美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的研究人員找到了一種方法，可以將微芯片制造和其他行業(yè)中不可或缺的設(shè)備所進(jìn)行的測量直接與最近重新定義的國際單位制(SI，現(xiàn)代公制)相聯(lián)系。由于SI現(xiàn)在完全基于自然的基本常數(shù)，因此可追溯性可以極大地提高用戶對測量的信心。

該設(shè)備是一角錢大小的磁盤，稱為石英晶體微天平(QCM)，對于依賴于薄膜形成的精確控制的企業(yè)而言至關(guān)重要。非常?。核鼈兊姆秶鷱奈⒚?百萬分之一米)到幾十納米(十億分之一米，或比人的頭發(fā)薄約10,000倍)，通常是在真空室內(nèi)通過將目標(biāo)表面暴露于精心調(diào)節(jié)的化學(xué)蒸氣量，該蒸氣附著在表面并形成薄膜。曝光量越大，膠卷越厚。

薄膜是電子半導(dǎo)體設(shè)備，透鏡的光學(xué)涂層，LED，太陽能電池，用于計(jì)算的磁記錄介質(zhì)以及許多其他技術(shù)中的基本組件。它們還用于測量空氣中微生物污染物濃度，供水中病原體以及在感染過程中附著在生物表面上的微生物數(shù)量的技術(shù)。

所有這些用途都要求對薄膜的厚度進(jìn)行極其精確的測量。由于很難直接測量，制造商經(jīng)常使用QCM，它們具有寶貴的性能：向它們施加交流電時(shí)，它們會以每個(gè)磁盤及其質(zhì)量唯一的共振頻率振動(dòng)。

為了準(zhǔn)確確定要沉積多少薄膜材料，他們將QCM盤放入真空室并測量其共振頻率。然后，磁盤暴露于化學(xué)蒸汽中。附著在QCM上的蒸氣越多，其質(zhì)量就越大，并且振動(dòng)越慢。頻率的變化是增加質(zhì)量的敏感度量。

NIST的物理學(xué)家兼首席研究員Corey Stambaugh表示：“但是，盡管QCM在整個(gè)行業(yè)和學(xué)術(shù)界都得到了廣泛應(yīng)用，但還沒有與SI質(zhì)量單位的直接聯(lián)系。” 經(jīng)過幾十年的QCM測量，可以很好地表征SI質(zhì)量單位(千克)與共振頻率之間的關(guān)系。但是多年來，工業(yè)界已經(jīng)向NIST詢問了這些頻率測量的絕對質(zhì)量精度。Stambaugh及其同事提出的新結(jié)果在很大程度上是對這些疑問的回應(yīng)。

NIST物理學(xué)家Joshua Pomeroy說：“我們希望通過提供對新SI的可追溯性，我們的發(fā)現(xiàn)將為QCM測量提供新的更高水平的保證，”他與Stambaugh等人今天在Metrologia雜志上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。2019年5月對SI單位的重新定義消除了以前的金屬原型公斤作為標(biāo)準(zhǔn)，而是根據(jù)量子常數(shù)定義了公斤。

在新的SI中，將使用NIST的粗磨平衡中的常數(shù)在美國實(shí)現(xiàn)千克級的質(zhì)量。

在新的SI中，NIST他們還開發(fā)了一種稱為靜電力平衡(EFB)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，該儀器可極其精確地測量毫克范圍及以下的質(zhì)量，這些質(zhì)量通過量子直接與SI關(guān)聯(lián)。不變。EFB為團(tuán)隊(duì)提供了參考毫克大小的質(zhì)量，精度為微克的幾分之一(1克的1 / 1,000,000，即平均回形針質(zhì)量的約百萬分之一)。

Stambaugh及其同事仔細(xì)稱重未涂層的石英盤，然后將其懸掛在真空室內(nèi)并測量其共振頻率。圓盤下方約0.5米(20英寸)處是一個(gè)將一定量的金加熱到1480 C(2700 F)的熔爐。來自熔爐的金蒸氣上升并附著在QCM的下表面，從而增加了質(zhì)量，從而降低了共振頻率?？茖W(xué)家們在不同的時(shí)間間隔重復(fù)了該程序，因此產(chǎn)生了不同的質(zhì)量增加量。在不同的時(shí)間間隔重復(fù)。研究人員在不同的時(shí)間間隔內(nèi)沉積了金蒸氣，并記錄了隨后共振頻率的變化。他們使用相同的EFB參考質(zhì)量再次稱重磁盤。這樣就可以精確測量質(zhì)量變化，

在工作過程中，團(tuán)隊(duì)還對QCM測量中的不確定性進(jìn)行了完整的評估。他們確定了將質(zhì)量增加與QCM共振頻率變化相關(guān)聯(lián)的最準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)方法。

NIST物理學(xué)家Zeina Kubarych說：“這項(xiàng)工作為跟蹤隨時(shí)間變化的質(zhì)量并提供校正的技術(shù)提供了關(guān)鍵的一步。”

在這方面，新的發(fā)現(xiàn)可能有助于改善按照新的SI定義傳播物質(zhì)的方式。通過在真空室內(nèi)對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行嚴(yán)格控制的測量，可以將新千克“實(shí)現(xiàn)”(從抽象定義轉(zhuǎn)換為物理現(xiàn)實(shí))。但是，公斤的工作標(biāo)準(zhǔn)將以金屬塊的形式在露天傳播(通過物理方式傳遞給測量科學(xué)實(shí)驗(yàn)室)。這意味著水蒸氣和空氣中的任何其他物質(zhì)都可能吸附到公斤工作標(biāo)準(zhǔn)的表面上，從而導(dǎo)致其質(zhì)量測量不準(zhǔn)確。

由于世界各地的濕度和空氣污染物差異很大，因此，經(jīng)過精確校準(zhǔn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的測量值在工業(yè)和科學(xué)計(jì)量所需的精度水平上可能會因地而異。但是，如果每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都配有經(jīng)過校準(zhǔn)的QCM，則它可以提供運(yùn)輸途中和目的地吸附物質(zhì)的準(zhǔn)確量度，從而幫助實(shí)驗(yàn)室在考慮環(huán)境條件的情況下獲得更準(zhǔn)確的新千克定義。 。