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1 - PRINCIPES

2 - APPLICATIONS DE LA MCQ

3 - CONCLUSIONS

Article de référence | Réf : P2220 v1

Principes
Microbalance à cristal de quartz

Auteur(s) : Thierry PAUPORTÉ, Daniel LINCOT

Relu et validé le 13 oct. 2020

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RÉSUMÉ

Instrument de mesure d’une très grande sensibilité, la microbalance à cristal de quartz (MCQ) est basée sur les propriétés piézo-électriques du quartz. Elle permet de mesurer une prise de masse à la surface d’une des électrodes du résonateur. Souvent utilisée pour étudier les dépôts ou les interfaces, cette microbalance est également retenue pour des mesures de contraintes dans des films, de viscosité d’une solution ou l’étude de la formation de bulles. Sa fréquence de résonance est malgré tout impactée par d’autres paramètres de l’environnement.

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Auteur(s)

  • Thierry PAUPORTÉ : Ancien élève de l’École Normale Supérieure de Lyon - Chargé de Recherche au CNRS - Chercheur au Laboratoire d’Électrochimie et de Chimie Analytique à l’École Nationale Supérieure de Chimie de Paris

  • Daniel LINCOT : Ingénieur ESPCI (École Supérieure de Physique et Chimie Industrielles) - Directeur de Recherche au CNRS - Directeur du Laboratoire d’Électrochimie et de Chimie Analytique à l’École Nationale Supérieure de Chimie de Paris

INTRODUCTION

La mesure d’une faible prise ou perte de masse sur une surface lorsque les phénomènes mis en jeu sont sub-micrométriques nécessite l’utilisation d’une méthode adaptée. Dans ce cas, les méthodes classiques de pesée ne peuvent pas être utilisées du fait de leur faible sensibilité et de la difficulté de les mettre en œuvre dans des milieux variés, notamment liquides (le lecteur pourra se reporter au dossier Balances et pesées [1]). La microbalance à cristal de quartz (MCQ) est une méthode basée sur les propriétés piézo-électriques du quartz. Elle est très sensible, ce qui permet la mesure de très faibles variations de masse (jusqu’à la fraction d’une monocouche). La MCQ est très simple à mettre en œuvre et l’équipement nécessaire est d’un coût modéré. Enfin, dans sa variante électrochimique, le potentiel électrochimique de la surface de mesure peut être contrôlé permettant un ajustement de la charge de surface et/ou de l’état redox des espèces présentes.

Cependant, l’utilisation de la MCQ nécessite certaines précautions, qui sont dues au principe de fonctionnement du capteur utilisé (un cristal de quartz) et à sa sensibilité à d’autres paramètres que le dépôt ou la perte de matière. Ces paramètres sont essentiellement : la température, le contact avec une solution, la pression et les contraintes exercées sur le quartz. Les applications de la méthode sont très variées et dépassent très largement le dépôt ou l’électrodépôt de couches. Celles-ci seront détaillées dans le paragraphe 2 de ce dossier.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-p2220


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1. Principes

1.1 Généralités

La microbalance (ou nanobalance) à cristal de quartz (MCQ) est un instrument de haute précision permettant de mesurer les variations de masse à la surface d’une électrode [2] à [9]. Le terme microbalance (ou nanobalance) provient de la sensibilité de cet instrument puisque celle-ci se situe bien en dessous du microgramme. Historiquement, les mesures de variation de masse ont été réalisées à l’aide de balances dont le fonctionnement est basé sur une mesure mécanique ou électromagnétique de forces. Cependant, ces instruments ne permettent, en général, qu’une mesure à l’air. Dans le cas de phénomènes de dépôt ou de dissolution en solution, la mesure ne peut donc être réalisée qu’ex situ et les processus ne peuvent pas être suivis en continu. De plus, la limite de détection d’une ultramicrobalance d’analyse se situe autour de 0,1 µg [1]. Cette limite est insuffisante pour la mesure d’une ou plusieurs monocouches d’atomes sur une surface. La microbalance offre une sensibilité 100 fois plus élevée, se situant dans le domaine du nanogramme. Cette méthode permet la réalisation de mesures dans des milieux variés, notamment les milieux liquides. Un autre avantage est que la précision de la mesure résulte de la géométrie du capteur, appelé résonateur, et de l’électronique qui mesure les variations de propriétés de ce capteur, ceci rend l’étalonnage a priori inutile...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LOUVEL (D.) -   Balances et pesées  -  . Les Techniques de l’Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation [Balances et pesées] (2006).

  • (2) - DEAKIN (M.R.), BUTTRY (D.A.) -   Electrochemical applications of the quartz crystal microbalance  -  . Anal. Chem., vol. 61, no 20, pp. 1147A-1154A (1989).

  • (3) - BUTTRY (D.A.), WARD (M.D.) -   In situ interfacial mass detection with piezoelectric transducers  -  . Science, vol. 249, pp. 1000-1007 (1990).

  • (4) - BUTTRY (D.A.) -   Application of the quartz crystal microbalance to electrochemistry  -  . Dans Electroanalytical Chemistry, a series of advances, édité par Bard (A.J.), Marcel Dekker, New York, pp. 1-85 (1991).

  • (5) - BUTTRY (D.A.) -   The quartz crystal microbalance as in situ tool in electrochemistry  -  . Chap. 10 dans Electrochemical interfaces: modern techniques for in situ interface characterization, édité par Abruna (H.D.), VCH, New York (1991).

  • ...

1 Fabricants et Fournisseurs

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1.1 Fabricants et fournisseurs de microbalance

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1.2 Fabricants de quartz

Les quartz sont en général vendus par les fournisseurs de microbalance. Cependant, on pourra consulter le site du fabricant suivant :

International Crystal Manufacturing : ( http://www.icmfg.com)

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