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研究人员将石英微量天平测量与国际测量系统联系起来

2020-02-13 10:01:48 • 来源：

美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员找到了一种方法，可以将微芯片制造和其他行业中不可或缺的设备所进行的测量直接与最近重新定义的国际单位制(SI，现代公制)相联系。由于SI现在完全基于自然的基本常数，因此可追溯性可以极大地提高用户对测量的信心。

研究人员将石英微量天平测量与国际测量系统联系起来

该设备是一角钱大小的磁盘，称为石英晶体微天平(QCM)，对于依赖于薄膜形成的精确控制的企业而言至关重要。非常薄：它们的范围从微米(百万分之一米)到几十纳米(十亿分之一米，或比人的头发薄约10,000倍)，通常是在真空室内通过将目标表面暴露于精心调节的化学蒸气量，该蒸气附着在表面并形成薄膜。曝光量越大，胶卷越厚。

薄膜是电子半导体设备，透镜的光学涂层，LED，太阳能电池，用于计算的磁记录介质以及许多其他技术中的基本组件。它们还用于测量空气中微生物污染物浓度，供水中病原体以及在感染过程中附着在生物表面上的微生物数量的技术。

所有这些用途都要求对薄膜的厚度进行极其精确的测量。由于很难直接测量，制造商经常使用QCM，它们具有宝贵的性能：向它们施加交流电时，它们会以每个磁盘及其质量唯一的共振频率振动。

为了准确确定要沉积多少薄膜材料，他们将QCM盘放入真空室并测量其共振频率。然后，磁盘暴露于化学蒸汽中。附着在QCM上的蒸气越多，其质量就越大，并且振动越慢。频率的变化是增加质量的敏感度量。

NIST的物理学家兼首席研究员Corey Stambaugh表示：“但是，尽管QCM在整个行业和学术界都得到了广泛应用，但还没有与SI质量单位的直接联系。” 经过几十年的QCM测量，可以很好地表征SI质量单位(千克)与共振频率之间的关系。但是多年来，工业界已经向NIST询问了这些频率测量的绝对质量精度。Stambaugh及其同事提出的新结果在很大程度上是对这些疑问的回应。

NIST物理学家Joshua Pomeroy说：“我们希望通过提供对新SI的可追溯性，我们的发现将为QCM测量提供新的更高水平的保证，”他与Stambaugh等人今天在Metrologia杂志上报告了他们的发现。2019年5月对SI单位的重新定义消除了以前的金属原型公斤作为标准，而是根据量子常数定义了公斤。

在新的SI中，将使用NIST的粗磨平衡中的常数在美国实现千克级的质量。

在新的SI中，NIST他们还开发了一种称为静电力平衡(EFB)的标准仪器，该仪器可极其精确地测量毫克范围及以下的质量，这些质量通过量子直接与SI关联。不变。EFB为团队提供了参考毫克大小的质量，精度为微克的几分之一(1克的1 / 1,000,000，即平均回形针质量的约百万分之一)。

Stambaugh及其同事仔细称重未涂层的石英盘，然后将其悬挂在真空室内并测量其共振频率。圆盘下方约0.5米(20英寸)处是一个将一定量的金加热到1480 C(2700 F)的熔炉。来自熔炉的金蒸气上升并附着在QCM的下表面，从而增加了质量，从而降低了共振频率。科学家们在不同的时间间隔重复了该程序，因此产生了不同的质量增加量。在不同的时间间隔重复。研究人员在不同的时间间隔内沉积了金蒸气，并记录了随后共振频率的变化。他们使用相同的EFB参考质量再次称重磁盘。这样就可以精确测量质量变化，

在工作过程中，团队还对QCM测量中的不确定性进行了完整的评估。他们确定了将质量增加与QCM共振频率变化相关联的最准确的数学方法。

NIST物理学家Zeina Kubarych说：“这项工作为跟踪随时间变化的质量并提供校正的技术提供了关键的一步。”

在这方面，新的发现可能有助于改善按照新的SI定义传播物质的方式。通过在真空室内对实验室进行严格控制的测量，可以将新千克“实现”(从抽象定义转换为物理现实)。但是，公斤的工作标准将以金属块的形式在露天传播(通过物理方式传递给测量科学实验室)。这意味着水蒸气和空气中的任何其他物质都可能吸附到公斤工作标准的表面上，从而导致其质量测量不准确。

由于世界各地的湿度和空气污染物差异很大，因此，经过精确校准的质量标准的测量值在工业和科学计量所需的精度水平上可能会因地而异。但是，如果每个标准都配有经过校准的QCM，则它可以提供运输途中和目的地吸附物质的准确量度，从而帮助实验室在考虑环境条件的情况下获得更准确的新千克定义。 。

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