научная статья по теме МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТОНКИХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК, ОСАЖДЕННЫХ ИЗ ПЛАЗМЫ НА ПОЛИЭТИЛЕН НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТОНКИХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК, ОСАЖДЕННЫХ ИЗ ПЛАЗМЫ НА ПОЛИЭТИЛЕН НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 2, с. 3-9

УДК 539.25

МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТОНКИХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК, ОСАЖДЕННЫХ ИЗ ПЛАЗМЫ НА ПОЛИЭТИЛЕН НИЗКОЙ

ПЛОТНОСТИ

© 2004 г. А. П. Алехин, А. Г. Кириленко, Р. В. Лапшин

НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 05.08.2003 г.

Исследована морфология тонких углеродных пленок, осажденных на полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). Низкотемпературная (20-60°С) модификация поверхности ПЭНП углеродными покрытиями производилась при помощи испарения графитового материала катода электродуговым разрядом. Для изучения морфологии структур полиэтилен-углерод была использована сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Показано, что в результате осаждения углерода на поверхности ПЭНП формируются углеродные кластеры размером 5-1000 нм. Размер кластеров зависел от условий осаждения: длительности, частоты и количества импульсов нанесения углерода. Полученные структуры обладают повышенными биосовместимыми свойствами и представляют интерес для медицины.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время планарная технология, используемая в микроэлектронике, достаточно часто применяется для модификации поверхностей различных подложек с целью придания им необходимых физических, химических, биологических или каких-либо других свойств.

Анализ публикаций в области модификации поверхности медицинских полимеров, улучшающей биосовместимость, свидетельствует о большом интересе к покрытиям на основе углерода [1, 2]. Подобный интерес вызван, главным образом, близостью природы используемых углеродных покрытий и природы веществ, составляющих основу крови и живых тканей организма.

В работе [3] изучено влияние структурных и энергетических особенностей углеродных покрытий на адгезию тромбоцитов плазмы крови человека. Однако остается открытым вопрос о типе и свойствах используемых углеродных покрытий (электронной структуре, морфологии, содержании примесей и т.п.), а также вопрос об эффективности использования в качестве модифицирующего покрытия не сплошной пленки углерода, а кластерных углеродных образований.

В литературе имеются сведения о перспективности применения в медицинской практике кластерных углеродных покрытий для обеспечения повышенной биосовместимости полимерных материалов [1-3], однако не обсуждается механизм кластерного образования модифицирующего углерода и те его свойства, которые обеспечивают биосовместимость. Поэтому целью данной рабо-

ты является более детальное исследование механизма зародышеобразования на поверхности полимера, свойств углеродных пленок кластерного типа, а также определение ключевых технологических параметров осаждения и их влияния на морфологию получаемых покрытий.

ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ

В качестве модельного материала основы использовался достаточно широко применяемый в медицинской практике полиэтилен низкой плотности (ПЭНП ГОСТ 10354-82). При комнатной температуре кристаллическая фаза ПЭНП составляет приблизительно 50-60% [4]. Механические свойства полимера непосредственно связаны с размером и количеством кристаллитов, а также длиной аморфных цепей между ними [5]. По мере повышения температуры кристаллические области (кристаллиты) плавятся, и полимер становится более мягким и гибким. Средний размер кристаллитов определяется, главным образом, степенью разветв-ленности макромолекул полиэтилена, которая препятствует росту кристаллитов. В сильнораз-ветвленном полиэтилене (полиэтилене низкой плотности) отдельные кристаллиты обладают меньшей протяженностью и более склонны к искажениям, что обусловливает низкую температуру плавления кристаллических областей полимера. Значительное уменьшение кристалличности начинает проявляться при температуре около 60-70°С и достигает нуля при 110-120°С. Доля аморфного (некристаллического) вещества высока (40-50%), что снижает плотность полимера.

Нанесение модифицирующих покрытий углерода кластерного типа производилось на установке УВНИПА-1 методом дугового импульсно-плазменного распыления графитовой мишени. Сравнение с другими процессами нанесения тонких пленок показывает, что дуговой импульсно-плазменный метод обладает рядом преимуществ при получении углеродных слоев кластерного типа при низких (менее 60°С) температурах. Фактически только в рамках данного способа реализуются предельно возможные условия, обеспечивающие требуемый приток плазмообразующего вещества на подложку при конденсации.

Во-первых, это связано с экстремально высокими импульсными скоростями движения заряженных частиц (103-107 нм/с) в вакуумной камере в процессе осаждения при сравнительно низких скоростях конденсации углерода на подложку (единицы нм/с), что позволяет уменьшить размер критического зародыша на начальных стадиях образования пленки и, как следствие, повышает воспроизводимость физико-биологических параметров осаждаемых слоев. Во-вторых, дозированное изменение эродируемой массы углерода путем изменения электрических величин генератора плазмы позволяет достаточно просто регулировать размеры формируемых кластеров, а также толщину пленки вплоть до долей монослоя [6]. По этим причинам дуговой импульсно-плазмен-ный метод является наиболее перспективным для получения кластеров и углеродных покрытий нано-метровой толщины при низких температурах.

Электроды поджига установки УВНИПА-1 инициируют основной разряд длительностью до 0.01 с на интегрально холодном графитовом катоде. В результате импульсного электродугового разряда образуется углеродная плазма, ионы которой ускоряются в электрическом поле с разностью потенциалов 450 В и конденсируются на рабочей поверхности подложки.

Импульсный характер процесса конденсации, отличающийся длительными паузами (длительность паузы более чем в десять раз превышает длительность плазменного разряда) позволяет улучшить отвод тепла из зоны конденсации углеродного покрытия, что уменьшает вероятность плавления кристаллитов полимера и содействует стабилизации процесса модификации.

Нанесение углеродных покрытий на поверхность полимера производилось в рабочей камере установки при остаточном давлении газов ~1.0 ■ 101 Па. Поверхность образца, неподвижно закрепленного на подложкодержателе, была строго перпендикулярна направлению распространения потока ионов углерода и расположена на расстоянии 350 мм от поверхности катода.

Установка давала возможность наносить пленки толщиной ~0.15 нм за один импульс по всему

полю образца 50 х 50 мм2. Константа скорости роста определена методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) по методике, описанной в работе [6]. Для последующего сравнения модифицированной поверхности с исходной часть образца закрывалась от пучка ионов с помощью экрана. Толщины осаждаемых пленок выбирались в диапазоне 1.5-15.0 нм, что соответствует 10-100 импульсам генератора углеродной плазмы.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Предварительно морфология модифицированных образцов исследовалась методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Измерения проводились на микроскопе Camscan 4 производства фирмы Camdridge с типичным увеличением х1000.. .х3000, что соответствует размеру изучаемых полей в десятки микрон. Обычно по характерным для данного масштаба особенностям рельефа можно было сделать экспресс-оценку качества работы технологического оборудования и решить, стоит ли дальше исследовать данный образец или следует изготовить новый, изменив технологические параметры процесса.

В результате разработанной технологии морфология образцов воспроизводилась от процесса к процессу с точностью >75%. На рис. 1 представлены изображения поверхности исходного и модифицированного углеродом ПЭНП.

Анализ изображений показывает, что поверхность образца на рис. 16 практически не отличается от поверхности исходного ПЭНП (рис. 1а). На поверхности других образцов наблюдаются глобулярно-фибриллярные образования размером 0.5-3.0 мкм (рис. 1в) или утолщенные структуры фибриллярного типа с размером фибрилл 3-5 мкм (рис. 1г). Можно предположить, что наличие структур с характерным размером, близким к размеру тромбоцита, будет существенно влиять на процесс адгезии тромбоцитов.

Для детального изучения морфологии поверхности применялся метод сканирующей зондовой атомно-силовой микроскопии (АСМ). Использовался микроскоп Solver™ P4 фирмы НТ-МДТ. Коэффициент упругости кантилевера (производство ФГУП НИИФП им. Ф.В. Лукина) приблизительно равен 20 Н/м, частота резонанса 131.851 кГц, радиус кончика иглы менее 10 нм. Предельное разрешение микроскопа, оцениваемое по минимально различимым элементам поверхности пленки, составило 20-30 нм. Измерения выполнялись на воздухе при комнатной температуре.

В данной части работы получены изображения поверхности полиэтилена, модифицированного тонким слоем углерода толщиной 1.5, 7.5 и 15.0 нм, для определения изменения морфологии

Рис. 1. Изображения структуры поверхности ПЭНП: исходный образец (а); поверхность ПЭНП, модифицированная слоем углерода толщиной 1.5 нм (б), 7.5 нм (в), 15 нм (г). Частота повторения импульсов генератора углеродной плазмы 1 Гц.

поверхности модифицированного полиэтилена в зависимости от состояния поверхности исходного образца при различных технологических режимах работы генератора углеродной плазмы. При указанных значениях толщины слой углерода не сплошной, а состоит из кластеров (островков) с размерами порядка десятков и сотен нанометров. Межкластерные области - свободные от углерода области образца - имеют такие же размеры. Для измерения на зондовом микроскопе объектов с такими размерами необходимо, чтобы поверхность, на которой лежат кластеры, была плоской (перепад высот в несколько нанометров на площади 1 х 1 мкм2), а радиус кончика зонда равнялся нескольким нанометрам. На рис. 2 приведены изображение немодифицированной (с характерной хаотично развитой структурой) и модифицированной поверхности полиэтилена низкой плотности.

На изображениях модифицированной поверхности ПЭНП отчетливо видны углеродные кластеры вытянутой формы размером 70 х 200 нм2 и пробелы между кл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком