Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont trouvé un moyen de lier 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.

Le dispositif, un disque de la taille d'un sou appelé microbalance à cristal de quartz (QCM), est d'une importance cruciale pour les entreprises qui s'appuient sur un contrôle précis de la formation de films minces. Très fins :Ils vont du micromètre (millionièmes de mètre) à quelques dizaines de nanomètres (milliardièmes de mètre, ou environ 10, 000 fois plus mince qu'un cheveu humain) et sont généralement produits dans une chambre à vide en exposant une surface cible à une quantité méticuleusement régulée de vapeur chimique qui adhère à la surface et forme le film. Plus l'exposition est grande, plus le film est épais.

Les couches minces sont des composants essentiels des dispositifs électroniques à semi-conducteurs, revêtements optiques pour lentilles, LED, cellules solaires, supports d'enregistrement magnétique pour l'informatique, et bien d'autres technologies. Ils sont également utilisés dans des technologies qui mesurent la concentration de contaminants microbiens dans l'air, 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 nécessitent des mesures extrêmement précises de l'épaisseur du film. Parce que c'est difficile à 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 propre à chaque disque et à sa masse.

Pour déterminer exactement la quantité de film déposé, 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 il 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 milieu universitaire, " a déclaré Corey Stambaugh, physicien et chercheur principal du NIST, "un lien direct avec l'unité de masse SI n'a pas existé." La relation entre l'unité de masse SI (le kilogramme) et la fréquence de résonance est supposée être bien caractérisée après des décennies de mesures QCM. Mais au fil des années, l'industrie s'est renseignée auprès du NIST concernant la précision absolue de la masse de ces mesures de fréquence. Les nouveaux résultats présentés par Stambaugh et ses collègues sont dans une large mesure une réponse à ces requêtes.

"Nous espérons que nos découvertes permettront une nouvelle un niveau d'assurance plus élevé dans les mesures QCM en fournissant une traçabilité au nouveau SI, " a déclaré Joshua Pomeroy, physicien du NIST, qui avec Stambaugh et d'autres rapportent leurs découvertes aujourd'hui dans le journal Métrologie . La redéfinition des unités SI en mai 2019 a éliminé le kilogramme de prototype de métal 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 la balance Kibble du NIST.

Dans le nouveau SI, NIST Ils ont également développé un instrument standard, appelé bilan de force électrostatique (EFB), qui fournit une mesure extrêmement précise des masses dans la plage du milligramme et moins), qui sont directement liés au SI par une constante quantique. L'EFB a fourni à l'équipe des masses granulométriques de référence avec une précision de l'ordre de la fraction de microgramme (1/1, 000, 000e de 1 gramme, ou environ un millionième de la masse d'un trombone moyen).

Stambaugh et ses collègues ont soigneusement pesé un disque de quartz non revêtu, puis suspendu dans une chambre à vide et mesuré sa fréquence de résonance. 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 ont enregistré les changements ultérieurs de fréquence de résonance. Ils ont pesé à nouveau le disque en utilisant les mêmes masses de référence EFB. Cela a fourni une mesure précise du changement de masse, et fournissait ainsi une mesure exacte de la quantité d'or déposée.

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

"Ce travail constitue une étape clé dans une technique de traçabilité - et donc de correction - des changements de masse dans le temps, " a déclaré Zeina Kubarych, physicienne du NIST.

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

Étant donné que l'humidité et les contaminants de l'air diffèrent considérablement dans le monde, les mesures d'un étalon de masse soigneusement calibré peuvent différer sensiblement d'un endroit à l'autre aux niveaux de précision requis pour la métrologie industrielle et scientifique. Si, cependant, un QCM calibré devait accompagner chaque étalon, il pourrait fournir une mesure précise de la quantité de matière adsorbée en transit et à destination, aider les laboratoires à recevoir des définitions plus précises du nouveau kilogramme tout en tenant compte des conditions environnementales.