类金刚石碳膜的制备工艺及其与金、银纳米构型的LSPR界面研究

摘要

本文采用自制的磁控弧光射频等离子体增强化学气相沉积设备在生物玻璃基板上制备类金刚石碳(DLC)膜。采用探针轮廓仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪、原子力显微镜、热场发射扫描电镜、旋转摩擦磨损测试仪、紫外可见分光光度计及划痕仪等方法表征和分析了薄膜的厚度、结构、形貌、摩擦性能、光学性能和附着性能等，优化了DLC膜的制备工艺，探讨薄膜的生长机理。对DLC膜进行了退火热处理，并分析了薄膜的热稳定性能，研究了基板及梯度功率对DLC膜结构和性能的影响。采用适宜的工艺参数在不同的Au、Ag纳米粒子基底上沉积DLC膜，构成LSPR界面，研究了DLC膜对LSPR界面吸收光谱的影响。
　　 采用探针轮廓仪测试DLC膜厚度的结构表明，实验制备的DLC膜厚度受到射频功率、沉积时间和碳源气体流量的影响。薄膜厚度与射频功率呈正比例关系，功率为720W时DLC膜厚度可达到454.27nm。碳源气体流量越大，DLC膜厚度越大。研究不同射频功率和沉积时间DLC膜的厚度变化时发现，薄膜厚度与沉积时间呈近似线性关系，因此可以通过调节沉积时间来控制所需的DLC膜厚度。采用原子力显微镜和热场发射扫描电镜观察DLC膜的形貌表明，DLC膜表面呈颗粒状形貌，粒子分布均匀，无明显结构缺陷，粗糙度小，表面平整光滑。随射频功率增大，DLC膜出现局部颗粒团聚现象。拉曼光谱和XPS结果表明，实验制备的是典型的DLC膜，金刚石型的sp3杂化键含量较高，最高能达到76.90％。射频功率越高，沉积时间越短，薄膜中sp3键含量越高。因此，DLC膜具有良好的摩擦性能。通过旋转摩擦磨损实验得到生物玻璃基板上DLC膜的摩擦曲线，可知薄膜摩擦过程平稳，摩擦系数小，明显提高基板的耐磨性能。DLC膜中存在较大内应力，严重影响膜基结合，限制其应用，因此有必要测试DLC膜与基板的结合性能。DLC膜与基板的结合强度结果表明，在射频功率为665W、碳源气体流量为1.5sccm时，薄膜的结合强度较高，附着性能良好。DLC膜对300nm左右的光波段有很高的吸收能力，随着波长增加，透过率提高，在600nm以上的可见光及近红外段有很高的透过率，均超过95％。DLC膜在较高温度下退火，其结构与形貌发生变化，发生石墨化转变。
　　 在Au、Ag纳米粒子表面制备DLC膜构成了LSPR界面。用热蒸镀法制备的Au纳米粒子形状规则，其LSPR吸收峰位于555nm。表面涂覆DLC膜后，LSPR吸收强度明显增大，吸收峰峰位随薄膜沉积时间呈波动变化。电化学法制备的Au、Ag纳米粒子分布稀疏，局部有团聚现象，DLC膜在其表面的沉积同样能提高吸收峰强度，改变吸收峰的峰位。对涂覆DLC膜构成的LSPR界面进行了化学修饰链接生物分子，测试LSPR传感性能时发现，由于DLC膜厚度过大，掩盖了LSPR传感信号。因此，构成LSPR生物传感器的DLC膜厚度不应过大，以小于50nm为宜。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 DLC膜的结构与组成

1．3 DLC膜的性质与应用

1．3．1 DLC膜的机械性能及应用

1．3．2 DLC膜的光学性能及应用

1．3．3 DLC膜的电声性能及应用

1．3．4 DLC膜的生物医学应用

1．4 DLC膜的制备方法

1．4．1 物理气相沉积

1．4．2 化学气相沉积

1．5 DLC膜应用研究中存在的问题

1．6 局域表面等离子体共振效应(LSPR)

1．7 LSPR效应在生物传感器的应用

1．8 本文研究内容

第二章 实验方法与原理

2．1 磁控弧光射频等离子体增强化学气相沉积设备及原理

2．2 射频等离子体增强化学气相沉积的原理

2．3 基板的预处理

2．4 DLC膜的制备工艺

2．4．1 沉积DLC膜的操作过程

2．4．2 DLC膜的制备工艺参数

2．5 基板及退火处理对DLC膜结构性能的影响

2．6 Au、Ag纳米粒子表面沉积DLC膜

2．6．1 热蒸镀法在生物玻璃上制备Au纳米颗粒

2．6．2 电化学沉积法在ITO导电玻璃上制备Au、Ag纳米颗粒

2．6．3 Au、Ag纳米粒子表面沉积DLC膜

2．7 DLC膜分析测试方法及原理

2．7．1 探针轮廓仪

2．7．2 拉曼(Raman)光谱仪

2．7．3 X射线光电子能谱仪(XPS)

2．7．4 原子力显微镜

2．7．5 场发射扫描电镜

2．7．6 旋转摩擦实验

2．7．7 紫外可见光分光光度计

2．7．8 划痕测试

第三章 DLC膜的制备工艺研究

3．1 DLC膜的厚度分析

3．1．1 不同射频功率对DLC膜厚度的影响

3．1．2 不同沉积时间对DLC膜厚度的影响

3．1．3 不同碳源气体流量对DLC膜厚度的影响

3．2 DLC膜的AFM形貌

3．2．1 不同射频功率DLC膜的AFM分析

3．2．2 不同沉积时间DLC膜的AFM分析

3．2．3 不同碳源气体流量DLC膜的AFM分析

3．3 DLC膜的扫描形貌

3．3．1 热场发射扫描微观形貌

3．3．2 DLC膜的生长分析

3．4 DLC膜的拉曼光谱

3．4．1 不同射频功率DLC膜的拉曼光谱分析

3．4．2 不同沉积时间DLC膜的拉曼光谱分析

3．4．3 不同碳源气体流量DLC膜的拉曼光谱分析

3．5 DLC膜的X射线光电子能谱

3．5．1 不同射频功率DLC膜的XPS分析

3．5．2 不同沉积时间DLC膜的XPS分析

3．5．3 不同碳源气体流量DLC膜的XPS分析

3．6 DLC膜的摩擦性能

3．6．1 不同射频功率DLC膜的摩擦曲线

3．6．2 不同沉积时间DLC膜的摩擦曲线

3．6．3 不同碳源气体流量DLC膜的摩擦曲线

3．7 DLC膜与基板的附着性能

3．7．1 不同射频功率DLC膜的附着性能分析

3．7．2 不同沉积时间DLC膜的附着性能分析

3．7．3 不同碳源气体流量DLC膜的附着性能分析

3．8 DLC膜的透过率分析

3．9 DLC膜的热稳定性

3．9．1 退火处理对DLC膜拉曼光谱的影响

3．9．2 退火处理对DLC膜XPS的影响

3．9．3 退火处理对DLC膜AFM形貌的影响

3．9．4 退火处理对DLC膜摩擦性能的影响

3．9．5 退火处理对DLC膜透光率的影响

3．10 基板及梯度功率对DLC膜结构性能的影响

3．10．1 不同基板上梯度DLC膜的拉曼光谱

3．10．2 不同基板上梯度DLC膜的XPS

3．10．3 不同基板上梯度DLC膜的AFM形貌

3．10．4 不同基板上梯度DLC膜的摩擦性能

3．10．5 不同基板上梯度DLC膜的附着性能

3．10．6 不同基板上梯度DLC膜的透过率

3．11 本章小结

第四章 DLC膜的LSPR界面性能研究

4．1 热蒸镀法制备的Au纳米粒子的表征

4．1．1 Au纳米粒子的表面形貌

4．1．2 Au纳米粒子的LSPR吸收光谱

4．2 Au纳米粒子表面沉积DLC膜的LSPR界面研究

4．2．1 Au纳米粒子表面沉积DLC膜的拉曼光谱分析

4．2．2 Au纳米粒子表面沉积DLC膜的扫描电镜形貌

4．2．3 LSPR界面的吸收光谱分析

4．3 电化学法制备Au、Ag纳米粒子的表征

4．3．1 Au、Ag纳米粒子的冷场发射扫描电镜形貌

4．3．2 Au、Ag纳米粒子的LSPR吸收光谱

4．4 Au、Ag纳米粒子表面沉积DLC膜的LSPR界面研究

4．5 本章小结

第五章 结论

5．1 本文结论

5．2 本文主要创新点

5．3 对进一步研究的建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

学位论文评阅及答辩情况表