什么是耗散型石英晶體微天平？

為稱量極小質(zhì)量和軟的物質(zhì)而量身定制的特殊“天平”

QCM-D，是耗散型石英晶體微天平的簡(jiǎn)稱，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)適用于稱量極小質(zhì)量的物質(zhì)的天平。耗散型石英晶體微天平（QCM-D）是石英晶體微天平（QCM）的擴(kuò)展型，QCM是一種從60年代沿用至今的用于測(cè)量真空或氣相中表面質(zhì)量變化的技術(shù)。QCM技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量芯片表面上吸附或損失的質(zhì)量，因此非常適合測(cè)量諸如電子半導(dǎo)體器件或光學(xué)薄膜等薄膜沉積過(guò)程中膜的形成速率以及厚度。

不同的QCM適用于不同種類的薄膜

在真空或氣相中沉積的薄膜通常非常薄且堅(jiān)硬，這使得它們非常適合用QCM來(lái)研究并輸出參數(shù)。在這種情況下，諧振頻率的變化與芯片表面質(zhì)量的變化呈線性相關(guān)。在其他介質(zhì)中，如液體、或其他類型的較軟的吸附層，如生物分子形成的吸附層。標(biāo)準(zhǔn)的QCM由于受限于與膜的性質(zhì)有關(guān)的測(cè)試原理并不適用。然而，QCM-D是一種擴(kuò)展版本的QCM，特別適用于表征軟吸附層的特性。由于附加了耗散信號(hào)的測(cè)量，使軟的吸附層的質(zhì)量和厚度變化也可以定量的測(cè)得。

什么樣的吸附層是軟的？

軟的吸附層通常由生物分子、聚合物、土壤、例如油脂、或其他任何類型的不具有固體性質(zhì)的材料構(gòu)成。還有一些“硬”（分子本身是剛性）的分子通過(guò)溶劑化或水合作用形成的宏觀尺度上具有類似于軟膜性質(zhì)的吸附層。舉個(gè)這樣的例子，如纖維素纖維，在干燥狀態(tài)下表現(xiàn)為剛性的吸附在表面上，但當(dāng)暴露在水中便會(huì)膨脹并形成一個(gè)水合軟層。

探究剛性吸附層與軟吸附層之間的轉(zhuǎn)換

剛才，我們已經(jīng)討論了QCM-D適用于表征軟膜的質(zhì)量和厚度。這些信息與分析表面是否發(fā)生相互作用及定量表征有關(guān)。諸如“多少材料吸附到表面？”或者“從表面脫附了多少？”“這個(gè)過(guò)程有多快？”的問(wèn)題都可以得到解答。利用QCM-D還可以測(cè)量薄膜的柔軟性。這些信息可以分析吸附在表面上的分子的排列方式。例如，它們是形成較為緊密的排布或者較為疏松的分布在表面上。它們是平躺在表面上還是延伸出來(lái)。由于柔軟度是作為時(shí)間的函數(shù)來(lái)測(cè)量的，所以可以在固定的過(guò)程中檢測(cè)和跟蹤分子結(jié)構(gòu)變化，如溶脹過(guò)程或交聯(lián)過(guò)程，如圖1所示。

圖1. QCM-D檢測(cè)到的硬膜與軟膜間相互轉(zhuǎn)化過(guò)程的示意圖

綠色插圖（上圖）顯示了一層的交聯(lián)或折疊。最初，分子在表面排列稀松呈延展?fàn)顟B(tài)形成水合層。當(dāng)交聯(lián)發(fā)生時(shí)，分子發(fā)生折疊并在表面形成薄而堅(jiān)硬的吸附層，圖中綠色曲線說(shuō)明了厚度的變化。藍(lán)色插圖（下圖）顯示了相反的效果。最初，表面有一層薄而硬的層，然后膨脹變得厚而軟，圖中藍(lán)色曲線說(shuō)明了厚度的變化。