Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har hittat ett sätt att koppla mätningar som görs av en enhet som är integrerad i tillverkning av mikrochip och andra industrier direkt till det nyligen omdefinierade International System of Units (SI, det moderna metriska systemet). Denna spårbarhet kan kraftigt öka användarnas förtroende för sina mätningar eftersom SI nu helt och hållet bygger på grundläggande naturkonstanter.

Enheten, en diskstorlek som kallas en kvartskristallmikrobalans (QCM), är kritiskt viktigt för företag som förlitar sig på precisionskontroll av bildandet av tunna filmer. Mycket tunna:De sträcker sig från mikrometer (miljondelar av en meter) till några tiotals nanometer (miljarder av en meter, eller cirka 10, 000 gånger tunnare än ett mänskligt hår) och produceras vanligtvis i en vakuumkammare genom att exponera en målyta för en noggrant reglerad mängd kemisk ånga som fastnar på ytan och bildar filmen. Ju större exponering, ju tjockare filmen.

Tunna filmer är viktiga komponenter i elektroniska halvledare, optiska beläggningar för linser, Lysdioder, solceller, magnetiska inspelningsmedier för datorer, och många andra tekniker. De används också inom teknik som mäter koncentrationen av mikrobiella föroreningar i luft, patogener i vattenförsörjningen, och antalet mikroorganismer som fäster sig vid biologiska ytor under infektionsförloppet.

Alla dessa användningsområden kräver extremt noggranna mätningar av filmens tjocklek. Eftersom det är svårt att mäta direkt, tillverkare använder ofta QCM, som har en värdefull egenskap:När en växelström appliceras på dem, de vibrerar med en resonansfrekvens som är unik för varje disk och dess massa.

För att bestämma exakt hur mycket filmmaterial som deponeras, de placerar en QCM -skiva i vakuumkammaren och mäter dess resonansfrekvens. Sedan utsätts skivan för en kemisk ånga. Ju mer ånga som fäster vid QCM, ju större dess massa - och desto långsammare vibrerar den. Den förändringen i frekvens är ett känsligt mått på den tillsatta massan.

"Men trots allestädes närvarande implementering av QCM i hela branschen och akademin, "sa NIST -fysikern och huvudforskaren Corey Stambaugh, "en direkt länk till SI -massenheten har inte funnits." Förhållandet mellan SI -massenheten (kilogrammet) och resonansfrekvensen antas vara väl karakteriserad efter årtionden av QCM -mätningar. Men genom åren, industrin har gjort förfrågningar till NIST angående den absoluta massnoggrannheten för dessa frekvensmätningar. De nya resultaten som presenteras av Stambaugh och kollegor är i stor utsträckning ett svar på dessa frågor.

"Vi förväntar oss att våra resultat kommer att möjliggöra ett nytt, högre säkerhet i QCM -mätningar genom att ge spårbarhet till det nya SI, "sa NIST -fysikern Joshua Pomeroy, som tillsammans med Stambaugh och andra rapporterar sina fynd idag i tidningen Metrologia . Omdefinieringen av SI -enheterna i maj 2019 eliminerade föregående metallprototypkilogram som standard och definierade istället kilogrammet i termer av en kvantkonstant.

I det nya SI, massa på kilogramnivå kommer att realiseras i USA med hjälp av den konstanten i NIST:s Kibble -balans.

I det nya SI, NIST De har också utvecklat ett standardinstrument, kallad elektrostatisk kraftbalans (EFB), som ger extremt noggrann mätning av massor i milligramintervallet och lägre), som är direkt kopplade till SI genom en kvantkonstant. EFB gav laget referensmilligramstorlekar med en precision i storleksordningen en bråkdel av ett mikrogram (1/1, 000, 000:e av 1 gram, eller ungefär en miljonedel massan av ett genomsnittligt gem).

Stambaugh och kollegor vägde noggrant en obestruket kvartsskiva, suspenderade den sedan i en vakuumkammare och mätte dess resonansfrekvens. Ungefär 0,5 meter (20 tum) under skivan var en ugn som värmde en mängd guld till 1480 C (2700 F). Guldånga från ugnen steg och fäst sig på QCM:s nedre yta, öka dess massa och därmed bromsa sin resonansfrekvens. Forskarna upprepade proceduren vid olika tidsintervaller och därmed olika mängder massuppsamling. upprepades vid olika tidsintervaller. Forskarna deponerade guldånga var över olika tidsintervall och registrerade de efterföljande förändringarna i resonansfrekvens. De vägde skivan igen med samma EFB -referensmassor. Detta gav en exakt mätning av förändringen i massa, och gav därmed ett exakt mått på den mängd guld som deponerades.

Under arbetets gång, laget gjorde också en fullständig bedömning av osäkerheterna i QCM -mätningarna. De identifierade den mest exakta matematiska metoden för att korrelera tillsatsen av massa till förändringen i QCM:s resonansfrekvens.

"Detta arbete utgör ett viktigt steg i en teknik för spårbart spårning - och därmed korrigering för - massförändringar över tid, "sa NIST -fysikern Zeina Kubarych.

I det avseendet, de nya fynden kan hjälpa till att förbättra massens spridning efter den nya SI -definitionen. Det nya kilogramet "realiseras" - omvandlas från en abstrakt definition till en fysisk verklighet - genom högt kontrollerade laboratoriemätningar i en vakuumkammare. Men arbetsstandarderna för kilogrammet kommer att spridas-fysiskt levereras till mätvetenskapliga laboratorier-i form av metallmassor i det fria. Det betyder att vattenånga och allt annat som finns i luften kan adsorberas på ytan av ett kilogram arbetsstandard, orsakar felaktig mätning av dess massa.

Eftersom luftfuktighet och luftföroreningar skiljer sig väsentligt åt runt om i världen, mätningar av en noggrant kalibrerad massstandard kan skilja sig avsevärt från plats till plats vid de noggrannhetsnivåer som behövs för industriell och vetenskaplig metrologi. Om, dock, en kalibrerad QCM skulle följa med varje standard, det kan ge ett exakt mått på mängden material som adsorberas under transport och på destinationen, hjälpa laboratorierna att få mer exakta definitioner av det nya kilot samtidigt som hänsyn tas till miljöförhållandena.