DB32T 3459-2018石墨烯薄膜微區(qū)覆蓋度測試 掃描電子顯微鏡法

ICS17.040.20Q53備案號：江蘇省地DB32方標(biāo)準(zhǔn)DBT3459—2018顯微Measurementofmicroscalecoverageofgraphenefilmbyscanningelectronicroscopy江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布IDB32/T3459—2018前言 IIDB32/T3459—2018前言本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由常州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局提出。本標(biāo)準(zhǔn)由江蘇省石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位：江南石墨烯研究院、常州國成新材料科技有限公司、常州市計量測試技術(shù)研所。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：董國材、張小敏、陳彩云、梁楓、周志峰、孫瑛。1DB32/T3459—2018石墨烯薄膜微區(qū)覆蓋度測試掃描電子顯微鏡法1范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了掃描電子顯微鏡法測定石墨烯薄膜微區(qū)覆蓋度的測試準(zhǔn)備、SEM測試、圖像處理及覆蓋度計算等。本標(biāo)準(zhǔn)適用于化學(xué)氣相沉積法制備的各種金屬基底上的、由于生長原因未完全覆蓋的、疇間距小于200um的石墨烯薄膜微區(qū)覆蓋度的測定。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。JJG(教委)010分析型掃描電子顯微鏡檢定規(guī)程(Nanotechnologies-vocabulary-part13：Grapheneandrelatedtwo-dimensional(2D)materials)3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1石墨烯graphene由一個碳原子與周圍三個近鄰碳原子結(jié)合形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳原子單層。注1：它是許多碳納米物體的重要構(gòu)建單元。注2：由于石墨烯僅有一層，因此通常被稱為單層石墨烯。石墨烯縮寫為1LG，以便區(qū)別于縮寫為2LG的雙層石墨烯和縮寫為FLG的少層石墨烯。注3：石墨烯有邊界，并且在碳-碳鍵遭到破壞的地方有缺陷和晶界。[ISO/TS80004-13:2017,3.1.2.1]3.2未覆蓋區(qū)域uncoveredareaSEM圖像中重復(fù)出現(xiàn)的灰度最小，且表面沒有褶皺的區(qū)域。3.3覆蓋區(qū)域coveredareaSEM圖像中未覆蓋區(qū)域之外的其他區(qū)域。3.4微區(qū)覆蓋度micro-scalecoverage2DB32/T3459—2018在微區(qū)范圍中，石墨烯所覆蓋的基底面積與總基底面積之比。注2：表面的損傷、雜質(zhì)等不計入微觀覆蓋度范圍。3.5封閉覆蓋區(qū)域grapheneislandarea由封閉邊緣環(huán)繞且邊緣內(nèi)部被石墨烯完全覆蓋的區(qū)域。3.6封閉未覆蓋區(qū)域vacancyislandarea由封閉邊緣環(huán)繞且邊緣內(nèi)部未被石墨烯覆蓋的區(qū)域。3.7掃描電子顯微術(shù)scanningelectronmicroscopy(SEM)電子束掃描樣品表面，通過檢測和分析所獲得的物理信息(例如二次電子、背散射電子、吸收電子和X射線輻射)來確定樣品的結(jié)構(gòu)、組成和形貌的方法。[ISO/TS80004-13:2017,3.3.1.4]3.8化學(xué)氣相沉積chemicalvapourdeposition(CVD)通常先加熱，利用氣態(tài)前驅(qū)體或混合前驅(qū)體的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)固體材料在襯底上的沉積。[ISO/TS80004-13:2017,3.2.1.1]4測試準(zhǔn)備4.1測試原理首先采用掃描電子顯微鏡(SEM)測試金屬基底上所覆蓋石墨烯的形貌圖，然后通過軟件對SEM原始圖像作分析處理，得到石墨烯覆蓋部分的像素數(shù)以及整張圖像的像素數(shù)，最后根據(jù)像素數(shù)來評定石墨烯的覆蓋度。4.2試劑和材料4.2.1金屬基底上的石墨烯薄膜：如石墨烯薄膜/銅箔樣品。4.2.2其他：如導(dǎo)電膠帶，無水乙醇，無塵紙。4.3儀器和設(shè)備4.3.1掃描電子顯微鏡：分辨率宜不高于2nm。4.3.2其他：如剪刀，鑷子。4.4樣品制備在石墨烯薄膜/銅箔樣品表面剪取適合SEM測試的方塊樣品，通過導(dǎo)電膠將方塊樣品粘貼到SEM基座表面，作為待測樣品。樣品處理過程中，盡量保持環(huán)境及用具清潔，避免出現(xiàn)過多的污染物。對于有褶皺的樣品，將其平放于兩片PET膜中間，在垂直方向?qū)ζ涫褐疗秸?，再取樣測試。3DB32/T3459—2018SEM測試5.1儀器檢定根據(jù)JJG(教委)010規(guī)程對SEM進行檢定。5.2掃描參數(shù)選擇根據(jù)不同SEM設(shè)備優(yōu)化聚焦、電壓等測試條件到石墨烯和基底的灰度值相差最大，從而掃描得到清晰的SEM圖像。掃描電子顯微鏡測試宜選擇ETD或CBS模式，電壓選擇5kV。若石墨烯覆蓋度太大，采用ETD模式不易分辨石墨烯覆蓋區(qū)域和未覆蓋區(qū)域時，可選用對元素敏感的CBS模式，以便濾去因襯底表面起伏造成的對覆蓋區(qū)域和未覆蓋區(qū)域襯度的干擾。5.3倍率選擇針對同一樣品，應(yīng)選取合適的SEM放大倍率。調(diào)節(jié)SEM的放大倍率，使測試區(qū)域得圖像內(nèi)包含15~30個封閉覆蓋區(qū)域或封閉未覆蓋區(qū)域為宜，若預(yù)估的覆蓋度很小(≤3%)或者很大(≥97%)時，由于封閉覆蓋區(qū)域或封閉未覆蓋區(qū)域相對總面積過小，所選區(qū)域可僅包含5~10個封閉覆蓋區(qū)域或封閉未覆蓋區(qū)域。之后對于這個樣品，使用該放大倍率進行圖像采集。5.4圖像采集使用上述放大倍率和優(yōu)化的掃描參數(shù)，在樣品表面選擇5~9個不同區(qū)域進行圖像采集，保證圖像清6圖像處理計算出每張采集的SEM圖像表面覆蓋區(qū)域的像素數(shù)Pc，以及整張圖像的像素數(shù)PT。覆蓋區(qū)域和未覆蓋區(qū)域的區(qū)分閾值應(yīng)為覆蓋區(qū)域和未覆蓋局域灰度的平均值。可以借助軟件計算該數(shù)據(jù)，具體參見附錄A。7微區(qū)覆蓋度計算石墨烯薄膜的微區(qū)覆蓋度數(shù)值以%表示，按公式(1)計算θ=100%……⑴式中：9——石墨烯薄膜的微區(qū)覆蓋度；PC——SEM圖像中封閉覆蓋區(qū)域的像素數(shù)；PT——整張圖像的像素數(shù)。8不確定度評定不確定度的評估應(yīng)包含所有的不確定度來源，評定方法分為如下所述的A、B兩大類：——A類不確定度是對一系列觀測值進行統(tǒng)計分析的方法，用符號uA表示，它是以實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。在相同條件下對同一樣品獨立測量5~9個區(qū)域，得到5~9個測量值θi(i=1,2,…,n)，其算術(shù)平均值按公式(2)計算。4DB32/T3459—2018θ=1nθini=1貝塞爾公式計算實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差σ(θi)，按公式(3)計算。 uA=(9i)=……⑵……⑶——B類不確定度是設(shè)備校準(zhǔn)引入的不確定度uB。此測試中SEM的校正系數(shù)引入的B類不確定度可以忽略，但仍需考慮分辨率等因素對實驗結(jié)果造成的影響。擴展不確定度是確定測量結(jié)果區(qū)間的量，合理賦予被測量之值分布的大部分可望含于此區(qū)間，用U表示。對于正態(tài)分布，置信水平為95%時，對應(yīng)的k=2，則擴展不確定度按公式(4)計算U=k……⑷9測試報告測試報告試樣參見附錄B。5DB32/T3459—2018AA附錄A(資料性附錄)實例A.1測試測試準(zhǔn)備、SEM測試與正文第4、5章一致。A.2圖像處理首先利用可以選擇類似灰度區(qū)域并能計算其像素數(shù)的軟件導(dǎo)入SEM原始測試圖像，如圖A.1所示。設(shè)定選取閾值,選取石墨烯覆蓋區(qū)域，如圖A.2所示。讀取被選區(qū)域的像素數(shù)，為127348。然后，選取整張圖像并讀取像素數(shù)，為179820，如圖A.3所示。圖A.2選擇并讀取石墨烯覆蓋區(qū)域的像素數(shù)6DB32/T3459—2018ASEM素數(shù)A.3微區(qū)覆蓋度計算按照公式(1)計算石墨烯薄膜的覆蓋度θ，則θ=100%=100%=70.82%。7DB32/T3459—2018BB附錄B(資料性附錄)測試報告式樣測試日期：1、測試人/單位聯(lián)