Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора

На примере изучения методом пьезокварцевого микровзвешивания процесса сорбции 3,3'-дибромтимолсульфофталеина на поверхности золотого электрода резонатора в квазиравновесных условиях эксперимента показано, что линейное увеличение концентрации раствора органического вещества в области малых конце...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Хімія, фізика та технологія поверхні
Date:	2010
Main Authors:	Гребенников, В.Н., Тельбиз, Г.М., Погорелая, Л.М., Манорик, П.А., Невинский, В.А., Шульженко, А.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України 2010
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28974
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора / В.Н. Гребенников, Г.М. Тельбиз, Л.М. Погорелая, П.А. Манорик, В.А. Невинский, А.В. Шульженко // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 2. — С. 170-176. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859620249768296448
author	Гребенников, В.Н. Тельбиз, Г.М. Погорелая, Л.М. Манорик, П.А. Невинский, В.А. Шульженко, А.В.
author_facet	Гребенников, В.Н. Тельбиз, Г.М. Погорелая, Л.М. Манорик, П.А. Невинский, В.А. Шульженко, А.В.
citation_txt	Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора / В.Н. Гребенников, Г.М. Тельбиз, Л.М. Погорелая, П.А. Манорик, В.А. Невинский, А.В. Шульженко // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 2. — С. 170-176. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Хімія, фізика та технологія поверхні
description	На примере изучения методом пьезокварцевого микровзвешивания процесса сорбции 3,3'-дибромтимолсульфофталеина на поверхности золотого электрода резонатора в квазиравновесных условиях эксперимента показано, что линейное увеличение концентрации раствора органического вещества в области малых концентрационных изменений вызывает характерное понижение частоты резонанса, обусловленное последовательными процессами образования на поверхности электрода квазимономолекулярных слоев. Разработанные подходы могут быть применены для определения эффективной толщины формируемых из растворов квазимономолекулярных слоев веществ. На прикладі вивчення методом п’єзокварцового мікрозважування процесу сорбції 3,3'-дибромтимолсульфофталеїну на поверхні золотого електрода резонатора в квазірівноважних умовах експерименту показано, що лінійне збільшення концентрації розчину органічної сполуки в області малих концентраційних змін викликає характерне зменшення частоти резонансу, що обумовлено послідовними процесами утворення на поверхні електрода квазімономолекулярних шарів молекул речовини. Розроблені підходи можуть бути застосовані для визначення ефективної товщини квазімономолекулярних шарів речовин, що формуються з розчинів. The process of sorption of 3,3'-dibromtimolsulfoftalein on the surface of the gold electrode of the resonator was investigated by the method of the quartz crystal microbalance. It has been shown that under near-equilibrium conditions of an experiment linear growth of concentration of solution of organic compound within the area of small concentration changes causes a characteristic diminishing of resonance frequency. This fact has been found to be conditioned by the successive processes of a monolayer formation of matter molecules on the surface of electrode. Developed approaches can be applied to determination of effective thickness of quasi-monomolecular layers formed from the solutions.
first_indexed	2025-11-29T02:21:35Z
format	Article
fulltext	Хімія, фізика та технологія поверхні. 2010. Т. 1. № 2. С. 170–176 _____________________________________________________________________________________________ * "Контактный" автор vng2005@yandex.ru 170 ХФТП 2010. Т. 1. № 2 УДК 544.723+543.062 ПЬЕЗОКВАРЦЕВОЕ МИКРОВЗВЕШИВАНИЕ КАК СРЕДСТВО МОНИТОРИНГА ФОРМИРОВАНИЯ IN-SITU КВАЗИМОНОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СЛОЕВ ТОНКИХ ПЛЕНОК ВЕЩЕСТВ НА ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДА РЕЗОНАТОРА В.Н. Гребенников*, Г.М. Тельбиз, Л.М. Погорелая, П.А. Манорик, В.А. Невинский, А.В. Шульженко Институт физической химии им. Л.В. Писаржевского Национальной академии наук Украины пр. Науки 31, Киев 03028, Украина На примере изучения методом пьезокварцевого микровзвешивания процесса сорбции 3,3'- дибромтимолсульфофталеина на поверхности золотого электрода резонатора в квазирав- новесных условиях эксперимента показано, что линейное увеличение концентрации раство- ра органического вещества в области малых концентрационных изменений вызывает харак- терное понижение частоты резонанса, обусловленное последовательными процессами обра- зования на поверхности электрода квазимономолекулярных слоев. Разработанные подходы могут быть применены для определения эффективной толщины формируемых из растворов квазимономолекулярных слоев веществ. ВВЕДЕНИЕ Тонкие пленки, толщина которых соизме- рима с расстоянием действия поверхностных сил, можно рассматривать как слои c особы- ми, по сравнению с объемными материалами, структурными и термодинамическими харак- теристиками. Метод их формирования состав- ляет важный раздел современных нанотехно- логий, преследующих цель получения пленок функциональных материалов для медицины, микро- и оптоэлектроники, солнечной энерге- тики, сенсорики и т.д. [1, 2]. Оценку парамет- ров тонких пленок и, в первую очередь, тако- го, как толщина, проводят, как правило, ex-situ c помощью электрических методов или мето- дов элипсометрии [3, 4]. В случае, когда плен- ка сформирована непосредственно на поверх- ности электрода пьезокварцевого резонатора (ПКР), ее толщину для условий ex-situ можно также определить методом пьезокварцевого микровзвешивания (ПКМВ), используя клас- сическое уравнение Зауэрбрея [5], связываю- щее линейное изменение частоты ПКР с при- ростом массы пленки на поверхности элек- трода резонатора. При использовании ПКМВ для анализа жидких сред [6−11] уравнение Зауэрбрея пре- терпевает значительные изменения, так как, в отличие от условий ex-situ, частота колебаний ПКР становится зависимой также от физиче- ских характеристик жидкости, в частности, от ее плотности, коэффициента динамической вязкости и диэлектрической постоянной, меж- фазных свойств жидкости на границе с элек- тродом ПКР [9, 10], а в случае, когда жидкая среда является раствором сильного электроли- та, – и от удельной проводимости раствора [11]. Пьезокварцевый резонатор, погруженный в жидкость, испытывает с ее стороны демпфи- рующее воздействие, что создает дополнитель- ное сопротивление движению резонатора. По- этому при интерпретации полученных данных следует также учитывать влияние на сопро- тивление движению ПКР частоты его колеба- ний, материала электродов возбуждения и ше- роховатости их поверхности [12]. Таким образом, оценить параметры тон- ких пленок, сформированных или формируе- мых на осциллирующей поверхности резона- тора, погруженного в жидкость, – задача труд- новыполнимая. Для ее решения необходимо изыскивать новые подходы. Так, для оценки ex-situ с помощью урав- нения Зауэрбрея толщины слоев алкоксидов, последовательно формируемых адсорбцией из Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга _____________________________________________________________________________________________ ХФТП 2010. Т. 1. № 2 171 растворов на поверхности электродов ПКР, в работе [13] предложено периодически извле- кать ПКР из раствора. Использование такого подхода позволило авторам работы следить за процессом мономолекулярного наслаивания оксидной пленки и определять толщины по- лученных слоев. Однако, таким образом ис- следовать процессы самоорганизации слоев пленок на электродах ПКР во времени непо- средственно в растворах в квазиравновесных условиях не представляется возможным. Цель данной работы – используя ПКМВ для жидких сред и создав квазиравновесные условия плавным увеличением концентрации вещества в растворе по линейному закону, попытаться осуществить in-situ мониторинг формирования на поверхности электрода ПКР квазимономолекулярных слоев вещества и количественно оценить толщины сформиро- ванных слоев. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ При контакте электрода ПКР с чистым рас- творителем изменение частоты резонатора ∆f0(l) представляет собой разность между частотами его резонанса ∆f0(l) и ∆f0, измеренными соответ- ственно в растворителе и на воздухе. В случае, когда на поверхности электрода ПКР, погруженного в раствор, сорбируется ве- щество, по окончании процесса сорбции уста- навливается новое конечное значение частоты fS(l). Результирующее приращение частоты при этом можно представить в виде ∆fS(l) = fS(l) − f0 и рассматривать как алгебраическую сумму двух изменений частот. Первое из них обусловлено влиянием массы вещества, присоединяемой к поверхности электрода ПКР, а второе – влия- нием на частоту резонанса ПКР физических характеристик раствора. Согласно [14], резуль- тирующее приращение может быть представ- лено как         ∆ +−=       +∆−=∆ flqq flll m qq lS c f fc f f δρ ξρ ρ δρ π ηρ ρ ρ ξ2 1 4 2 2 0 0 2 0 )( , (1) где ρq=2,651.103 кг . м -3 – плотность α-кварца [12], сq=2,947.1010 Н . м -2 – модуль его упругости [15], ∆ρm – масса присоединенного к поверх- ности электрода ПКР вещества, отнесенная к занимаемой этим веществом площади, ∆ξ – толщина слоя и ρξ – объемная плотность ве- щества. Параметр δf=ηl 1/2(πf0ρl) -1/2 – характе- ризует глубину затухания генерируемой ПКР скорости сдвиговой волны в жидкости. Здесь ηl и ρl – динамическая вязкость и плотность раствора, соответственно. В случае сильно разбавленных растворов плотность и вязкость раствора практически не отличаются от зна- чений этих параметров для чистого раствори- теля. Поэтому для таких растворов в узком диапазоне изменения концентраций раство- ренного вещества величину δf можно считать постоянной. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ В эксперименте были использованы резо- наторы АТ-среза (USI System Co., Japan) с ос- новной частотой резонанса f0=10 МГц, диа- метром пьезопластины ПКР (1,60±0,01).10-2 м с симметрично расположенными по сторонам золотыми электродами диаметром (8,00±0,01).10-3 м. Поверхность золотых элек- тродов с целью уменьшения влияния ее шеро- ховатости на результаты измерений обрабаты- вали по методике, описанной в [16, 17]. После обработки шероховатость поверхности элек- тродов согласно данным АСМ составила ±4 нм. Один из электродов использовали в качестве рабочего с геометрической площа- дью поверхности А=(50,3±0,1).10-6 м2 и чувст- вительностью пьезопластины к массе 0,450.1012 Гц. кг -1. Для измерения резонансной частоты ПКР, погруженного в раствор, применен автогене- раторный метод [18, 19]. Резонатор как час- тотно задающий элемент был включен в элек- трическую цепь генератора колебаний высо- кой частоты, собранного на инверторах ТТЛ (серия 555ЛН1). В работе была использована эксперимен- тальная установка непрерывного дозирования раствора, схематически изображенная на рис. 1. Основными элементами этой установки бы- ли проточная ячейка 10 (Universal Sensors Inc., USA) с резонатором, емкость интенсивного пе- ремешивания 3 с мешалкой 8, оптическая про- точная кювета 9 спектрофотометра SPECOL 11 и перистальтический насос MS-CA 4/820 с тре- мя каналами 4, 5, 6. Вспомогательными узлами для установки служили емкость 1 с бидистилли- рованной водой, емкость 2 с раствором дози- руемого вещества и переключатель потоков 7. Пьезокварцевую пластину резонатора фикси- ровали в ячейке 10 между двумя специально В.Н. Гребенников, Г.М. Тельбиз, Л.М. Погорелая и др. _____________________________________________________________________________________________ 172 ХФТП 2010. Т. 1. № 2 Рис. 1. Схема экспериментальной установки непрерывного дозирования раствора одновременно в проточную ячейку с ПКР и оптическую проточную кювету спектрофотометра предусмотренными для этого кольцами из сили- коновой резины. Так как дифференциальная массовая чувствительность рабочей поверхно- сти пьезопластины ПКР имеет гауссову форму [5, 20], контакт такого уплотнения не оказывал влияния на частоту резонанса ПКР во времени как при измерениях на воздухе, так и при изме- рениях в жидкости, что подтверждают данные, представленные на рис. 2. 0 30 60 90 120 150 180 210 240 -8000 -6000 -4000 -2000 0 ∆f 0( l) , Г ц t,c 2 1 Рис. 2. Временные характеристики зафиксирован- ного в проточной ячейке ПКР, измеренные в воздушной среде (1) и после полного за- полнения ячейки бидистиллированной во- дой (2). Температура воды 20,0 ± 0,2ºС, объемная скорость ее подачи в ячейку ν0 = (8,90±0,30)×10-3 мл·с-1 Автогенератор, ПКР и узлы установки, где циркулировал раствор, термостатировали при температуре 20,0±0,2о С, что обеспечивало не- стабильность частоты менее 2.10-8 за период измерения показаний в течение 20 минут, а также постоянство гидродинамических и теп- ловых условий эксперимента. Таким образом, удалось достичь воспроизводимых результа- тов измерений частоты in-situ при контроле над последовательными стадиями формирова- ния слоев молекул сорбата. В качестве сорба- та был использован кислотно-основный ин- дикатор 3,3'-дибромтимолсульфофталеин (БТС) квалификации ч.д.а. Плотность его ρξ=1,25.103 кг. м -3, а декремент частоты ра- вен ±3,50.10-2 нм . Гц -1. Растворы БТС гото- вили на свежеприготовленной бидистилли- рованной воде. Глубина затухания скорости сдвиговой волны δf в условиях эксперимен- та равнялась 179 нм. Проточная цилиндрическая емкость 3 (рис. 1) со сферическим дном и мешалкой за- давала линейный закон изменения концентра- ции дозируемого вещества как в измеритель- ной микрокамере проточной ячейки 10, так и в оптической кювете спектрофотометра 9. Та- ким образом, удавалось одновременно, в ре- альном масштабе времени, следить как за из- менениями частоты резонанса ∆fS(l) ПКР, так и за изменениями оптической плотности D(t) раствора, который поступал с постоянной объемной скоростью потока 0,5v0 в измери- тельную камеру ячейки с ПКР и оптическую кювету 9 спектрофотометра. При режиме работы, близком к идеально- му перемешиванию, концентрация распреде- ленного вещества C(t) в каждой точке емкости 3, а также концентрация вещества Cвых. в пото- ке на выходе из нее были одинаковыми. Объ- емную скорость подвода растворенного веще- ства устанавливали vвх.= 0,5v0, а скорость его 0,5vo 0,5vo 0,5vo vо 0,5vo 0,5vo vо 1 2 3 4 5 6 7 9 10 8 vо Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга _____________________________________________________________________________________________ ХФТП 2010. Т. 1. № 2 173 отвода поддерживали vвых.= v0, в результате чего концентрация вещества на выходе из ем- кости 3 линейно зависела от времени dt V CtdC вх 0 00 5,0 )( ν = , (2) где V0 – начальный объем растворителя в ем- кости 3; v0 – объемная скорость, задаваемая перистальтическим насосом. Перед началом измерений емкость 2 экс- периментальной установки заполняли раство- ром БТС с известной начальной концентраци- ей C0 БТС ≡ С0 вх., а емкость 3 – чистым раство- рителем с известным начальным объемом V0. Результаты спектрофотометрических из- мерений во времени оптической плотности D(t) раствора БТС при λэфф = 605 нм и длине поглощающего слоя l = 2,00 cм для двух раз- ных скоростей потока представлены на рис. 3. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 2 D , о тн .е д . t,c 1 Рис. 3. Изменение оптической плотности раствора БТС в оптической кювете спектрофото- метра при объемных скоростях потока рас- твора νвх = (8,90±0,30)×10-3 мл·с-1 (1) и νвх = (4,45±0,20) ×10-3 мл·с-1 (2). С 0 БТС = (1,60±0,01)×10-5 моль·л-1, V0 = 100,0±0,1 мл и 20,0±0,2ºС. Как видно из рисунка, характер изменения оптической плотности симбатен изменению концентрации раствора в соответствии с зако- ном Ламберта-Бугера-Бера. Линейная зависи- мость сохраняется и при уменьшении величи- ны скорости потока, однако при этом увели- чивается время выхода установки на линей- ный режим работы. Так, для постоянной ско- рости потока vвх.= (4,45±0,20).10-3 мл. с -1 время выхода экспериментальной установ- ки на рабочий режим τ0 = 816 с. Спустя это время соблюдается линейная зависимость ∆D(t) = (7,093±0,008).10-5t с коэффициентом корреляции R = 0,99996. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ При пропускании через проточную ячейку раствора БТС, концентрация C(t) которого, на- чиная с момента выхода установки на рабочий режим при значении τ0 = 816 с, непрерывно повышалась в соответствии с зависимостью (2), наблюдалось понижение частоты резонанса ПКР (рис. 4). 0,0 1,0x10-6 2,0x10-6 -8600 -8575 -8550 -8525 -8500 -8475 ∆ f S (1 ), Г ц СБТС, моль/л Рис. 4. Изменение частоты ПКР резонатора при линейном повышении концентрации рас- твора БТС в проточной ячейке. ν0 = (8,90±0,30)×10-3 мл·с-1, С 0 БТС = (1,60±0,01)×10-5 моль·л-1, V0 = 100,0±0,1 мл, и 20,0±0,2ºС Из этого рисунка видно, что линейное увели- чение концентрации раствора БТС и соответст- вующее ему приращение частоты резонанса ∆fS(l) удовлетворительно коррелируют между собой с коэффициентом корреляции R = − 0,99622. По- следнему соответствует линия регрессии ∆fS(l)= − (531,06±5,42).105C(t) − (8477±1) в облас- ти только высоких концентраций БТС. В облас- ти же низких концентраций вещества наблюда- ется некоторый разброс экспериментальных значений ∆fS(l) относительно линии регрессии, который превышает погрешность проводимых измерений, а сама зависимость напоминает пе- риодическую затухающую по амплитуде функ- цию, асимптотически стремящуюся к линейной функции в области более высоких концентраций В.Н. Гребенников, Г.М. Тельбиз, Л.М. Погорелая и др. _____________________________________________________________________________________________ 174 ХФТП 2010. Т. 1. № 2 сорбата. Для низких концентраций прирост об- щей концентрации БТС в растворе на величину (0,75±0,04).10-6 моль/л приводит к понижению частоты резонанса на постоянную среднюю ве- личину, равную f∆ = − 37±2 Гц. Такой характер поведения функции отклика ПКР в узком диапазоне низких концентраций БТС может быть обусловлен сорбцией молекул БТС поверхностью золотого электрода резонато- ра с образованием на ней упорядоченного слоя. Действительно, в рассматриваемом диапазоне изменения низких концентраций БТС вязкость и плотность раствора изменяются незначительно. Поэтому их можно считать постоянными вели- чинами и приравнять их по величине к соответ- ствующим числовым значениям вязкости и плотности чистого растворителя. Тогда, согласно зависимости (1), приращение частоты ПКР в рас- творе будет определяться приращением толщины слоя сорбата на поверхности золотого электрода. Это позволяет рассчитать эффективную площадь σБТС, которую занимает молекула сорбата с моле- кулярной массой МБТС и объемной плотностью ρБТС в насыщенном квазимономолекулярном слое при эффективной толщине ∆ξБТС: БТСA БТС БТС MN AM ∆ =σ , (3) где NA– число Авогадро, МБТС = 624,39.10-3 кг. моль -1. Предположив, что среднему значению при- ращения частоты f∆ соответствует толщина квазимономолекулярного слоя из молекул БТС, адсорбированных на поверхности элек- трода, а декремент частоты ±35,0.10-12 м. Гц -1, прямой расчет его массы и толщины дает со- ответствующие числовые величины ∆МБТС=(82,1±2,4).10-12 кг и ∆ξБТС=(13,1±1,1).10-10 м при величине эффективной площади, занимае- мой молекулой в адсорбированном слое σБТС=(63,5±2,0).10-20 м2 с эффективным средним диаметром БТСd = (9,0±0,3).10-10 м. Для подтверждения полученных результатов проведено структурно- пространственное моделирование и оптимизация пространственного строения молекулы БТС. На рис. 5 изображена структура молекулы БТС, полученная в результате структурно-пространственного моделирования и энергетической оптимизации с применением программы Chem3D Ultra. Рис. 5. Структура молекулы 3,3'-дибромтимол- сульфофталеина. δН(29)–Н(12) = 11,191×10-10 м, δН(29)–Н(7) = 11,936×10-10 м, δBr(8)–Br(11) = 10,581×10-10 м, δBr(8)–O(10)enol = 9,974×10-10 м Согласно расчету с учетом взаимно- пространственного расположения донорных атомов молекулы, максимальное расстояние между наиболее удаленными друг от друга атомами в молекуле оказалось меньше, чем экспериментально определенная величина ∆ξБТС. Исходя из структуры молекулы БТС, эффективный средний диаметр для ее посадочной площадки должен превышать среднюю величину БТСd = (9,0±0,3).10-10 м, рассчитанную из экспериментальных данных. Такое несоответствие можно объяснить, если предположить, что в растворе каждая молекула БТС находится в гидратированной форме и ее в адсорбированном слое следует рассматривать как аддукт с молекулярной массой МА(n), который представляет собой молекулу БТС с присоединенными n молекулами воды. Тогда для расчета плотности этого аддукта ρA(n) можно использовать следующую формулу БТСOHOHБТС AOHБТС A nMM nM n ρρ ρρ ρ 22 2 )( )( + = . (4) Эффективную же толщину такого слоя δA можно рассчитать из экспериментальных дан- ных, воспользовавшись формулой (1), полагая при этом, что ∆ξ=δA и ρξ=ρA(n). Расчет эффективной площади σA, зани- маемой аддуктом в насыщенном адсорбиро- ванном слое, проводили по формуле Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга _____________________________________________________________________________________________ ХФТП 2010. Т. 1. № 2 175 ( )f nM n M cN f A OH OH БТС БТС qqA A ∆−        += )(2 2 2 2 0 ρ ρρρ σ . (5) Расчеты по приведенным формулам при разном числе молекул воды, входящих в состав аддукта, показали, что только при значении n=5 эффективная площадь σA=(72,7 ± 5,2).10-20 м2 с эффективным средним диаметром Ad =(10±1).10-10 м соответствует эффективной толщине слоя δA=(13,5±1,1).10-10 м. Результаты расчетов находят удовлетвори- тельное подтверждение при рассмотрении струк- туры молекулы БТС (рис. 5). В ней расстояние δН(29)-Н(12) между наиболее удаленными друг от друга атомами Н(29)–Н(12), которые опреде- ляют эффективный средний диаметр аддукта, составляет 10,581.10-10 м (в случае Н(29)–Н(7), δН(29)-Н(7)=11,936.10-10 м). С другой стороны, в эффективную толщину адсорбированного слоя также вносит вклад как расстояние δBr(8)-Br(11)=10,581.10-10 м между наиболее уда- ленными друг от друга атомами брома (либо δBr(8)-О(10)enol=9,974.10-10 м между атомами Br(8)–О(10)enol) молекулы БТС, так и размер мо- лекул воды, присоединенных к ним. Действитель- но, если эффективная толщина адсорбированного слоя, определенного из эксперимента, составляет δА=(13,1±1,1).10-10 м, то разница между этой ве- личиной и расстояниями δBr(8)-Br(11) и δBr(8)-О(10)enol дает усредненную величину 2,8.10-10 м, которая близка к длине диполя молекулы воды. Таким образом, в пределах погрешности со- ответствующие числовые величины, получен- ных расчетным и экспериментальным метода- ми, совпадают. ВЫВОДЫ На примере изучения методом пьезокварце- вого микровзвешивания сорбции 3,3'-дибром- тимолсульфофталеина на поверхности золотого электрода резонатора в квазиравновесных усло- виях эксперимента показано, что линейное уве- личение концентрации раствора органического вещества в области малых концентрационных изменений вызывает характерное понижение частоты резонанса, обусловленное последова- тельными процессами образования на поверхно- сти электрода квазимономолекулярных слоев молекул вещества. Получены эффективные тол- щины квазимономолекулярного слоя 3,3'- дибромтимолсульфофталеина и эффективной площади, занимаемой молекулой этого сорбата, которые удовлетворительно согласуются с ана- логичными геометрическими размерами молеку- лы 3,3'-дибромтимолсульфофталеина, рассчитан- ными теоретически с использованием программы Chem3D Ultra. Предлагаемые подходы могут быть применены как для мониторинга процессов последовательного формирования из растворов квазимономолекулярных слоев пленок чувстви- тельных покрытий химических сенсоров пьезо- сорбционного типа, так и для разработки методик определения эффективных толщин квазимоно- молекулярных слоев органических веществ и площадок поперечного сечения молекул сорбата. ЛИТЕРАТУРА 1. Catchpole K.R., McCann M.J., Weber K.J., Blakers A.W. A review of thin-film crystal- line silicon for solar cell applications. Part 2: Foreign substrates // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. – 2001. – V. 68, N 2. – P. 173–215. 2. Yimit A., Rossberg A.G., Amemiya T., Itoh K. Thin film composite optical waveguides for sensor applications: a review // Talanta. – 2005. – V. 65, N 5. – P. 1102–1109. 3. Collins R.W., An I., Chen C., et al. Advances in multichannel ellipsometric techniques for in-situ and real-time characterization of thin films // Thin Solid Films. – 2004. – V. 469–470. –P. 38–46. 4. Innocenzi P., Martucci A., Guglielmi M., et al. Electrical and structural characterisation of mesoporous silica thin films as humidity sensors // Sens. Actuators B. – 2001. – V. 76, N 1–3. – P. 299–303. 5. Sauerbrey G. Verwendung von Schwing- quarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowagüng // Z. Phys. Chem. – 1959.– Bd. 155.– S. 206–222. 6. Numara T., Okauhara M. Frequency shifts of piezoelectric quartz crystals immersed in or- ganic liquids // Anal. Chim. Acta. – 1982. – V. 142. – P. 281–284. 7. Yao S.Z., Nie L.H. Some aspects of the recent development of drug ion-selective electrodes // Anal. Proc. – 1987. – V. 24, N 11. – P. 336–337. 8. Kanazawa K.K., Gordon J.G. The oscillation frequency of a quartz resonator in contact with liquid // Anal. Chem. Acta. – 1985. – V. 175. – P. 99–105. 9. Schumacher R. Die Quarzmikrowaage: Eine neue Meßtechnik zur in-situ-Untersuchung des Phasengrenzbereiches fest/flüssig// Angew. Chem. – 1990. – V. 102, N 4. – P. 347–361. В.Н. Гребенников, Г.М. Тельбиз, Л.М. Погорелая и др. _____________________________________________________________________________________________ 176 ХФТП 2010. Т. 1. № 2 10. Shen D., Kang Q., Zhang P. et al. Frequency response to liquid density of a piezoelectric quartz crystal sensor with longitudinal wave // Anal. Chim. Acta. – 2004. – V. 525, N 2. – P. 205–211. 11. Yao S.Z., Zhou T.A. Dependence of the oscil- lation frequency of a piezoelectric crystal on the physical parameters of liquids // Anal. Chim. Acta. – 1988. – V. 212. – P. 61–72. 12. Martin S.J., Frye G.C., Ricco A.J., Sen- turia S.D. Effect of surface roughness on the response of thickness-shear mode resonators in liquids // Anal. Chem. – 1993. – V. 65, N 20. – P. 2910–2922. 13. Ichinose I., Senzu H., Kunitake T. Stepwise Adsorption of Metal Alkoxides on Hydrolyzed Surfaces A Surface Sol-Gel Process // Chem. Lett. – 1996. – V. 25, N 10. – P. 831–832. 14. Martin S.J., Granstaff V.E, Frye G.C. Charac- terization of a quartz crystal microbalance with simultaneous mass and liquid loading // Anal. Chem. – 1991. – V. 63, N 20. – P. 2272–2281. 15. Ballato A. Frequency-Temperature-load Ca- pacitance Behavior of Resonators for TCXO Application // IEEE Trans. Sonics Ultrason. – 1978. – V. 25, N 4. – P. 185–191. 16. Gotoh K., Nakata Y. The detergency phe- nomena of a solid oily contaminant assessed with a quartz crystal microbalance (QCM) // J. Oil Chem. Soc. Jpn. – 2004. – V. 53. – P. 489–454. 17. Gotoh K, Tagawa Y, Tabata I. A quartz crystal microbalance simulation to examine the effect of ultraviolet light treatment on characteristics of polyethylene surface// J. Oleo. Sci. – 2008. – V. 57, N 9. – Р. 495–501. 18. Nomura T., Watanabe M., West T.S. Behav- iour of piezoelectric quartz crystals in solu- tions with application to the determination of iodide // Anal. Chim. Acta. – 1985. – V. 175. – P. 107–116. 19. Кузнецов Л.А., Припачкин В.И., Мило- нов М.В. Исследование эффективности ав- тогенераторного метода измерения для пьезокварцевого микровзвешивания в жидкой среде // Датчики и системы. – 2004. – № 3.– С. 39–42. 20. Бельков В.М., Малиновская Л.М. Пьезо- электрический метод определения приме- сей в жидкостях // ЖАХ. – 1984. – Т. 39, № 9. – С. 1614–1620. Поступила 24.04.2010, принята 13.05.2010 П’єзокварцове мікрозважування як засіб моніторингу формування in-situ квазімономолекулярних шарів тонких плівок речовин на поверхні електрода резонатора В.М. Гребенніков, Г.М. Тельбіз, Л.М. Погоріла, П.А. Манорик, В.О. Невінський, О.В. Шульженко Інститут фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського Національної академії наук України пр. Науки 31, Київ 03028, Україна, vng2005@yandex.ru На прикладі вивчення методом п’єзокварцового мікрозважування процесу сорбції 3,3'- дибромтимолсульфофталеїну на поверхні золотого електрода резонатора в квазірівноважних умовах експеримен- ту показано, що лінійне збільшення концентрації розчину органічної сполуки в області малих концентраційних змін викликає характерне зменшення частоти резонансу, що обумовлено послідовними процесами утворення на поверхні електрода квазімономолекулярних шарів молекул речовини. Розроблені підходи можуть бути застосовані для ви- значення ефективної товщини квазімономолекулярних шарів речовин, що формуються з розчинів. QCM as Way for Monitoring of Quasi-Monomolecular Layers of the Thin Film Formation in-situ on the Electrode Surface Resonator V.N. Grebennykov, G.M. Telbiz, L.M. Pogorelaya, P.A. Manorik, V.A. Nevinsky, A.V. Shulzhenko Pysarzhevskiy Institute of Physical Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine 31 Nauky Prospect, Kyiv 03028, Ukraine, vng2005@yandex.ru The process of sorption of 3,3'-dibromtimolsulfoftalein on the surface of the gold electrode of the resonator was inves- tigated by the method of the quartz crystal microbalance. It has been shown that under near-equilibrium conditions of an experiment linear growth of concentration of solution of organic compound within the area of small concentration changes causes a characteristic diminishing of resonance frequency. This fact has been found to be conditioned by the successive processes of a monolayer formation of matter molecules on the surface of electrode. Developed approaches can be applied to determination of effective thickness of quasi-monomolecular layers formed from the solutions.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28974
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	2079-1704
language	Russian
last_indexed	2025-11-29T02:21:35Z
publishDate	2010
publisher	Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
record_format	dspace
spelling	Гребенников, В.Н. Тельбиз, Г.М. Погорелая, Л.М. Манорик, П.А. Невинский, В.А. Шульженко, А.В. 2011-11-27T08:08:05Z 2011-11-27T08:08:05Z 2010 Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора / В.Н. Гребенников, Г.М. Тельбиз, Л.М. Погорелая, П.А. Манорик, В.А. Невинский, А.В. Шульженко // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 2. — С. 170-176. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 2079-1704 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28974 544.723+543.062 На примере изучения методом пьезокварцевого микровзвешивания процесса сорбции 3,3'-дибромтимолсульфофталеина на поверхности золотого электрода резонатора в квазиравновесных условиях эксперимента показано, что линейное увеличение концентрации раствора органического вещества в области малых концентрационных изменений вызывает характерное понижение частоты резонанса, обусловленное последовательными процессами образования на поверхности электрода квазимономолекулярных слоев. Разработанные подходы могут быть применены для определения эффективной толщины формируемых из растворов квазимономолекулярных слоев веществ. На прикладі вивчення методом п’єзокварцового мікрозважування процесу сорбції 3,3'-дибромтимолсульфофталеїну на поверхні золотого електрода резонатора в квазірівноважних умовах експерименту показано, що лінійне збільшення концентрації розчину органічної сполуки в області малих концентраційних змін викликає характерне зменшення частоти резонансу, що обумовлено послідовними процесами утворення на поверхні електрода квазімономолекулярних шарів молекул речовини. Розроблені підходи можуть бути застосовані для визначення ефективної товщини квазімономолекулярних шарів речовин, що формуються з розчинів. The process of sorption of 3,3'-dibromtimolsulfoftalein on the surface of the gold electrode of the resonator was investigated by the method of the quartz crystal microbalance. It has been shown that under near-equilibrium conditions of an experiment linear growth of concentration of solution of organic compound within the area of small concentration changes causes a characteristic diminishing of resonance frequency. This fact has been found to be conditioned by the successive processes of a monolayer formation of matter molecules on the surface of electrode. Developed approaches can be applied to determination of effective thickness of quasi-monomolecular layers formed from the solutions. ru Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України Хімія, фізика та технологія поверхні Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора П’єзокварцове мікрозважування як засіб моніторингу формування in-situ квазімономолекулярних шарів тонких плівок речовин на поверхні електрода резонатора QCM as Way for Monitoring of Quasi-Monomolecular Layers of the Thin Film Formation in-situ on the Electrode Surface Resonator Article published earlier
spellingShingle	Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора Гребенников, В.Н. Тельбиз, Г.М. Погорелая, Л.М. Манорик, П.А. Невинский, В.А. Шульженко, А.В.
title	Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора
title_alt	П’єзокварцове мікрозважування як засіб моніторингу формування in-situ квазімономолекулярних шарів тонких плівок речовин на поверхні електрода резонатора QCM as Way for Monitoring of Quasi-Monomolecular Layers of the Thin Film Formation in-situ on the Electrode Surface Resonator
title_full	Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора
title_fullStr	Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора
title_full_unstemmed	Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора
title_short	Пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора
title_sort	пьезокварцевое микровзвешивание как средство мониторинга формирования in-situ квазимономолекулярных слоев тонких пленок веществ на поверхности электрода резонатора
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28974
work_keys_str_mv	AT grebennikovvn pʹezokvarcevoemikrovzvešivaniekaksredstvomonitoringaformirovaniâinsitukvazimonomolekulârnyhsloevtonkihplenokveŝestvnapoverhnostiélektrodarezonatora AT telʹbizgm pʹezokvarcevoemikrovzvešivaniekaksredstvomonitoringaformirovaniâinsitukvazimonomolekulârnyhsloevtonkihplenokveŝestvnapoverhnostiélektrodarezonatora AT pogorelaâlm pʹezokvarcevoemikrovzvešivaniekaksredstvomonitoringaformirovaniâinsitukvazimonomolekulârnyhsloevtonkihplenokveŝestvnapoverhnostiélektrodarezonatora AT manorikpa pʹezokvarcevoemikrovzvešivaniekaksredstvomonitoringaformirovaniâinsitukvazimonomolekulârnyhsloevtonkihplenokveŝestvnapoverhnostiélektrodarezonatora AT nevinskiiva pʹezokvarcevoemikrovzvešivaniekaksredstvomonitoringaformirovaniâinsitukvazimonomolekulârnyhsloevtonkihplenokveŝestvnapoverhnostiélektrodarezonatora AT šulʹženkoav pʹezokvarcevoemikrovzvešivaniekaksredstvomonitoringaformirovaniâinsitukvazimonomolekulârnyhsloevtonkihplenokveŝestvnapoverhnostiélektrodarezonatora AT grebennikovvn pêzokvarcovemíkrozvažuvannââkzasíbmonítoringuformuvannâinsitukvazímonomolekulârnihšarívtonkihplívokrečovinnapoverhníelektrodarezonatora AT telʹbizgm pêzokvarcovemíkrozvažuvannââkzasíbmonítoringuformuvannâinsitukvazímonomolekulârnihšarívtonkihplívokrečovinnapoverhníelektrodarezonatora AT pogorelaâlm pêzokvarcovemíkrozvažuvannââkzasíbmonítoringuformuvannâinsitukvazímonomolekulârnihšarívtonkihplívokrečovinnapoverhníelektrodarezonatora AT manorikpa pêzokvarcovemíkrozvažuvannââkzasíbmonítoringuformuvannâinsitukvazímonomolekulârnihšarívtonkihplívokrečovinnapoverhníelektrodarezonatora AT nevinskiiva pêzokvarcovemíkrozvažuvannââkzasíbmonítoringuformuvannâinsitukvazímonomolekulârnihšarívtonkihplívokrečovinnapoverhníelektrodarezonatora AT šulʹženkoav pêzokvarcovemíkrozvažuvannââkzasíbmonítoringuformuvannâinsitukvazímonomolekulârnihšarívtonkihplívokrečovinnapoverhníelektrodarezonatora AT grebennikovvn qcmaswayformonitoringofquasimonomolecularlayersofthethinfilmformationinsituontheelectrodesurfaceresonator AT telʹbizgm qcmaswayformonitoringofquasimonomolecularlayersofthethinfilmformationinsituontheelectrodesurfaceresonator AT pogorelaâlm qcmaswayformonitoringofquasimonomolecularlayersofthethinfilmformationinsituontheelectrodesurfaceresonator AT manorikpa qcmaswayformonitoringofquasimonomolecularlayersofthethinfilmformationinsituontheelectrodesurfaceresonator AT nevinskiiva qcmaswayformonitoringofquasimonomolecularlayersofthethinfilmformationinsituontheelectrodesurfaceresonator AT šulʹženkoav qcmaswayformonitoringofquasimonomolecularlayersofthethinfilmformationinsituontheelectrodesurfaceresonator

Institution

Similar Items