Структурные особенности и свойства азотсодержащих тонких плёнок диоксида титана, сформированных методом реактивного магнетронного распыления, для применения в биомедицине

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 5
1. Литературный обзор ……………………………………………………………………………………. 13
1.1. Диоксид титана: структура и свойства ………………………………………………….. 13
1.1.1. Структура и физико-химические свойства диоксида титана ……………. 13
1.1.2. Фотокаталитические свойства ………………………………………………………… 17
1.1.3. Электрокинетические свойства. Дзета-потенциал …………………………… 19
1.2. Биомедицинское применение диоксида титана и модифицированных
структур на его основе………………………………………………………………………………….. 21
1.3. Методы получения тонких плёнок диоксида титана, механизмы роста и
применение ………………………………………………………………………………………………….. 23
1.3.1. Механизмы формирования тонких плёнок………………………………………. 24
1.3.2. Методы получения тонких плёнок оксидов титана ………………………….. 27
1.3.3. Метод реактивного магнетронного распыления ………………………………. 29
1.3.4. Модели формирования тонкоплёночных структур в плазме
магнетронного разряда ………………………………………………………………………………. 30
1.3.5. Влияние допирования азотом на структуру TiO2 плёнок. Положение
атомов азота в TiO2 структуре ……………………………………………………………………. 34
1.3.6. Плёнки и покрытия на основе оксидов и оксинитридов титана,
осаждённые ионно-плазменными методами ……………………………………………….. 36
2. Материалы и методы исследования ……………………………………………………………… 40
2.1. Оборудование реактивной магнетронной распылительной системы.
Режимы осаждения тонких плёнок ……………………………………………………………….. 40
2.1.1. Подложки для формирования плёнок ……………………………………………… 48
2.2. Методы исследования ………………………………………………………………………….. 49
2.2.1. Определение толщины плёнок с помощью спектральной
эллипсометрии…………………………………………………………………………………………… 49
2.2.2. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) …………………………….. 50
2.2.3. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)………………………… 51
2.2.4. Атомно-силовая микроскопия (АСМ)……………………………………………… 52
2.2.5. Метод рентгеновской дифракции ……………………………………………………. 52
2.2.6. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) …………………. 54
2.2.7. Рамановская спектроскопия ……………………………………………………………. 55
2.2.8. Инфракрасная спектроскопия (ИК) …………………………………………………. 55
2.2.9. Методы испытания физико-механических свойств………………………….. 55
2.2.10. Электрокинетические измерения, дзета-потенциал …………………………. 57
2.2.11. Определение смачиваемости и свободной энергии поверхности ……… 59
2.2.12. Исследование растворимости плёнок in vitro…………………………………… 60
2.2.13. Биологические исследования плёнок in vitro и in vivo ……………………… 61
3.Структурные особенности и физико-химические свойства азотсодержащих
плёнок диоксида титана …………………………………………………………………………………… 63
3.1. Морфология поверхности азотсодержащих TiO2 плёнок по данным СЭМ:
влияние состава реактивной газовой атмосферы …………………………………………… 63
3.2. Морфология поверхности N–TiO2 плёнок: влияние отрицательного
потенциала смещения …………………………………………………………………………………… 66
3.3. Структурные особенности N–TiO2 плёнок по данным ПЭМ …………………. 67
3.4. Анализ фазового состава и структуры N–TiO2 плёнок методом
рентгеновской дифракции …………………………………………………………………………….. 72
3.5. Химический состав N–TiO2 плёнок, электронное состояние титана,
кислорода и азота …………………………………………………………………………………………. 77
3.6. Исследование структуры и молекулярного состава N–TiO2 плёнок
методами рамановской и ИК спектроскопии …………………………………………………. 82
4.Физико-химические свойства и механические характеристики азотсодержащих
плёнок диоксида титана, осаждённых в плазме реактивного магнетронного
разряда ……………………………………………………………………………………………………………. 87
4.1. Механические свойства азотсодержащих плёнок на основе диоксида
титана. Нанотвёрдость и модуль Юнга …………………………………………………………. 87
4.2. Морфология поверхности: зависимость шероховатости поверхности N–
TiO2 плёнок от режимов напыления ……………………………………………………………… 90
4.3. Адгезионная прочность азотсодержащих тонких плёнок на основе
диоксида титана……………………………………………………………………………………………. 93
4.4. Адгезионная прочность N–TiO2 плёнок с поверхностью сосудистого стента
……………………………………………………………………………………………………………. 97
4.5. Исследование электрофизических свойств и электрического потенциала
поверхности TiO2 плёнок ……………………………………………………………………………… 98
4.6. Электрокинетические характеристики поверхности азотсодержащих
плёнок на основе TiO2…………………………………………………………………………………. 108
4.7. Контактный угол смачивания, поверхностная энергия и растворение
азотсодержащих плёнок на основе TiO2 ………………………………………………………. 112
5.Модель структурообразования и электрокинетических свойств азотсодержащих
плёнок диоксида титана, осаждённых в плазме реактивного магнетронного
разряда ………………………………………………………………………………………………………….. 119
5.1. Модифицированная модель структурных зон роста N–TiO2 плёнок в
плазме реактивного магнетронного разряда ………………………………………………… 119
5.2. Формирование окисидных соединений азота: на поверхности
кристаллических плоскостей анатаза и рутила; на границах раздела зёрен …… 120
5.3. Дзета-потенциал N-TiO2 плёнок, осаждённых методом реактивного
магнетронного распыления …………………………………………………………………………. 127
5.4. Биологические исследования N–TiO2 плёнок………………………………………. 135
5.4.1. Исследование агрегационной активности тромбоцитов …………………. 135
5.4.2. Исследование реакции биологических тканей лабораторных животных
на имплантацию покрытых образцов ……………………………………………………….. 138
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………………….. 143
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 144