什么是耗散型石英晶体微天平？
为称量极小质量和软的物质而量身定制的特殊“天平”
QCM-D，是耗散型石英晶体微天平的简称，它实质上是一个适用于称量极小质量的物质的天平。耗散型石英晶体微天平（QCM-D）是石英晶体微天平（QCM）的扩展型，QCM是一种从60年代沿用至今的用于测量真空或气相中表面质量变化的技术。QCM技术可以实时测量芯片表面上吸附或损失的质量，因此非常适合测量诸如电子半导体器件或光学薄膜等薄膜沉积过程中膜的形成速率以及厚度。
不同的QCM适用于不同种类的薄膜
在真空或气相中沉积的薄膜通常非常薄且坚硬，这使得它们非常适合用QCM来研究并输出参数。在这种情况下，谐振频率的变化与芯片表面质量的变化呈线性相关。在其他介质中，如液体、或其他类型的较软的吸附层，如生物分子形成的吸附层。标准的QCM由于受限于与膜的性质有关的测试原理并不适用。然而，QCM-D是一种扩展版本的QCM，特别适用于表征软吸附层的特性。由于附加了耗散信号的测量，使软的吸附层的质量和厚度变化也可以定量的测得。
什么样的吸附层是软的？
软的吸附层通常由生物分子、聚合物、土壤、例如油脂、或其他任何类型的不具有固体性质的材料构成。还有一些“硬”（分子本身是刚性）的分子通过溶剂化或水合作用形成的宏观尺度上具有类似于软膜性质的吸附层。举个这样的例子，如纤维素纤维，在干燥状态下表现为刚性的吸附在表面上，但当暴露在水中便会膨胀并形成一个水合软层。
探究刚性吸附层与软吸附层之间的转换
刚才，我们已经讨论了QCM-D适用于表征软膜的质量和厚度。这些信息与分析表面是否发生相互作用及定量表征有关。诸如“多少材料吸附到表面？”或者“从表面脱附了多少？”“这个过程有多快？”的问题都可以得到解答。利用QCM-D还可以测量薄膜的柔软性。这些信息可以分析吸附在表面上的分子的排列方式。例如，它们是形成较为紧密的排布或者较为疏松的分布在表面上。它们是平躺在表面上还是延伸出来。由于柔软度是作为时间的函数来测量的，所以可以在固定的过程中检测和跟踪分子结构变化，如溶胀过程或交联过程，如图1所示。
图1. QCM-D检测到的硬膜与软膜间相互转化过程的示意图
绿色插图（上图）显示了一层的交联或折叠。最初，分子在表面排列稀松呈延展状态形成水合层。当交联发生时，分子发生折叠并在表面形成薄而坚硬的吸附层，图中绿色曲线说明了厚度的变化。蓝色插图（下图）显示了相反的效果。最初，表面有一层薄而硬的层，然后膨胀变得厚而软，图中蓝色曲线说明了厚度的变化。
