El prototipo de kilogramo, para el cual se calibran todas las básculas, está perdiendo peso. Los esfuerzos internacionales se esfuerzan por redefinir la unidad base para medir la masa y, en el futuro, redefinir el kilogramo en constantes naturales. Para este propósito, el AvogadroEl experimento determina el número de átomos en esferas de silicio casi perfectas. Los investigadores de Fraunhofer han logrado recubrir las superficies esféricas de manera homogénea: la incertidumbre de medición puede limitarse a un rango por debajo de 10 microgramos.
Debido al hecho de que el prototipo de kilogramo, la unidad de masa en la que se basa el peso de un kilo, se está volviendo cada vez más liviano. Sin embargo, se desconoce la razón de esto. Ahora los investigadores están buscando alternativas para el platino-Artefacto de aleación de iridio que se almacena en una caja fuerte en París. El plan básico es redefinir el kilogramo. En el futuro, una constante física reemplazará el kilogramo material.
Por lo tanto, un equipo de científicos del Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB el instituto nacional de metrología de Alemania está realizando experimentos con esferas de silicio enriquecido en isótopos, que podrían usarse como un nuevo estándar de calibración. Los expertos, por lo tanto, debe determinar la constante de Avogadro, que indica el número de átomos en un mol ". Calculamos el número de átomos en una esfera y utilizamos métodos matemáticos para obtener el número de átomos por mol. En términos simples, descubrimos cuántoEl átomo de silicio pesa y, por conclusión inversa, puede determinar cuántos átomos de silicio se necesitan para un kilogramo ", explica el Dr. Ingo Busch, físico del PTB en Braunschweig." El lunar es el mediador entre la escala de masa atómica y el kilogramo ".
Durante la producción de estas esferas en el PTB, una capa de óxido natural de dióxido de silicio SiO 2 está formado.Esto también influye en la masa y el volumen de las esferas de silicio.El problema es que la capa nativa crece lentamente y, en parte, de manera desigual.Esto hace que sea muy difícil medir el peso real de la capa de óxido y la esfera.Por lo tanto, se requiere un recubrimiento alternativo y homogéneo para reducir las imprecisiones de medición y determinar con precisión el volumen y la masa de la esfera.
Alternativa SiO 2 la capa minimiza las imprecisiones de medición
Los investigadores del vecino Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Superficies y Thin Films IST han logrado recubrir una esfera de silicio con tal SiO 2 superficie que cumple con los más altos estándares ". Con nuestro método, podemos aplicar una capa de SiO 2 con una rugosidad definida con precisión y un grosor de capa ajustable a la esfera. Además, la capa también es estequiométrica, lo que significa que la proporción de los átomos individuales permanece constante entre sí o la proporción entre silicio y oxígeno ", dice TobiasGraumann, científico de IST.
Para el recubrimiento, los investigadores del IST seleccionaron la Deposición de capa atómica ALD ver recuadro "Deposición de capa atómica ALD". La ventaja de este método: se puede aplicar una capa de óxido extremadamente delgada y reproducible con un espesor homogéneoa la esfera. Las impurezas potenciales, como el carbono o el nitrógeno, están por debajo del límite de detección. La rugosidad de las capas permanece por debajo de un nanómetro. "La rugosidad de la esfera no aumenta significativamente por el recubrimiento. Este es un factor que mantiene la medicióninexactitud por debajo de 10 microgramos. Incluso una huella digital pesa más ", dice Graumann. Y el factor tiempo también juega un papel importante. Al aplicar SiO 2 , el proceso de fabricación se puede acelerar. Por el contrario, el crecimiento de la capa de óxido nativo puede llevar varios meses.
Recubrimiento en ambiente de sala limpia
La planta de revestimiento ALD instalada en el instituto fue especialmente adaptada y preparada para el proyecto, de modo que todo el trabajo sobre el revestimiento pudiera llevarse a cabo en una atmósfera de sala limpia. El enfoque principal a lo largo de los años de investigación fue cómo se montó la esfera de silicioel reactor. Dado que la esfera tiene que estar recubierta sobre el área completa, los investigadores decidieron usar un montaje de tres puntos, de modo que el objeto a medir haga contacto en tres puntos. "Aquí, aprovechamos el mecanismo de ALD:los productos químicos gaseosos generalmente se difunden entre la esfera y las tres superficies de contacto del soporte, que también están recubiertas en el proceso ", dice Tobias Grauman.
Los recubrimientos de la esfera de silicio se han concluido y ahora las mediciones se están realizando en el PTB. Los resultados estarán disponibles este verano y luego se presentarán en la Conferencia sobre Pesos y Medidas en otoño de 2018. Luego, a más tardar, la nueva esfera reemplazará el kilogramo original como estándar. En la reunión metrológica se tomará una decisión sobre la redefinición del kilo.
Los investigadores del Fraunhofer IST y sus colegas del PTB esperan que las esferas de silicio se conviertan en el nuevo estándar de calibración. Los institutos de metrología y los laboratorios de calibración tendrán la oportunidad de adquirir copias de las esferas. PTB planea ofrecer tres precios diferentesy variantes de calidad.
El SiO 2 desarrollado en Fraunhofer IST puede aplicarse no solo a sistemas esféricos, sino también a cualquier superficie de estructura compleja. Los campos de aplicación son diversos y van desde aplicaciones ópticas a través de los sectores de semiconductores y electrónica hasta fotovoltaica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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