01.06.2021
Einkristall

Einkristall aus 28Si-angereichertem Silicium zur Realisierung der SI-Basiseinheiten Kilogramm und Mol

Quelle: PTB / Creative Commons CC-BY 4.0

Im November 2018 hat die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) die Revision des internationalen Einheitensystems (SI) beschlossen. Mit der Implementierung im Mai 2019 wurden die sieben Basiseinheiten über Fundamentalkonstanten definiert. Die weitreichendste Änderung ist die neue Definition des Kilogramm (kg), der Basiseinheit der Masse. Vor 2019 über ein einzelnes Artefakt, das Ur-Kilogramm, definiert, ist das Kilogramm nun über das Planck’sche Wirkungsquantum definiert. Die am besten geeigneten Verfahren für die Realisierung des Kilogramm sind die Watt-Waage und die X-Ray Crystal Density (XRCD) Methode. Mit der Watt-Waage wird das Planck’sche Wirkungsquantum direkt über einen Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung bestimmt, während mit der XRCD-Methode die Siliciumatome in einer Siliciumkugel „gezählt“ werden. Dadurch erhält man die Avogadro-Konstante, die mit der Revision des SI auf den Wert 6.022 140 76 × 1023 mol–1 festgelegt wurde. Mit der Festlegung der Avogadro-Konstante kann nun mit der XRCD-Methode die Masse einer Siliciumkugel bestimmt werden oder die Stoffmenge der darin enthaltenen Siliciumatome. Neben dem Kugelvolumen und der Gitterkonstante der Silicium-Elementarzelle ist die molare Masse von Silicium der wichtigste Parameter für die Bestimmung der Masse. Die Voraussetzung für die Revision des Kilogramm und die weltweite Umsetzung ist eine relative Messunsicherheit kleiner 0.000002 % für alle Parameter und somit auch für die molare Masse von Silicium in einer an 28Si-angereicherten Siliciumkugel. Um die hierfür erforderliche Messfähigkeit und eine weltweite Vergleichbarkeit zu demonstrieren, organisierte das beratende Komitee für die Stoffmenge (CCQM) eine entsprechende Studie, die von der PTB koordiniert wurde.

Grafik mit Messresultaten

Abb. 1: Ergebnisse der molaren Mass M(Si) in 28Si-angereichertem Silicium wie von den teilnehmenden Instituten im Rahmen von CCQM-P160 erzeugt. Die rote Ellipse markiert den von der BAM mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie mit Multikollektoranordnung ermittelten Messwert.

Quelle: BAM

Die Ergebnisse dieser Studie sind in Abbildung 1 dargestellt und zeigen relative Messunsicherheiten von ≈ 0.0000001 % für die von den teilnehmenden Nationalen Metrologischen und Designierten Instituten mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie ermittelten Einzelwerte sowie eine Übereinstimmung aller Werte besser als 0.000001 %. Damit konnte die weltweite Vergleichbarkeit und Gleichwertigkeit der Ergebnisse für die molare Masse von 28Si-angereichertem Silicium auf dem erforderlichen Unsicherheitsniveau von kleiner 0.000002 % nachgewiesen werden.

The comparability of the determination of the molar mass of silicon highly enriched in 28Si: results of the CCQM-P160 interlaboratory comparison and additional external measurements
Olaf Rienitz, Axel Pramann, Jochen Vogl, Kyoung-Seok Lee, Yong-Hyeon Yim et.al.
veröffentlicht in Metrologia, Band 57, Seite 065028 ff., 2020