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An der Oberfläche des neuen Kilogramms

Neue Instrumentierung für die Oberflächenanalytik von Siliziumkugeln

PTB-News 1.2017
20.01.2017
Besonders interessant für

physikalische Grundlagenforschung

Materialuntersuchung

zerstörungsfreie Analytik

Um von der Maßverkörperung des in Paris aufbewahrten Urkilogramms unabhängig zu werden, soll die SI-Einheit Kilogramm neu definiert werden. In der PTB wird dafür im Rahmen des Avogadro-Projektes die Anzahl der Siliziumatome in einer monokristallinen Siliziumkugel bestimmt. Dies erfordert unter anderem die Messung der Oberflächeneigenschaften auf höchstem metrologischen Niveau. Die PTB hat dafür eine Ultrahochvakuumanlage mit einer kombinierten Röntgenfluoreszenz- und Photoelektronenspektroskopie aufgebaut.

Ultrahochvakuum-Apparatur für kombinierte Röntgenfluoreszenz- und Photoelektronenspektroskopie an Oberflächen von Siliziumkugeln.

Oberflächeneffekte wie die sich ausbildenden Oxid- und Kontaminationsschichten haben einen merklichen Einfluss auf Masse und Volumen der verwendeten Silziumkugeln (die Oberflächenschichten haben zusammen eine Masse von etwa 100 μg).

Durch die Kombination von Röntgenfluoreszenz- und Photoelektronenspektroskopie lässt sich in einer Apparatur sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die Massenbelegung an der Oberfläche der Kugel(n) bestimmen. Die PTB kann auf diese Weise die Oberfläche mit höchster Genauigkeit charakterisieren.

Kernstück ist ein Probenmanipulator, der die Kugel nur minimal berührt (Dreipunktauflage) und die Messung an jedem Punkt der Oberfläche erlaubt. Die Anlage ist mit einer monochromatischen Al-Röntgenquelle ausgestattet. Mithilfe von Siliziumoxid-Referenzproben ist es möglich, die Sauerstoffmassen-Deposition und damit die Siliziumoxid-Schichtdicke über die gesamte Kugeloberfläche mit kleinsten Unsicherheiten zu bestimmen. Zusätzlich werden Kontaminationen bestimmbar, die während des Produktionsprozesses und auch bei der Handhabung der Kugeln entstehen können.

Ansprechpartner

Michael Kolbe
Fachbereich 7.1
Radiometrie mit Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7131
Opens window for sending emailmichael.kolbe(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

R. Fliegauf, B. Beckhoff, E. Beyer, E. Darlatt, I. Holfelder, P. Hönicke, G. Ulm, M. Kolbe.: Surface characterization of silicon spheres by combined XRF and XPS analysis for determination of the avogadro constant. Proc. of 2016 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016), Opens external link in new windowDOI: 10.1109/CPEM.2016.7540797