| Zusammenfassung |
Seit der Revision des SI im Mai 2019 ist die SI Basiseinheit Kilogramm in Bezug auf den Wert der Planckkonstante definiert. Der numerische Wert der Planckkonstante wurde im Rahmen der Neudefinition festgelegt und zuvor so genau wie möglich bestimmt. Eine der Methoden, die Planckkonstante zu messen, ist die X-Ray Crystal Density Methode (XRCD), die nun nach der Neudefinition als Primärexperiment zur Realisierung des Kilogramm Anwendung findet.
Für die Realisierung nutzt die XRCD-Methode monokristalline, isotopenangereicherte 28 Si-Kugeln, um aus der Anzahl der Atome in der Kugel deren Masse zu bestimmen. Da aber auf der Oberfläche immer eine Schicht aus Siliziumoxid, Kohlenstoff- und Wasserkontaminationen vorhanden ist, muss die vorhandene Oberflächenschicht für eine Realisierung quantifiziert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird diese Oberflächenschicht näher charakterisiert, quantifiziert und ihr Wachstumsverhalten sowie der Einfluss der Reinigungsmethode untersucht. Dazu wurde eine Kombination aus Röntgenfluoreszenzanalyse und Photoelektronenspektroskopie in einer für die Messung an Si-Kugeln entwickelten Vakuumapparatur genutzt, die es erlaubt, die Masse der Gesamtoberflächenschicht einer Kugel und ihrer Teilschichten zu bestimmen. Bestandteil der vorliegenden Arbeit ist die Inbetriebnahme dieser Instrumentierung und die Erforschung der Eigenschaften von Siliziumkugeln als neuartige Massenormale. Die Oxidschicht der Si-Kugel folgt einer logarithmischen Wachstumsfunktion, sodass von einer selbstbegrenzenden Schicht gesprochen werden kann. Daraus resultiert, dass bereits nach drei Monaten des Schichtwachstums die Stabilität der Si-Kugeln eine Realisierung der Masseeinheit erlaubt. Im Rahmen der Arbeit wird gezeigt, dass Kugeln aus 28 Si und nat Si für die Qualität von Oberflächenmessungen gleichwertig sind, da sie sich weder in der Struktur der Oberfläche, ihrem Wachstumsverhalten oder in ihrem Adsorptionsverhalten unterscheiden. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit ist die Charakterisierung der Reinigungsprozedur für Si-Kugeln. Ihr Einfluss auf die kurzzeitige Massestabilität der Kugeln ist dank ihrer guten Reproduzierbarkeit gering. Somit entspricht die Reinigung den Anforderungen an eine Realisierung der Masseeinheit Kilogramm von höchster Genauigkeit. |
