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(gè)原子層范圍內(nèi)，生物材料的抗凝血性能與生物材料表面性質(zhì)，如表面成分、結(jié)構(gòu)、表面形貌、親(疏)水性、表面能量狀態(tài)、表面導(dǎo)電性質(zhì)等表面化學(xué)、物理特性相關(guān)。因此對生物材料進(jìn)行表面改性，控制和改善生物材料的表面性質(zhì)是改善和促進(jìn)材料表面與生物體之間相互作用的關(guān)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(xué)材料中已有了一定的應(yīng)用和研究，如人造骨、血管支架。通過調(diào)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(zhì)調(diào)節(jié)范圍，用于研究材料學(xué)因素與材料抗凝血性能的關(guān)系。 本論文采用非平衡磁控濺射技術(shù)制備出不同成分、結(jié)構(gòu)、物理性能和力學(xué)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(yàn)等對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。重點(diǎn)研究了反應(yīng)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(jié)構(gòu)

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(xué)計(jì)量比、化學(xué)計(jì)量比和過飽和的Ta2O5，進(jìn)而得到導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的Ta-O薄膜；半導(dǎo)體和絕緣體的Ta-O薄膜的光學(xué)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(jié)合力需通過增加中間過渡層來改善；血小板粘附試驗(yàn)結(jié)果顯示Ta-O薄膜的抗凝血性能與熱解碳相當(dāng)，其中具有一定半導(dǎo)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(nèi)生成低氮含量相六方結(jié)構(gòu)γ-Ta2N的TaN薄膜；而在很寬的N2∶Ar流量比范圍(0.2-0.8)內(nèi)生成亞穩(wěn)態(tài)相面心立方結(jié)構(gòu)(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(dāng)N2∶Ar流量比增至一定值后，制備的TaN薄膜的相結(jié)構(gòu)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(dǎo)體、半導(dǎo)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(fèi)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(dǎo)體向絕緣體過渡的主要原因。TaN薄膜的光學(xué)禁帶寬度很低