Des chercheurs relient les mesures de la microbalance à quartz au système de mesure international – ScienceDaily

Des chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont trouvé un moyen de relier les mesures effectuées par un dispositif intégré à la fabrication de puces électroniques et d’autres industries directement au Système international d’unités récemment redéfini (SI, le système métrique moderne). Cette traçabilité peut augmenter considérablement la confiance des utilisateurs dans leurs mesures car le SI est désormais entièrement basé sur des constantes fondamentales de la nature.

L’appareil, un disque de la taille d’un dixième appelé microbalance à cristal de quartz (QCM), est d’une importance cruciale pour les entreprises qui dépendent d’un contrôle précis de la formation de films minces. Très minces: ils varient de micromètres (millionièmes de mètre) à quelques dizaines de nanomètres (milliardièmes de mètre, soit environ 10 000 fois plus fins qu’un cheveu humain) et sont généralement produits dans une chambre à vide en exposant une surface cible à une quantité de vapeur chimique méticuleusement régulée qui adhère à la surface et forme le film. Plus l’exposition est importante, plus le film est épais.

Les couches minces sont des composants essentiels des dispositifs électroniques à semi-conducteurs, des revêtements optiques pour lentilles, LED, cellules solaires, supports d’enregistrement magnétiques pour l’informatique et de nombreuses autres technologies. Ils sont également employés dans des technologies qui mesurent la concentration de contaminants microbiens dans l’air, les agents pathogènes dans l’approvisionnement en eau et le nombre de micro-organismes qui se fixent aux surfaces biologiques au cours de l’infection.

Toutes ces utilisations exigent des mesures extrêmement précises de l’épaisseur du film. Parce qu’il est difficile de mesurer directement, les fabricants utilisent fréquemment des QCM, qui ont une propriété précieuse: lorsqu’un courant alternatif leur est appliqué, ils vibrent à une fréquence de résonance unique à chaque disque et à sa masse.

Pour déterminer exactement la quantité de film déposée, ils placent le disque QCM dans la chambre à vide et mesurent sa fréquence de résonance. Ensuite, le disque est exposé à une vapeur chimique. Plus il y a de vapeur qui adhère au QCM, plus sa masse est grande – et plus elle vibre lentement. Ce changement de fréquence est une mesure sensible de la masse ajoutée.

“Mais malgré la mise en œuvre omniprésente des QCM dans l’industrie et le monde universitaire”, a déclaré le physicien et chercheur principal du NIST, Corey Stambaugh, “aucun lien direct avec l’unité de masse SI n’a existé.” On suppose que la relation entre l’unité de masse SI (le kilogramme) et la fréquence de résonance est bien caractérisée après des décennies de mesures QCM. Mais au fil des ans, l’industrie a demandé au NIST la précision absolue de la masse de ces mesures de fréquence. Les nouveaux résultats présentés par Stambaugh et ses collègues sont en grande partie une réponse à ces questions.

“Nous nous attendons à ce que nos résultats permettent un nouveau niveau d’assurance plus élevé dans les mesures QCM en fournissant une traçabilité au nouveau SI”, a déclaré le physicien du NIST Joshua Pomeroy, qui avec Stambaugh et d’autres rapportent leurs résultats aujourd’hui dans la revue. Metrologia. La redéfinition des unités SI en mai 2019 a éliminé le kilogramme prototype métallique précédent en tant que norme et a plutôt défini le kilogramme en termes de constante quantique.

Dans le nouveau SI, la masse au niveau du kilogramme sera réalisée aux États-Unis en utilisant cette constante dans le bilan Kibble du NIST.

Dans le nouveau SI, NIST, ils ont également développé un instrument standard, appelé l’équilibre des forces électrostatiques (EFB), qui fournit une mesure extrêmement précise des masses dans la gamme des milligrammes et moins), qui sont directement liées au SI au moyen d’un quantum constant. L’EFB a fourni à l’équipe des masses de référence en milligrammes avec une précision de l’ordre d’une fraction de microgramme (1/1 000 000e de 1 gramme, soit environ un millionième de la masse d’un trombone moyen).

Stambaugh et ses collègues ont soigneusement pesé un disque de quartz non revêtu, puis l’ont suspendu dans une chambre à vide et ont mesuré sa fréquence de résonance. À environ 0,5 mètre (20 pouces) sous le disque se trouvait un four qui chauffait une quantité d’or à 1480 C (2700 F). La vapeur d’or du four s’est élevée et s’est attachée à la surface inférieure du QCM, augmentant sa masse et ralentissant ainsi sa fréquence de résonance. Les scientifiques ont répété la procédure à différents intervalles de temps et donc à différentes quantités d’accrétion de masse. a été répété à différents intervalles de temps. Les chercheurs ont déposé de la vapeur d’or sur différents intervalles de temps et enregistré les changements ultérieurs de fréquence de résonance. Ils ont à nouveau pesé le disque en utilisant les mêmes masses de référence EFB. Cela a fourni une mesure précise du changement de masse, et ainsi fourni une mesure exacte de la quantité d’or déposée.

Au cours des travaux, l’équipe a également procédé à une évaluation complète des incertitudes des mesures QCM. Ils ont identifié la méthode mathématique la plus précise pour corréler l’ajout de masse au changement de la fréquence de résonance du QCM.

“Ce travail fournit une étape clé dans une technique de suivi traçable – et donc de correction pour – les changements de masse au fil du temps”, a déclaré la physicienne du NIST, Zeina Kubarych.

À cet égard, les nouvelles découvertes pourraient aider à améliorer la façon dont la masse est diffusée suivant la nouvelle définition de l’IS. Le nouveau kilogramme est «réalisé» – converti d’une définition abstraite en une réalité physique – grâce à des mesures de laboratoire hautement contrôlées dans une chambre à vide. Mais les étalons de travail du kilogramme seront diffusés – livrés physiquement aux laboratoires de science de la mesure – sous forme de masses métalliques en plein air. Cela signifie que la vapeur d’eau et tout ce qui se trouve dans l’air peuvent s’adsorber sur la surface d’un kilogramme d’étalon de travail, provoquant une mesure inexacte de sa masse.

Étant donné que l’humidité et les contaminants de l’air diffèrent considérablement à travers le monde, les mesures d’un étalon de masse soigneusement calibré peuvent différer sensiblement d’un endroit à l’autre aux niveaux de précision nécessaires à la métrologie industrielle et scientifique. Cependant, si un QCM étalonné devait accompagner chaque étalon, il pourrait fournir une mesure précise de la quantité de matériau adsorbé en transit et à destination, aidant les laboratoires à recevoir des définitions plus précises du nouveau kilogramme tout en tenant compte des conditions environnementales. .

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