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          新聞資訊

          不同表面的金剛石薄膜上電荷的形成

          “鉆石恒久遠,一顆永流傳”,是我們熟悉的一句廣告語,也正是這句廣告語,讓鉆石成為婦孺皆知的名字;而鉆石,克拉級鉆石鉆戒動輒數以幾萬元計,足以證明寶石級鉆石的珍貴。鉆石也可以叫做金剛石、金剛鉆。

          “沒有金剛鉆別攬瓷器活”,鉆石除了作為珠寶首飾,它的用途十分廣泛。比如玻璃切割、研磨、光刻技術、納米傳感器、高功率激光窗口等等。

          金剛石薄膜具有不同的晶態(單晶、微晶、納米晶和超納米晶),是許多醫學和生物技術應用的潛在候選者,如埋植劑的涂層,用于神經元或生物傳感器活性部分的生長和研究的平臺。這與它們優異的力學性能、高的化學惰性和生物相容性有關。

          化學氣相沉積(CVD)制備的金剛石薄膜是端氫的。這導致了一定程度的疏水性,這是觀察到化學惰性的原因。因此,進一步增加親水性或增加化學活性需要進行表面改性。通過等離子體處理和光化學方法實現-OH或-NH2基團的表面功能化。另一方面,等離子體氟化甚至會增加表面的疏水性。zeta電位用來評價功能化程度,它反映了表面-水界面的電荷形成。

          用zeta電位探測表面

          zeta電位描述了在水溶液中,當親水表面的官能團分散或氫氧根離子吸附在疏水表面上時產生的某一表面電荷。通過改變pH值,離解和吸附平衡就會受到影響,從而可以評價表面的化學性質。

          通過測量流動電勢,可以獲得宏觀表面的zeta電位。平面樣品相對排列,形成一個固定的通道(圖1)。在測量過程中,施加壓力梯度,液體流經通道。作為對固液界面上電荷補償離子位移的電響應,產生流動電勢(或流電流)并用于計算zeta電位。

          圖1:流動電勢測量示意圖

          超納米晶金剛石薄膜

          利用微波等離子體增強化學氣相沉積技術在硅片上合成了超納米晶金剛石薄膜(UNCD)。氣體前體混合物包含17%的CH4-N2混氣,工作壓力保持在30 mbar,襯底溫度保持在560 °C左右,微波功率保持在800 W。沉積6 h后,得到厚度為1.5 μm的UNCD層。層的表面相對光滑,rms粗糙度約為12-14 nm。

          為了使UNCD表面高度親水性或增加樣品的疏水性,分別用200 W的O2等離子體和50 W的SF6等離子體進行5 s的等離子體改性。**次改性形成了接觸角< 10°的端氧表面,后者產生了接觸角> 110°的端氟表面。

          表面電荷分析

          研究了三種不同表面終端的UNCD樣品:未處理的端氫表面和分別在SF6等離子體和O2等離子體中處理的表面。樣品放置在測量單元中,使相對的表面形成約100 μm的距離。通過測得的壓力下降來調整間隙寬度。電解液為1mmol /L的氯化鉀溶液。pH值在pH 9.5和pH 3.0之間,從基本范圍開始。使用包括一個內置滴定單元的安東帕SurPASSTM3進行測量。分別用0.05 M鹽酸和0.05 M氫氧化鈉進行自動pH調節。

          圖2的結果顯示,在酸性范圍的zeta電位明顯增加。在基本范圍內,所有表面的zeta電位在pH值高于8.5時保持為負,幾乎不變。在這一點上,在表面-水界面發生飽和,因此對于較高的pH值,預計不會有進一步的變化。pH 4.2(未處理的UNCD)、pH 3.8 (O2等離子處理的UNCD)和pH 3.2 (SF6等離子處理的UNCD) 時zeta電位為0,即其等電點(IEP)。這些值符合Voss等(4)報告的數據。

          從zeta電位測量的結果可以觀察到樣品表面的電荷性質。這一信息對于研究與具有一定凈電荷的生物分子的相互作用很重要,例如酵素?;趜eta電位,可以預測可能的排斥或吸引,從而闡明在UNCD表面上的固定化機制。

          圖2:Si晶片上經過O2等離子體處理和SF6等離子體處理的UNCD薄膜的Zeta電位與pH的關系

          表1:圖2中未處理和等離子體處理后的UNCD表面zeta電位分析的關鍵指標

          靈敏的流動電勢測量技術是唯壹用于監測表面活化等離子體處理或沉積方法,并確定各種表面終端或污染的技術

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