Ag/C异质双靶高功率脉冲磁控放电特性及Ag-DLC薄膜制备

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cj1314810814
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类金刚石(Diamond like carbon,DLC)具有优良的物理机械性能和生物相容性,在航空航天、医疗器械、光电器件等领域得到了广泛应用。在DLC薄膜中掺杂加入Ag元素,不仅能够有效缓解内应力高、表面结合力弱的问题,还能够提高其光学和生物医学性能。但是,目前的多元薄膜掺杂制备工艺存在着设备复杂、薄膜成分调节困难等问题,极大地限制了掺杂类DLC薄膜的应用。针对这一问题,本文提出了异质双靶高功率脉冲磁控溅射方法,采用双直流电源分别控制正负脉冲电压的方式,能够在满足Ag靶和石墨靶的放电稳定性的同时,灵活调节制备工艺参数,实现对Ag-DLC薄膜的成分和组织结构调控。本文采用电信号波形、基底离子电流和等离子体质谱诊断的方法,研究了Ag/C异质双靶的高功率脉冲放电特性。在脉冲放电时间一定的条件下,溅射靶材的放电特性和靶电压是溅射过程中粒子循环机制的决定性因素,其中石墨靶放电过程由气体循环机制主导,而Ag靶放电随着靶电压升高由气体溅射向自溅射循环机制转变。综合等离子体的时间平均和时间分辨诊断结果,发现离子能量分布函数(IEDF)中的高能量部分是在正脉冲放电初始阶段产生的,随着放电进行,离子能量分布向低能方向延伸,而高能量部分消失,最终以0~10 e V的低能态存在,并且占据了等离子体的主要成分。在异质双靶放电体系下,由于C的溅射产额和离化率远低于Ag,随着石墨靶放电强度的升高,Ag靶在负脉冲放电阶段的溅射和原子离化过程受到了明显的抑制。根据Ag/C异质双靶高功率脉冲放电的等离子体诊断结果,设计并制备了Ag含量在19.1~32.0 at.%范围内的Ag-DLC薄膜,并对薄膜的表面形貌和结构进行了分析。随着Ag含量升高,Ag-DLC薄膜表面的纳米颗粒尺寸逐渐增加,形成大范围的纳米颗粒团聚结构,提高基底偏压能够减小薄膜表面的纳米颗粒尺寸并抑制大范围团聚的出现。薄膜中的Ag和C之间不形成稳定的化学键连接,Ag以纳米晶形式分布在非晶碳基体中。Ag掺杂能够促进基体结构向石墨态转化,使非晶碳中sp~2杂化结构的占比增加,而提高偏压能够提高非晶碳中的sp~3杂化结构占比。在薄膜的沉积过程中,Ag纳米晶的形核长大过程遵循奥斯特瓦尔德熟化机制,先形核的晶粒尺寸增大而后形核的晶粒尺寸减小,导致薄膜中的Ag纳米晶尺寸沿着薄膜生长方向逐渐减小。对于采用相同Ag靶溅射电压制备的Ag-DLC薄膜,提高基底偏压能够减小表面区域的Ag纳米晶尺寸,当基底偏压由-50V提高至-100V时,表面区域Ag纳米晶尺寸由5~12 nm减小至2~5 nm。为了研究Ag-DLC薄膜的抑菌性能与薄膜结构的关系,本文采用原子力显微镜分析了薄膜的表面粗糙度和纳米颗粒尺寸,通过电感耦合等离子体质谱方法研究了Ag-DLC薄膜在液体环境下的Ag+释放能力,并针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了抑菌圈实验和存活率实验。薄膜表面Ag纳米颗粒与碳基体间的电偶腐蚀能够促进Ag+的释放溶解。在Ag含量一定的前提下,提高偏压能够增加薄膜表面Ag纳米颗粒的比表面积,增强薄膜的Ag+释放能力,Ag-DLC薄膜24h释放的Ag+浓度最高可达56.7ppb。提高Ag-DLC薄膜表面Ag纳米颗粒数量的同时尽量减小纳米颗粒的尺寸,能够提高抑菌面积和抑菌效率。全部Ag-DLC薄膜样品的抑菌效率均超过70%,当Ag含量范围在25~30 at.%之间,采用-100V偏压制备的Ag-DLC薄膜样品,抑菌效率可达到99.5%以上。
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