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Avogadro-Projekt: Erster isotopenreiner Siliciumeinkristall

Im Rahmen des internationalen Avogadro-Projekts, das die Neubestimmung der Avogradrokonstanten zum Ziel hat, ist es erstmals gelungen, einen perfekten Siliciumeinkristall isotopisch und chemisch rein herzustellen. Ein Probekristall mit einer Masse von mehr als 400 g und einer Isotopenreinheit von mehr als 99,99% wurde für Testmessungen an die PTB ausgeliefert.

Im Rahmen des Avogadro-Projekts soll die Größe der Avogadrokonstante genauer als bisher bestimmt werden. Auf dieser Grundlage ließe sich dann auch das Kilogramm, das bisher noch durch einen Prototyp verkörpert wird, mit Bezug auf eine Fundamentalkonstante definieren. Nachdem Messungen an Siliciumkugeln mit natürlicher Isotopenzusammensetzung für die Avogadrokonstante relative Messunsicherunsicherheiten von 3 · 10–7 nicht unterschreiten konnten, wurde beschlossen, die Messungen mit isotopenreinem Silicium zu wiederholen. Unter Koordinierung der PTB wurde daraufhin ein Kooperationsvertrag zwischen acht metrologischen Staatsinstituten, internationalen Forschungslaboratorien sowie russischen Forschungs- und Industrieeinrichtungen geschlossen.

Das erste Ergebnis dieser Kooperation ist der nun vorliegende Einkristall, an dessen Herstellung das Zentralbüro für Zentrifugenentwicklung des Russischen Atomministeriums in St. Petersburg (Herstellung und Anreicherung von SiF4-Gas), das Institut für hochreine Materialien in Nishni-Novgorod (Umwandlung von SiF4-Gas in SiH4-Gas, chemische Reinigung und Abscheidung eines Polykristalls) und das Institut für Kristallzüchtung in Berlin (Züchtung des Si-Einkristalls mittels Zonenreinigungsverfahren) beteiligt waren. Die für eine weitere Verwendung des Materials zur Kugelherstellung notwendige chemische Reinheit wurde nach mehreren Zonenzügen erreicht. In der PTB wurden die Fremdatomkonzentrationen mittels Infrarot-Spektrometrie ermittelt: für Kohlenstoff 3 · 1015 cm–3, für Sauerstoff 4 · 1015 cm–3 und für Bor 3 · 1013 cm–3. Der Anteil von mehr als 99,99 % 28Si im Kristall, bestimmt am Institut für Referenzmaterialien und Messungen der EU in Geel, konnte während des gesamten Produktionsprozesses aufrecht erhalten werden. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um mit den Messungen an einer 28Si-Kugel Erfolg zu haben. Das dazu nötige Material, ein 5-kg-Kristall, wird termingerecht im Jahr 2006 geliefert.

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