不同表面的金刚石薄膜上电荷的形成

2020-10-19 15:34:10 189阅读次数

扫码分享

“钻石恒久远，一颗永流传”，是我们熟悉的一句广告语，也正是这句广告语，让钻石成为妇孺皆知的名字；而钻石，克拉级钻石钻戒动辄数以几万元计，足以证明宝石级钻石的珍贵。钻石也可以叫做金刚石、金刚钻。

“没有金刚钻别揽瓷器活”，钻石除了作为珠宝首饰，它的用途十分广泛。比如玻璃切割、研磨、光刻技术、纳米传感器、高功率激光窗口等等。

金刚石薄膜具有不同的晶态（单晶、微晶、纳米晶和超纳米晶），是许多医学和生物技术应用的潜在候选者，如埋植剂的涂层，用于神经元或生物传感器活性部分的生长和研究的平台。这与它们优异的力学性能、高的化学惰性和生物相容性有关。

化学气相沉积（CVD）制备的金刚石薄膜是端氢的。这导致了一定程度的疏水性，这是观察到化学惰性的原因。因此，进一步增加亲水性或增加化学活性需要进行表面改性。通过等离子体处理和光化学方法实现-OH或-NH2基团的表面功能化。另一方面，等离子体氟化甚至会增加表面的疏水性。zeta电位用来评价功能化程度，它反映了表面-水界面的电荷形成。

用zeta电位探测表面

zeta电位描述了在水溶液中，当亲水表面的官能团分散或氢氧根离子吸附在疏水表面上时产生的某一表面电荷。通过改变pH值，离解和吸附平衡就会受到影响，从而可以评价表面的化学性质。

通过测量流动电势，可以获得宏观表面的zeta电位。平面样品相对排列，形成一个固定的通道(图1)。在测量过程中，施加压力梯度，液体流经通道。作为对固液界面上电荷补偿离子位移的电响应，产生流动电势(或流电流)并用于计算zeta电位。

图1：流动电势测量示意图

超纳米晶金刚石薄膜

利用微波等离子体增强化学气相沉积技术在硅片上合成了超纳米晶金刚石薄膜（UNCD）。气体前体混合物包含17%的CH4-N2混气，工作压力保持在30 mbar，衬底温度保持在560 °C左右，微波功率保持在800 W。沉积6 h后，得到厚度为1.5 µm的UNCD层。层的表面相对光滑，rms粗糙度约为12-14 nm。

为了使UNCD表面高度亲水性或增加样品的疏水性，分别用200 W的O2等离子体和50 W的SF6等离子体进行5 s的等离子体改性。di一次改性形成了接触角< 10°的端氧表面，后者产生了接触角> 110°的端氟表面。

表面电荷分析

研究了三种不同表面终端的UNCD样品：未处理的端氢表面和分别在SF6等离子体和O2等离子体中处理的表面。样品放置在测量单元中，使相对的表面形成约100 µm的距离。通过测得的压力下降来调整间隙宽度。电解液为1mmol /L的氯化钾溶液。pH值在pH 9.5和pH 3.0之间，从基本范围开始。使用包括一个内置滴定单元的安东帕SurPASSTM3进行测量。分别用0.05 M盐酸和0.05 M氢氧化钠进行自动pH调节。

图2的结果显示，在酸性范围的zeta电位明显增加。在基本范围内，所有表面的zeta电位在pH值高于8.5时保持为负，几乎不变。在这一点上，在表面-水界面发生饱和，因此对于较高的pH值，预计不会有进一步的变化。pH 4.2(未处理的UNCD)、pH 3.8 (O2等离子处理的UNCD)和pH 3.2 (SF6等离子处理的UNCD) 时zeta电位为0，即其等电点(IEP)。这些值符合Voss等(4)报告的数据。

从zeta电位测量的结果可以观察到样品表面的电荷性质。这一信息对于研究与具有一定净电荷的生物分子的相互作用很重要，例如酵素。基于zeta电位，可以预测可能的排斥或吸引，从而阐明在UNCD表面上的固定化机制。