ВАРЬИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОДНОМЕРНЫХ БИОКОМПОЗИТОВ

Насакина Е.О.¹, Севостьянов М.А.², Леонова Ю.О.³, Колмаков А.Г.⁴, Заболотный В.Т.⁵

¹Аспирант; ²младший научный сотрудник; ³инженер; ⁴доктор технических наук; ⁵доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

ВАРЬИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОДНОМЕРНЫХ БИОКОМПОЗИТОВ

Аннотация

Работа рассматривает закономерности формирования методом магнетронного распыления в вакууме поверхностного слоя из материалов с высокой биологической совместимостью при различных условиях процесса и посвящена созданию биокомпозитов, которые с успехом можно использовать для производства медицинских имплантатов.

Ключевые слова: биокомпозит, поверхностный слой, тантал, титан, магнетронное распыление.

Nasakina E.O.¹, Sevostyanov M.A.², Leonovа J.O.³, Kolmakov A.G.⁴, Zabolotny V.T.⁵

¹Postgraduate student; ²research associate; ³engineer; ⁴doctor of Engineering; ⁵doctor of physical and mathematical sciences, Institution of Russian Academy of Sciences A.A. Baikov Institute of Metallurgy and Material Science RAS

VARIATION OF CONDITIONS OF THE MAGNETRON SPUTTERING FOR CREATION OF ONE-DIMENSIONAL BIOCOMPOSITES

Abstract

The article considers regularities of formation by a method of magnetron sputtering in vacuum of a surface layer оf materials with high biological compatibility under various conditions of process and is devoted to creation of biocomposites which with success can be used for production of medical implants.

Keywords: biocomposite, surface layer, tantalum, titan, magnetron sputtering.

Введение.

Современная медицина использует для восстановления естественных физиологических функций, а иногда и замены живых тканей и органов изделия из инородных ему материалов: полимеров, керамики, металлов [1-2]. Но живое тело оказывает на них серьезное физико-химическое действие, от чего те (а значит, и изделия из них) способны разрушаться, а продукты их разложения – оказывать отрицательное воздействие на организм, представляющий собой весьма чувствительную среду.

Эффективным методом улучшения эксплуатационных свойств металлических медицинских материалов может служить создание композитов на их основе, в т.ч. одномерных, объединяющих  (и даже улучшающих) в себе функциональные свойства подложки (например, подобные поведению живых тканей механические свойства сплавов никелида титана) и новой поверхности (например, высокую химическую стойкость и биологическую совместимость), для получения которой распространенным способом является физическое осаждение из паровой фазы, в т.ч. магнетронное [3-4].

Целью данной работы являлось исследование закономерностей получения  различных одномерных композиционных материалов методом магнетронного напыления, для чего при варьировании условий были созданы и исследованы композиты с основой из TiNi и стекла и поверхностными слоями из тантала и титана, обладающими высокими коррозионной стойкостью и биологической инертностью по отношению к живым тканям [5].

Методика и материалы

Получение поверхностных слоев проводилось при следующих условиях процесса:

1. магнетрон на постоянном токе, I ≈ 400 – 1100 мA, U ~ 400 В,
2. в газовой среде аргона при рабочем давлении ~ 2,7х10^–3 Торр,
3. температура подложки ~ 100 ^оС,
4. с и без вращения подложки,
5. с и без предварительного ионного травления подложки (ПИТ),
6. время распыления t = 5 – 120 мин,
7. напряжение смещения Uсм ≈ 0 - 1000 B,
8. расстояние от мишени до подложки 10 – 20 см.

Исследования структуры и состава композита «поверхностный слой/ подложка» велось с помощью СЭМ, АЭС, оже-спекроскопии и рентгенофазового анализа.

Использовались подложки в виде пластин из никелида титана и стекла и проволок диаметром 280 мкм из TiNi; в качестве мишеней для распыления использовались металлический тантал и титан.

Результаты

Исследования показали, что создаваемая поверхность состоит из двух частей - слоя только из напыляемого вещества и переходного слоя, содержащего элементы как подложки, так и мишени. На их толщину наиболее влияют время и дистанция напыления, Uсм определяет их структуру, мощность распыления определяет оба фактора. Закономерность изменения состава поверхностных слоев примерно одинакова для разных материалов и условий: до 20 нм поверхности обогащены кислородом, также содержание О увеличено в переходном слое.

С увеличением времени напыления, толщина и поверхностного, и переходного слоев растет, причем по нелинейному убывающему закону. При напылении на неподвижную плоскую подложку и на вращающуюся проволоку слои закономерно получаются разными. На рис. 1 показаны  поверхностные слои в образце одномерного композита «Та/нитинол» на пластинчатой и проволочной подложках, полученные при равных условиях.

Напряжение смещения, способствующее осуществлению ионно-атомного осаждения [4, 6], оказывает меньшее влияние на суммарную толщину слоев, но, видимо, сильно влияет на их структуру: увеличивается толщина поверхностного слоя, 100 В по сравнению с нулевым напряжением уменьшает толщину переходного и суммарного слоев, предположительно, за счет уплотнения структуры, далее логично происходит рост толщин, оптимальные условия достигаются при 500 В, а при дальнейшем росте напряжения смещения, видимо, начинает происходит некоторое распыление поверхности и толщина переходного и суммарного слоев снова падает.

С увеличением дистанции напыления толщина слоев уменьшается (например, толщины поверхностного слоя тантала на подложке нитинола при 851 мА, 710 В, Uсм 1000 В, с ПИТ в течение 120 мин равны: а) 10 см – 6,3 мкм, б) 20 см – 3,6 мкм) , причем при меньшем расстоянии от мишени до подложки не наблюдается ощутимого переходного слоя.

С ростом мощности напыления толщина слоев также увеличивается, причем до 30 % от максимально возможной мощности не происходит формирование ощутимого переходного слоя, а после 70 % изменение толщин происходит не очень значительно.

При рассмотрении композитов после разрушения (статический разрыв металлической проволоки (рис. 1, б) или хрупкий слом стекла (рис. 2)) видно, что сам слой трескается в области излома, но от подложки не отрывается, несмотря на высокую нагрузку. Предварительное ионное травление способствует лучшей адгезии.

Рис. 1 - Поверхностный слой в образце «Та/нитинол» на пластинчатой (а, ≈1 мкм ) и проволочной подложке (б, ≈0,4 мкм), полученный при 851 мА, 710 В, Uсм 0 В, дистанции напыления 20 см, с ПИТ в течение 30 мин

Рис. 2 - Поверхностные слои в образцах «Та/стекло» (а) и «Ti/стекло» (б) на пластинчатой подложке, полученные при 862 мА, 400 В, Uсм 0 В, в течение 25 мин и 1100 мА, 400 В, Uсм 0 В  в течение 30 мин при дистанции напыления 15 см, без ПИТ, соответственно