石英晶体微天平在聚合物薄膜研究中的应用与展望

《石英晶体微天平在聚合物薄膜研究中的应用与展望》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、石英晶体微天平在聚合物薄膜研究中的应用与展望作者：杜滨阳范潇曹峥郭小磊【摘要】石英晶体微天平仪(QCM)具有高度的灵敏性，能够对石英晶片表面微痕量物质的变化产生响应，在分析科学研究中广泛应用。本文阐述了QCM的基本工作原理和应用基础方程，并在此基础上综述了近年来QCM在聚合物薄膜研究中的应用及研究进展，包括QCM对聚合物薄膜的厚度和力学性能的测量、QCM研究聚合物分子链在石英晶片表面的吸附过程和链构象变化、表面引发生长聚合物刷的动力学过程、基于功能聚合物薄膜和QCM的生物与化学传感器等，同时对QCM在聚合物薄膜研究领域的进一步深入应用进行了展望。【关键词】聚合物薄膜;石英晶体微天平;评述

2、　1引言　　石英晶片是一种压电晶体，若在石英晶片两面镀上金属电极(通常为金或银镀层，如图1)，并对其施加外电场，在特定条件下石英晶片会产生共振，其共振频率为fref。在有外加载荷情况下，石英晶片的共振频率fload会发生变化(如图2)。如果以fref为参比，通过对共振频率变化(δ24f)进行分析，就能得到外加载荷的物理性能。石英晶体微天平仪(Quartzcrystalmicrobalance，QCM)主要通过检测物质在石英晶片表面上吸附前后石英晶片共振频率的变化以得到吸附物质的量和一些物理性能[2]。图1镀金电极的石英晶片　　Fig.1Quartzcrystalscoatedwithgo

3、ldelectrodes例如对共振频率为5MHz的石英晶片，1Hz的共振频率变化相当于176ng/cm2的被吸附物质质量的变化(假设物质的密度为1g/cm3)，若石英晶片的有效检测面积为50mm2，则吸附物质的有效质量约为88ng。若载荷是高分子薄膜，1Hz的频率变化相当于0.2nm厚的薄膜。可见石英晶体微天平仪具有非常高的灵敏度，可以测到纳米范围内的薄膜厚度变化和纳克范围内的痕量物质质量的变化。因此，广泛应用于分析科学的各个领域中，特别适合薄膜的质量及厚度的测量，生物[3,4]、化学传感器[5,6]及微量物质在表面的吸附过程的研究[7,8]。石英晶体微天平仪在聚合物薄膜的结构与性能研究

4、中的应用备受关注。本文主要综述了近年来石英晶体微天平仪在聚合物薄膜分析研究中的应用进展。　　2石英晶体微天平仪的类型及其应用基础方程　　2.1石英晶体微天平仪的分类　　2.1.1石英晶体振荡仪24石英晶体振荡与谐振状态的CMOS门电路振荡器并联，石英晶体等效一个电感与外接的电容C1和C2构成三点式LC振荡器，通过外接的电容可对频率进行微调，用频率计数器对石英晶体的共振频率进行读数。大部分石英晶体振荡仪只能测量石英晶体的共振频率，而不能测量加载物所引起的石英晶体振荡损耗。只有少数振荡仪可同时提供振荡仪的电阻信息[10]，从所得的电阻值间接地、定性地分析加载物引起的损耗。　　2.1.2基于阻

5、抗分析的石英晶体微天平仪主要采用网络分析仪，通过扫频的方法得到石英晶体的振荡频谱，包括振荡阻抗、振荡频率、振幅和峰宽等信息，如图2A所示。通过对频率曲线进行拟合，可以得到加载前后石英晶片共振频率和半峰宽的变化(δf和δΓ)。对δf和δΓ进行分析，可以得到加载物的物理性能，其中δΓ包含了加载物引起的石英晶体振荡损耗。　　2.1.3基于脉冲激发自由衰减的石英晶体微天平仪主要通过周期性脉冲信号激发石英晶体产生共振，然后切断激发信号，让振荡自由衰减，记录石英晶体振幅随时间的变化，如图2B所示。通过方程：Α(t)=A0e-t/τsin(2πφτ+)(1)对振幅自由衰减信号进行拟合，可以得到石英

6、晶体共振频率f和振荡损耗因子D，有：D=1/πfτ(2)上述3类石英晶体微天平仪均有着广泛的应用，其中石英晶体振荡仪主要应用于便携式化学与生物传感器;后两种类型的仪器在基础研究中使用较多。24　　2.2石英晶体微天平的应用基础方程　　石英晶体微天平仪在科学基础研究中有着广泛的应用，以阻抗分析方法为例，其应用基本方程为：δf+iδΓf0=iπZqZload=iπZqσvs(3)其中f0为石英晶片的基频共振频率，δf和δΓ分别为加载后石英晶片的频率和半峰宽的变化，Zq=8.8×106kg/(m2s)是石英晶体的空气阻抗，Zload是加载物质的空气阻抗，σ是加载物质在石英晶片表面形成的应力，v

7、s是石英晶片的共振速率。　　当加载物质是一层很薄的均匀薄膜(其厚度小于100nm)时，薄膜在石英晶片表面形成的应力与薄膜的厚度或质量成正比，即Sauerbery方程[11]：δf+iδΓf0=iπZq(i2πnf0mf)=-2nf0ρfdfZq(4)其中ρf，df和mf分别是薄膜的密度、厚度和质量，n=1,3,5,7,9……为石英晶片泛频共振的阶数。由此可见，薄膜只引起了石英晶片频率的变化，其半峰宽保持不变。Sauerbery方程是