Dr. rer. nat. - Qucosa

50 EINLEITUNG UND ZIELSTELLUNG
1.2.5 Die Quarzmikrowaage
Die Quarzmikrowaage (QCM engl. Quartz Crystal Microbalance) ist ein Instrument,
mit dessen Hilfe man Massenänderungen auf Oberflächen sehr empfindlich nachweisen
kann. Physikalische Grundlage der Messung ist der umgekehrte piezoelektrische Effekt.
Piezoelektrizität tritt immer dann auf, wenn Kristalle mit einer polaren Achse in deren
Richtung durch Druck, Zug oder Torsion beansprucht werden. An deren Kristalloberfläche
treten infolge der Beanspruchung elektrische Ladungen auf. Beispiele für solche Kristalle
sind Quarz, Turmalin und Bariumtitanat.
Das Herzstück einer Quarzmikrowaage ist ein Schwingquarz, der durch Anlegen
einer Wechselspannung zu einer resonanten Schwingung angeregt wird. Quarz ist auf
Grund seiner guten mechanischen und dynamischen Stabilität sowie der je nach Schnitt
geringen Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz als Piezoelektrikum sehr gut
geeignet. Um bestimmte Schwingungsformen anzuregen, ist es möglich den Resonator in
verschiedenen Winkeln aus dem Kristall zu schneiden. Für die Quarzmikrowaage werden
Plättchen aus einem stabförmigen a-Quarzkistall mit einem Winkel von 35,25° zur
kristallographischen z-Achse geschnitten. Dabei erhält man einen Quarz mit sogenannten
AT-Schnitt. In der Bezeichnung „AT“ steht der Buchstabe A für den Schwingungstyp
(schneller Dickenschwinger) und der Buchstabe T für temperaturkompensiert. Das
Quarzplättchen besitzt auf beiden Seiten eine aufgedampfte Goldelektrode mit einer
Schichtdicke von circa 100 nm.
Quarzmikrowaagen-Messungen sind in der aktiven (Oszillatormethode) oder der
passiven (Netzwerkanalyse) Messtechnik durchführbar. Beim aktiven Verfahren wird der
Schwingquarz als frequenzbestimmendes Element in einem Rückkopplungsverstärker
eingesetzt. Während der Messung wird die Quarzoszillation durch ein elektronisches
Treibersystem unterhalten. Die gemessene Resonanzfrequenz ist ein Summensignal,
welches sich aus Beladung, Dämpfung, aber auch Beiträgen des Treibersystems
zusammensetzt. Diese Frequenz stimmt nur selten sehr genau mit der mechanischen
Resonanzfrequenz des Quarzes überein.
Beim passiven Verfahren wird die Impedanzspektroskopie und Netzwerkanalyse
eingesetzt. Als Messwert dient der komplexe Reflexionsfaktor, der das frequenzabhängige
Verhältnis von in den Quarz laufenden und von ihm reflektierten Sinusspannungen angibt.
Es kann sowohl die Resonanzfrequenz als auch die Dämpfung der Quarzschwingung
registriert werden. Die Oszillation der Quarzmikrowaage ist bei diesem Verfahren auch
in hochviskosen Flüssigkeiten stabil, und Messungen von Vorgängen, die in wässrigen
Lösungen an der Elektrode stattfinden, sind möglich.
Zur analytischen Beschreibung der auf den Quarz aufgebrachten Schichten existieren