如何用耗散型石英晶体微天平测量薄膜降解

薄膜降解—时而需要时而避免

我们周围有许多工艺流程中，包括自发进行的和人为设计的，会有薄膜或涂层的降解或者剥落。一个典型的例子是蚀刻或腐蚀，比如说在管道基础设施中，这是一个不希望的过程，但是在制造电子元件时却是非常需要的。另一个需要薄膜剥落的领域是用洗涤剂去除油污。在这两种情况下，了解材料的降解和剥落就十分重要了，这样便可以对其进行优化和控制。既能防止不必要的降解，又能提高需降解薄膜的脱落速度。为了能够控制这一过程，降解或者剥落必须被模拟和理解。QCM-D，原理上是一个测量微小质量的天平，可以测量和量化这种膜的降解，无论是在数量上还是在动力学方面。

定性和定量测量薄膜的降解

当薄膜降解时，表面会失去质量。初始表面结合层的厚度也会随之减少。这是两个参数正是QCM-D在纳米尺度所能够实时测量的。

示例1：评价清洁效率

举个例子，让我们看看在清洗表面时薄膜的降解。我们有一个带有油污的表面想用洗涤剂来清洁。如图1所示，我们按照下面的步骤进行。

1、我们开始在表面沉积一层薄薄的油污。这一层是我们准备除去的污染物。背景溶液是水。我们可以看到在这个步骤中没有质量被去除，即油污不溶于水。

2，接下来，我们引入洗涤剂，然后使它在油污上流动。

3、洗涤剂会流过表面并开始与油污发生相互作用。在这里我们可以看到油污层的厚度在增加。这是预料之中的，因为洗涤剂会渗入油污中并使其膨胀。

4、下一步，油污开始破碎并从表面被剥落。我们看到厚度在减少。

5、清洗步骤后，我们加入润洗步骤，即用水冲洗。再一次，我们看到随着润洗将油污从表面带离，厚度降低。

6、最后，60%的油污从表面上去除。

图1利用QCM-D技术对清洗过程进行监测。

评估不同条件下的薄膜降解

监测质量和厚度作为时间的函数，可以很容易的表征和评估材料的降解行为和所剥落的质量。也可以比较不同条件下的降解行为，例如通过改变浓度、温度和pH值。

示例2：比较两种不同洗涤剂的性能

在第一个实例中，我们评估了脱附行为和洗涤剂的去污效率，在这里，我们对其进行衍伸。现在，我们使用相同的实验步骤，比较清洁剂A和B的清洗性能。油污厚度随时间变化的结果如图2所示，说明洗涤剂B的作用速度比洗涤剂A快，但总的清洗效率较低。我们还注意到，洗涤剂A比洗涤剂B对初始油污膜造成了更明显的膨胀（增加厚度）。

图2 油污厚度随时间变化的函数，用于评价两种不同洗涤剂的清洁效果，水被用作对照组。

薄膜降解的其他应用

除了这两个例子外，其他种类的降解可以通过测量质量损失来表征，例如酶促反应、溶解、光致降解和温度诱导降解。