膜為非晶態(tài)；隨著O2∶Ar流量比的增加，Ta-O薄膜的氧化程度增加，依次可獲得非化學計量比、化學計量比和過飽和的Ta2O5，進而得到導體、半導體、絕緣體的Ta-O薄膜；半導體和絕緣體的Ta-O薄膜的光學禁帶寬度在3.6-4.0eV之間；Ta-O薄膜的表面能在40-45mJ/m2之間，接近熱解碳的表面能；由于薄膜氧化程度的變化，Ta-O薄膜的硬度隨O2∶Ar流量比的增加先增后降，其

4、膜基結合力需通過增加中間過渡層來改善；血小板粘附試驗結果顯示Ta-O薄膜的抗凝血性能與熱解碳相當，其中具有一定半導體屬性、高禁帶寬度、低的表面能和低色散分量與極性分量的比值(γd/γp)的Ta-O薄膜具有更好抗凝血性能。 非平衡磁控濺射沉積Ta-N薄膜僅在很窄的低N2∶Ar流量比范圍內生成低氮含量相六方結構γ-Ta2N的TaN薄膜；而在很寬的N2∶Ar流量比范圍(0.2-0.8)內生成亞穩(wěn)態(tài)相面心立方結構(fcc.)的δ-TaN

5、x，其中x為～1的值，x隨N2∶Ar流量比的增加而增加；當N2∶Ar流量比增至一定值后，制備的TaN薄膜的相結構為δ-TaNx和bct.TaNx兩相混合。隨著N2∶Ar流量比的增加，TaN薄膜的電阻率增加，可獲得導體、半導體和絕緣體的TaN薄膜，薄膜含N量以及Ta空位數(shù)量隨N2∶Ar流量比的增加而增加，且Ta空位的增加降低了費米能級附近的態(tài)密度，使得載流子密度降低，這是TaN薄膜由導體向絕緣體過渡的主要原因。TaN薄膜的光學禁帶寬度很低