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)過程有多快？”的問題都可以得到解答。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。由于柔軟度是作為時(shí)間的函數(shù)來測(cè)量的，所以可以在固定的過程中檢測(cè)和跟蹤分子結(jié)構(gòu)變化，如溶脹過程或交聯(lián)過程，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)色曲線說明了厚度的變化。