DB32T 3459-2018石墨烯薄膜微区覆盖度测试 扫描电子显微镜法

ICS17.040.20Q53备案号：江苏省地DB32方标准DBT3459—2018显微Measurementofmicroscalecoverageofgraphenefilmbyscanningelectronicroscopy江苏省质量技术监督局发布IDB32/T3459—2018前言 IIDB32/T3459—2018前言本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。本标准由常州市质量技术监督局提出。本标准由江苏省石墨烯标准化技术委员会归口。本标准主要起草单位：江南石墨烯研究院、常州国成新材料科技有限公司、常州市计量测试技术研所。本标准主要起草人：董国材、张小敏、陈彩云、梁枫、周志峰、孙瑛。1DB32/T3459—2018石墨烯薄膜微区覆盖度测试扫描电子显微镜法1范围本标准规定了扫描电子显微镜法测定石墨烯薄膜微区覆盖度的测试准备、SEM测试、图像处理及覆盖度计算等。本标准适用于化学气相沉积法制备的各种金属基底上的、由于生长原因未完全覆盖的、畴间距小于200um的石墨烯薄膜微区覆盖度的测定。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。JJG(教委)010分析型扫描电子显微镜检定规程(Nanotechnologies-vocabulary-part13：Grapheneandrelatedtwo-dimensional(2D)materials)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1石墨烯graphene由一个碳原子与周围三个近邻碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层。注1：它是许多碳纳米物体的重要构建单元。注2：由于石墨烯仅有一层，因此通常被称为单层石墨烯。石墨烯缩写为1LG，以便区别于缩写为2LG的双层石墨烯和缩写为FLG的少层石墨烯。注3：石墨烯有边界，并且在碳-碳键遭到破坏的地方有缺陷和晶界。[ISO/TS80004-13:2017,3.1.2.1]3.2未覆盖区域uncoveredareaSEM图像中重复出现的灰度最小，且表面没有褶皱的区域。3.3覆盖区域coveredareaSEM图像中未覆盖区域之外的其他区域。3.4微区覆盖度micro-scalecoverage2DB32/T3459—2018在微区范围中，石墨烯所覆盖的基底面积与总基底面积之比。注2：表面的损伤、杂质等不计入微观覆盖度范围。3.5封闭覆盖区域grapheneislandarea由封闭边缘环绕且边缘内部被石墨烯完全覆盖的区域。3.6封闭未覆盖区域vacancyislandarea由封闭边缘环绕且边缘内部未被石墨烯覆盖的区域。3.7扫描电子显微术scanningelectronmicroscopy(SEM)电子束扫描样品表面，通过检测和分析所获得的物理信息(例如二次电子、背散射电子、吸收电子和X射线辐射)来确定样品的结构、组成和形貌的方法。[ISO/TS80004-13:2017,3.3.1.4]3.8化学气相沉积chemicalvapourdeposition(CVD)通常先加热，利用气态前驱体或混合前驱体的化学反应实现固体材料在衬底上的沉积。[ISO/TS80004-13:2017,3.2.1.1]4测试准备4.1测试原理首先采用扫描电子显微镜(SEM)测试金属基底上所覆盖石墨烯的形貌图，然后通过软件对SEM原始图像作分析处理，得到石墨烯覆盖部分的像素数以及整张图像的像素数，最后根据像素数来评定石墨烯的覆盖度。4.2试剂和材料4.2.1金属基底上的石墨烯薄膜：如石墨烯薄膜/铜箔样品。4.2.2其他：如导电胶带，无水乙醇，无尘纸。4.3仪器和设备4.3.1扫描电子显微镜：分辨率宜不高于2nm。4.3.2其他：如剪刀，镊子。4.4样品制备在石墨烯薄膜/铜箔样品表面剪取适合SEM测试的方块样品，通过导电胶将方块样品粘贴到SEM基座表面，作为待测样品。样品处理过程中，尽量保持环境及用具清洁，避免出现过多的污染物。对于有褶皱的样品，将其平放于两片PET膜中间，在垂直方向对其施压至平整，再取样测试。3DB32/T3459—2018SEM测试5.1仪器检定根据JJG(教委)010规程对SEM进行检定。5.2扫描参数选择根据不同SEM设备优化聚焦、电压等测试条件到石墨烯和基底的灰度值相差最大，从而扫描得到清晰的SEM图像。扫描电子显微镜测试宜选择ETD或CBS模式，电压选择5kV。若石墨烯覆盖度太大，采用ETD模式不易分辨石墨烯覆盖区域和未覆盖区域时，可选用对元素敏感的CBS模式，以便滤去因衬底表面起伏造成的对覆盖区域和未覆盖区域衬度的干扰。5.3倍率选择针对同一样品，应选取合适的SEM放大倍率。调节SEM的放大倍率，使测试区域得图像内包含15~30个封闭覆盖区域或封闭未覆盖区域为宜，若预估的覆盖度很小(≤3%)或者很大(≥97%)时，由于封闭覆盖区域或封闭未覆盖区域相对总面积过小，所选区域可仅包含5~10个封闭覆盖区域或封闭未覆盖区域。之后对于这个样品，使用该放大倍率进行图像采集。5.4图像采集使用上述放大倍率和优化的扫描参数，在样品表面选择5~9个不同区域进行图像采集，保证图像清6图像处理计算出每张采集的SEM图像表面覆盖区域的像素数Pc，以及整张图像的像素数PT。覆盖区域和未覆盖区域的区分阈值应为覆盖区域和未覆盖局域灰度的平均值。可以借助软件计算该数据，具体参见附录A。7微区覆盖度计算石墨烯薄膜的微区覆盖度数值以%表示，按公式(1)计算θ=100%……⑴式中：9——石墨烯薄膜的微区覆盖度；PC——SEM图像中封闭覆盖区域的像素数；PT——整张图像的像素数。8不确定度评定不确定度的评估应包含所有的不确定度来源，评定方法分为如下所述的A、B两大类：——A类不确定度是对一系列观测值进行统计分析的方法，用符号uA表示，它是以实验标准偏差表征。在相同条件下对同一样品独立测量5~9个区域，得到5~9个测量值θi(i=1,2,…,n)，其算术平均值按公式(2)计算。4DB32/T3459—2018θ=1nθini=1贝塞尔公式计算实验标准偏差σ(θi)，按公式(3)计算。 uA=(9i)=……⑵……⑶——B类不确定度是设备校准引入的不确定度uB。此测试中SEM的校正系数引入的B类不确定度可以忽略，但仍需考虑分辨率等因素对实验结果造成的影响。扩展不确定度是确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间，用U表示。对于正态分布，置信水平为95%时，对应的k=2，则扩展不确定度按公式(4)计算U=k……⑷9测试报告测试报告试样参见附录B。5DB32/T3459—2018AA附录A(资料性附录)实例A.1测试测试准备、SEM测试与正文第4、5章一致。A.2图像处理首先利用可以选择类似灰度区域并能计算其像素数的软件导入SEM原始测试图像，如图A.1所示。设定选取阈值,选取石墨烯覆盖区域，如图A.2所示。读取被选区域的像素数，为127348。然后，选取整张图像并读取像素数，为179820，如图A.3所示。图A.2选择并读取石墨烯覆盖区域的像素数6DB32/T3459—2018ASEM素数A.3微区覆盖度计算按照公式(1)计算石墨烯薄膜的覆盖度θ，则θ=100%=100%=70.82%。7DB32/T3459—2018BB附录B(资料性附录)测试报告式样测试日期：1、测试人/单位联