如何用耗散型石英晶體微天平測(cè)量薄膜降解

薄膜降解—時(shí)而需要時(shí)而避免

我們周圍有許多工藝流程中，包括自發(fā)進(jìn)行的和人為設(shè)計(jì)的，會(huì)有薄膜或涂層的降解或者剝落。一個(gè)典型的例子是蝕刻或腐蝕，比如說(shuō)在管道基礎(chǔ)設(shè)施中，這是一個(gè)不希望的過(guò)程，但是在制造電子元件時(shí)卻是非常需要的。另一個(gè)需要薄膜剝落的領(lǐng)域是用洗滌劑去除油污。在這兩種情況下，了解材料的降解和剝落就十分重要了，這樣便可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和控制。既能防止不必要的降解，又能提高需降解薄膜的脫落速度。為了能夠控制這一過(guò)程，降解或者剝落必須被模擬和理解。QCM-D，原理上是一個(gè)測(cè)量微小質(zhì)量的天平，可以測(cè)量和量化這種膜的降解，無(wú)論是在數(shù)量上還是在動(dòng)力學(xué)方面。

定性和定量測(cè)量薄膜的降解

當(dāng)薄膜降解時(shí)，表面會(huì)失去質(zhì)量。初始表面結(jié)合層的厚度也會(huì)隨之減少。這是兩個(gè)參數(shù)正是QCM-D在納米尺度所能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量的。

示例1：評(píng)價(jià)清潔效率

舉個(gè)例子，讓我們看看在清洗表面時(shí)薄膜的降解。我們有一個(gè)帶有油污的表面想用洗滌劑來(lái)清潔。如圖1所示，我們按照下面的步驟進(jìn)行。

1、我們開始在表面沉積一層薄薄的油污。這一層是我們準(zhǔn)備除去的污染物。背景溶液是水。我們可以看到在這個(gè)步驟中沒(méi)有質(zhì)量被去除，即油污不溶于水。

2，接下來(lái)，我們引入洗滌劑，然后使它在油污上流動(dòng)。

3、洗滌劑會(huì)流過(guò)表面并開始與油污發(fā)生相互作用。在這里我們可以看到油污層的厚度在增加。這是預(yù)料之中的，因?yàn)橄礈靹��?huì)滲入油污中并使其膨脹。

4、下一步，油污開始破碎并從表面被剝落。我們看到厚度在減少。

5、清洗步驟后，我們加入潤(rùn)洗步驟，即用水沖洗。再一次，我們看到隨著潤(rùn)洗將油污從表面帶離，厚度降低。

6、最后，60%的油污從表面上去除。

圖1利用QCM-D技術(shù)對(duì)清洗過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

評(píng)估不同條件下的薄膜降解

監(jiān)測(cè)質(zhì)量和厚度作為時(shí)間的函數(shù)，可以很容易的表征和評(píng)估材料的降解行為和所剝落的質(zhì)量。也可以比較不同條件下的降解行為，例如通過(guò)改變濃度、溫度和pH值。

示例2：比較兩種不同洗滌劑的性能

在第一個(gè)實(shí)例中，我們?cè)u(píng)估了脫附行為和洗滌劑的去污效率，在這里，我們對(duì)其進(jìn)行衍伸�，F(xiàn)在，我們使用相同的實(shí)驗(yàn)步驟，比較清潔劑A和B的清洗性能。油污厚度隨時(shí)間變化的結(jié)果如圖2所示，說(shuō)明洗滌劑B的作用速度比洗滌劑A快，但總的清洗效率較低。我們還注意到，洗滌劑A比洗滌劑B對(duì)初始油污膜造成了更明顯的膨脹（增加厚度）。

圖2 油污厚度隨時(shí)間變化的函數(shù)，用于評(píng)價(jià)兩種不同洗滌劑的清潔效果，水被用作對(duì)照組。

薄膜降解的其他應(yīng)用

除了這兩個(gè)例子外，其他種類的降解可以通過(guò)測(cè)量質(zhì)量損失來(lái)表征，例如酶促反應(yīng)、溶解、光致降解和溫度誘導(dǎo)降解。