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

ICS17.040.20Q53備案號(hào)：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(huì)歸口。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位：江南石墨烯研究院、常州國(guó)成新材料科技有限公司、常州市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研所。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：董國(guó)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(cè)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(cè)定石墨烯薄膜微區(qū)覆蓋度的測(cè)試準(zhǔn)備、SEM測(cè)試、圖像處理及覆蓋度計(jì)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(zhǎng)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(cè)定。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)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(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1石墨烯graphene由一個(gè)碳原子與周?chē)齻€(gè)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(chēng)為單層石墨烯。石墨烯縮寫(xiě)為1LG，以便區(qū)別于縮寫(xiě)為2LG的雙層石墨烯和縮寫(xiě)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(méi)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(jì)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(guò)檢測(cè)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(lái)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(shí)現(xiàn)固體材料在襯底上的沉積。[ISO/TS80004-13:2017,3.2.1.1]4測(cè)試準(zhǔn)備4.1測(cè)試原理首先采用掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試金屬基底上所覆蓋石墨烯的形貌圖，然后通過(guò)軟件對(duì)SEM原始圖像作分析處理，得到石墨烯覆蓋部分的像素?cái)?shù)以及整張圖像的像素?cái)?shù)，最后根據(jù)像素?cái)?shù)來(lái)評(píng)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(wú)水乙醇，無(wú)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(cè)試的方塊樣品，通過(guò)導(dǎo)電膠將方塊樣品粘貼到SEM基座表面，作為待測(cè)樣品。樣品處理過(guò)程中，盡量保持環(huán)境及用具清潔，避免出現(xiàn)過(guò)多的污染物。對(duì)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(cè)試。3DB32/T3459—2018SEM測(cè)試5.1儀器檢定根據(jù)JJG(教委)010規(guī)程對(duì)SEM進(jìn)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(cè)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(cè)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(shí)，可選用對(duì)元素敏感的CBS模式，以便濾去因襯底表面起伏造成的對(duì)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(duì)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(cè)試區(qū)域得圖像內(nèi)包含15~30個(gè)封閉覆蓋區(qū)域或封閉未覆蓋區(qū)域?yàn)橐?，若預(yù)估的覆蓋度很小(≤3%)或者很大(≥97%)時(shí)，由于封閉覆蓋區(qū)域或封閉未覆蓋區(qū)域相對(duì)總面積過(guò)小，所選區(qū)域可僅包含5~10個(gè)封閉覆蓋區(qū)域或封閉未覆蓋區(qū)域。之后對(duì)于這個(gè)樣品，使用該放大倍率進(jìn)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(gè)不同區(qū)域進(jìn)行圖像采集，保證圖像清6圖像處理計(jì)算出每張采集的SEM圖像表面覆蓋區(qū)域的像素?cái)?shù)Pc，以及整張圖像的像素?cái)?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?？梢越柚浖?jì)算該數(shù)據(jù)，具體參見(jiàn)附錄A。7微區(qū)覆蓋度計(jì)算石墨烯薄膜的微區(qū)覆蓋度數(shù)值以%表示，按公式(1)計(jì)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?cái)?shù)；PT——整張圖像的像素?cái)?shù)。8不確定度評(píng)定不確定度的評(píng)估應(yīng)包含所有的不確定度來(lái)源，評(píng)定方法分為如下所述的A、B兩大類(lèi)：——A類(lèi)不確定度是對(duì)一系列觀測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法，用符號(hào)uA表示，它是以實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。在相同條件下對(duì)同一樣品獨(dú)立測(cè)量5~9個(gè)區(qū)域，得到5~9個(gè)測(cè)量值θi(i=1,2,…,n)，其算術(shù)平均值按公式(2)計(jì)算。4DB32/T3459—2018θ=1nθini=1貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ(θi)，按公式(3)計(jì)算。 uA=(9i)=……⑵……⑶——B類(lèi)不確定度是設(shè)備校準(zhǔn)引入的不確定度uB。此測(cè)試中SEM的校正系數(shù)引入的B類(lèi)不確定度可以忽略，但仍需考慮分辨率等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。擴(kuò)展不確定度是確定測(cè)量結(jié)果區(qū)間的量，合理賦予被測(cè)量之值分布的大部分可望含于此區(qū)間，用U表示。對(duì)于正態(tài)分布，置信水平為95%時(shí)，對(duì)應(yīng)的k=2，則擴(kuò)展不確定度按公式(4)計(jì)算U=k……⑷9測(cè)試報(bào)告測(cè)試報(bào)告試樣參見(jiàn)附錄B。5DB32/T3459—2018AA附錄A(資料性附錄)實(shí)例A.1測(cè)試測(cè)試準(zhǔn)備、SEM測(cè)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(lèi)似灰度區(qū)域并能計(jì)算其像素?cái)?shù)的軟件導(dǎo)入SEM原始測(cè)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?cái)?shù)，為127348。然后，選取整張圖像并讀取像素?cái)?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?cái)?shù)6DB32/T3459—2018ASEM素?cái)?shù)A.3微區(qū)覆蓋度計(jì)算按照公式(1)計(jì)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(cè)試報(bào)告式樣測(cè)試日期：1、測(cè)試人/單位聯(lián)