Forskere forbinder kvartsmikrobalancemålinger med internationalt målesystem

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har fundet en måde at forbinde målinger foretaget af en enhed, der er integreret i mikrochipfabrikation og andre industrier, direkte til det nyligt omdefinerede International System of Units (SI, det moderne metriske system). Denne sporbarhed kan i høj grad øge brugernes tillid til deres målinger, fordi SI nu helt er baseret på grundlæggende naturkonstanter.

Enheden, en disk i størrelse, kaldet en kvarts krystal mikrobalance (QCM), er kritisk vigtig for virksomheder, der er afhængige af præcisionskontrol af dannelsen af ​​tynde film. Meget tynde:De spænder fra mikrometer (milliontedele af en meter) til nogle få titalls nanometer (milliarder af en meter, eller omkring 10, 000 gange tyndere end et menneskehår) og produceres typisk i et vakuumkammer ved at udsætte en måloverflade for en omhyggeligt reguleret mængde kemisk damp, der klæber til overfladen og danner filmen. Jo større eksponering, jo tykkere filmen.

Tynde film er essentielle komponenter i elektroniske halvlederanordninger, optiske belægninger til linser, Lysdioder, solceller, magnetiske optagemedier til computing, og mange andre teknologier. De bruges også i teknologier, der måler koncentrationen af ​​mikrobielle kontaminanter i luft, patogener i vandforsyningen, og antallet af mikroorganismer, der knytter sig til biologiske overflader i løbet af infektionen.

Alle disse anvendelser kræver ekstremt nøjagtige målinger af filmens tykkelse. Fordi det er svært at måle direkte, producenter bruger ofte QCM'er, som har en værdifuld egenskab:Når en vekselstrøm påføres dem, de vibrerer med en resonansfrekvens, der er unik for hver disk og dens masse.

For at bestemme præcist, hvor meget filmmateriale der deponeres, de placerer a QCM -disken i vakuumkammeret og måler dens resonansfrekvens. Derefter udsættes disken for en kemisk damp. Jo mere damp der klæber til QCM, jo større dens masse - og jo langsommere vibrerer den. Denne ændring i frekvens er et følsomt mål for den tilføjede masse.

"Men på trods af allestedsnærværende implementering af QCM'er i hele industrien og den akademiske verden, "sagde NIST -fysiker og hovedforsker Corey Stambaugh, "en direkte forbindelse til SI -masseenheden har ikke eksisteret." Forholdet mellem SI -masseenheden (kilogrammet) og resonansfrekvensen antages at være godt karakteriseret efter årtiers QCM -målinger. Men i årenes løb, industrien har forespurgt NIST vedrørende den absolutte massenøjagtighed af disse frekvensmålinger. De nye resultater præsenteret af Stambaugh og kolleger er i vid udstrækning et svar på disse forespørgsler.

"Vi forventer, at vores fund vil muliggøre en ny, højere grad af sikkerhed i QCM -målinger ved at give sporbarhed til det nye SI, "sagde NIST -fysikeren Joshua Pomeroy, der sammen med Stambaugh og andre rapporterer deres fund i dag i journalen Metrologi . Omdefinitionen af ​​SI -enhederne i maj 2019 eliminerede den tidligere metalprototype kilogram som en standard og definerede i stedet kilogrammet i form af en kvantekonstant.

I det nye SI, masse på kilogramniveau vil blive realiseret i USA ved hjælp af denne konstant i NIST's Kibble -balance.

I det nye SI, NIST De har også udviklet et standardinstrument, kaldet elektrostatisk kraftbalance (EFB), der giver ekstremt nøjagtig måling af masser i milligramområdet og lavere), som er direkte knyttet til SI ved hjælp af en kvantekonstant. EFB gav teamet referencemilligrammasser med en præcision i størrelsesordenen en brøkdel af et mikrogram (1/1, 000, 000. af 1 gram, eller omkring en milliondel af massen af ​​en gennemsnitlig papirclips).

Stambaugh og kolleger vejede omhyggeligt en ubelagt kvartsskive, suspenderede den derefter i et vakuumkammer og målte dens resonansfrekvens. Cirka 0,5 meter under skiven var en ovn, der opvarmede en mængde guld til 1480 C (2700 F). Gulddamp fra ovnen steg og fastgjorde sig til den nedre overflade af QCM, øge dens masse og dermed bremse dens resonansfrekvens. Forskerne gentog proceduren med forskellige tidsintervaller og dermed forskellige mængder af masseakkretion. blev gentaget med forskellige tidsintervaller. Forskerne aflejrede gulddamp var over forskellige tidsintervaller og registrerede de efterfølgende ændringer i resonansfrekvens. De vejede disken igen ved hjælp af de samme EFB -referencemasser. Dette gav en nøjagtig måling af ændringen i masse, og dermed givet et nøjagtigt mål for mængden af ​​deponeret guld.

I løbet af arbejdet, teamet udførte også en komplet vurdering af usikkerhederne i QCM -målingerne. De identificerede den mest nøjagtige matematiske metode til at korrelere tilsætning af masse til ændringen i QCM's resonansfrekvens.

"Dette arbejde er et vigtigt trin i en teknik til sporbart at spore - og dermed korrigere for - masseændringer over tid, "sagde NIST -fysikeren Zeina Kubarych.

I den forbindelse de nye fund kan hjælpe med at forbedre den måde, massen formidles på efter den nye SI -definition. Det nye kilo "realiseres" - konverteres fra en abstrakt definition til en fysisk virkelighed - gennem stærkt kontrollerede laboratoriemålinger i et vakuumkammer. Men kilogrammets arbejdsnormer vil blive spredt-fysisk leveret til målevidenskabelige laboratorier-i form af metalmasser i det fri. Det betyder, at vanddamp og hvad der ellers er i luften, kan adsorbere på overfladen af ​​en kilogram arbejdsstandard, forårsager unøjagtig måling af dens masse.

Fordi luftfugtighed og luftforurenende stoffer adskiller sig væsentligt rundt om i verden, målinger af en omhyggeligt kalibreret massestandard kan variere betydeligt fra sted til sted med de nøjagtighedsniveauer, der er nødvendige for industriel og videnskabelig metrologi. Hvis, imidlertid, en kalibreret QCM skulle ledsage hver standard, det kunne give et nøjagtigt mål for mængden af ​​materiale, der adsorberes under transit og på destinationen, hjælpe laboratorierne med at modtage mere præcise definitioner af det nye kilo, samtidig med at der tages hensyn til miljøforholdene.