如何用耗散型石英晶體微天平測量薄膜降解

薄膜降解—時而需要時而避免

我們周圍有許多工藝流程中，包括自發進行的和人為設計的，會有薄膜或涂層的降解或者剝落。一個典型的例子是蝕刻或腐蝕，比如說在管道基礎設施中，這是一個不希望的過程，但是在制造電子元件時卻是非常需要的。另一個需要薄膜剝落的領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，這樣便可以對其進行優化和控制。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程，降解或者剝落必須被模擬和理解。QCM-D，原理上是一個測量微小質量的天平，可以測量和量化這種膜的降解，無論是在數量上還是在動力學方面。

定性和定量測量薄膜的降解

當薄膜降解時，表面會失去質量。初始表面結合層的厚度也會隨之減少。這是兩個參數正是QCM-D在納米尺度所能夠實時測量的。

示例1：評價清潔效率

舉個例子，讓我們看看在清洗表面時薄膜的降解。我們有一個帶有油污的表面想用洗滌劑來清潔。如圖1所示，我們按照下面的步驟進行。

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

2，接下來，我們引入洗滌劑，然后使它在油污上流動。

3、洗滌劑會流過表面并開始與油污發生相互作用。在這里我們可以看到油污層的厚度在增加。這是預料之中的，因為洗滌劑會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，我們加入潤洗步驟，即用水沖洗。再一次，我們看到隨著潤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技術對清洗過程進行監測。

評估不同條件下的薄膜降解

監測質量和厚度作為時間的函數，可以很容易的表征和評估材料的降解行為和所剝落的質量。也可以比較不同條件下的降解行為，例如通過改變濃度、溫度和pH值。

示例2：比較兩種不同洗滌劑的性能

在第一個實例中，我們評估了脫附行為和洗滌劑的去污效率，在這里，我們對其進行衍伸。現在，我們使用相同的實驗步驟，比較清潔劑A和B的清洗性能。油污厚度隨時間變化的結果如圖2所示，說明洗滌劑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 油污厚度隨時間變化的函數，用于評價兩種不同洗滌劑的清潔效果，水被用作對照組。

薄膜降解的其他應用

除了這兩個例子外，其他種類的降解可以通過測量質量損失來表征，例如酶促反應、溶解、光致降解和溫度誘導降解。