SEM测量纳米颗粒的资质认定、二氧化钛截面样品制备、分散均匀的60nm二氧化硅纳米颗粒的研究示例.pdf

GB/T XXXXXXXXX 26 A 附录A （规范性） SEM 测量纳米颗粒的资质认定 A.1 背景 SEM是一种用途广泛，且被大量使用的仪器虽然它易于操作，能快速给出结果，但是它也存在一些问题，使得它难以达到最佳的运行状态，这就导致用它进行纳米尺度测量时，难以保证优异的重复性和准确性主要的影响因素有：样品台和主电子束的漂移、几何畸变、标尺误差、图像模糊（聚焦不清晰）、噪声和辐照污染为了确保SEM的性能达到或优于其制造商的指标，对这些性能参数进行量化是必要的， 并且这样做可以使纳米颗粒测量更可靠 量化概念的提出有助于测量不确定度的计算和必要的修正 A.2 简介 大多数SEM被用来采集图像，也有被用于获得准确且可重复的样品定量信息，包括纳米颗粒粒径合适质量的SEM图像可以作为分析、 定量评估纳米颗粒大小和形状分布的高质量的数据 几乎所有的SEM都可以进行必要的成像，但它们的极限是由以下参数确定的： 空间分辨率（主电子束聚焦能力，图像的清晰度）； 漂移（样品台和电子光学镜组）； 清洁度（无电子束诱导污染的干扰）； 标尺和线性（水平和垂直方向）； 噪声； 主电子束电流； 少量仪器设置相关参数。

所需的测量不确定度和样品本身也是决定因素， 根据这些情况， SEM的测量下限可以在大约10纳米，几纳米，甚至更小 A.3 空间分辨率的测量 SEM的空间分辨率是最多被提到的性能指标之一，它与主电子束的聚焦能力和图像的清晰度有关，而且它也是更容易被客观测量的如果不能证明SEM达到或超过其标称的分辨率指标，就不可能以最小的不确定度对颗粒进行测量就本文件而言，应遵SEM制造商的分辨率测量程序和相关的ISO程序，详见GB/T 33838 在SEM供应商指定的着陆能量下， 获得图像并进行至少7次测量， 根据测量结果确定平均值、标准偏差和结果之间的相关性每个特定的着陆能量应包含一个典型SEM图像 附录F和ISO 19749中关于SEM测量纳米颗粒的资质认定的Excel表格中给出了实用案例 注： ISO 19749中关于SEM测量纳米颗粒的资质认定的、可采用计算机存储和处理的excel表格从以下网站获得：https:/standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en SEM空间分辨率的测量结果应包含在纳米颗粒测量的报告中， 以确定与其相关的A类或B类不确定度，以及计算测量结果的准确性。

A.4 漂移测量 样品台和电子光学系统的漂移会严重影响纳米颗粒的SEM成像，特别是用传统的慢扫模式成像中，影响尤为严重在许多情况下，漂移会给高质量的SEM纳米粒子测量带来最不利的影响，快速成像和二GB/T XXXXXXXXX 27 维傅里叶变换的漂移补偿可以解决这个问题ISO 19749用于纳米粒子测量的SEM资质认定中excel表格提供了漂移结果的示例，以及如何测量和最小化漂移的解决方案 注： ISO 19749中关于SEM测量纳米颗粒的资质认定的、可采用计算机存储和处理的excel表格从以下网站获得：https:/standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en 测量漂移性能前，首先要根据仪器制造商提供的参数，设置仪器的放大倍数、着陆能量（即加速电压）、束流，并将图像聚焦到最佳，已达到仪器的最佳分辨率性能 然后在不人为改变样本位置的情况下， 至少执行1分钟和10分钟的测量 是否执行更远、 更长的测量， 需要根据手头的检测任务来确定，与无需操作员协助即可长时间测量样品的自动测量系统一样 一分钟测量：一分钟内，每十秒采集一张图像，连续采集6张，通过依次对比图像，获得漂移的性质和程度， 将其中x和y方向的最大位移， 定义为1分钟的漂移值。

难点在于1分钟内完成图像序列采集 如果采集的快速图像的噪音太大，请使用稍高的束流 十分钟测量：十分钟内，每分钟采集一张图像，连续采集10张依次对比图像，获得漂移的性质和程度，找到其中x和y方向的最大位移，定义为为十分钟漂移性能值 一小时测量：一小时内，每三分钟采集一张图像，连续采集20张依次对比图像，获得漂移的性质和程度，找到其中x和y方向的最大位移，定义为一小时漂移性能值 长期测量：每三分钟采集一张图像，依次对比图像，获得漂移的性质和程度，找到其中x和y方向的最大位移，定义为长期漂移性能值 基于自动的软件测量也可以使用 SEM的漂移结果应该包含在纳米颗粒测量的报告中，用于确定与漂移相关的A类或B类不确定度以及计算测量结果的准确度 A.5 电子束诱导污染的测量 电子束诱导的污染可能是一个重大问题， 它是由电子束与样品相互作用时， 样品表面上高度流动的分子解吸附引起的在最坏的情况下，它可以完全阻碍纳米颗粒测量在电子辐射下，样品表面形成的碳质层能很容易的遮盖最小的纳米颗粒， 并将纳米颗粒的尺寸明显增大或者改变采集图像时的信号收集更多详细的信息参见附录A和附录F 清洁度测量步骤如下： 用 NIST 污染研究级材料 (RGM 10100) 非晶氧化硅图案或类似的硅芯片，以仪器制造商指定的放大倍数拍摄一张最佳分辨的图像，用来证明 SEM 符合其规格。

保存图像 将放大倍率提高两倍并连续扫描 10 分钟 返回原来放大倍率并拍摄另一张图像 如果第二张图像中间有任何可见的变暗或碳质结构，则仪器或样品或两者均不符合清洁度要求 如果不符合规格，首先用 30%过氧化氢溶液与浓硫酸以 3:1 的比例配备的混合液（酸性食人鱼溶液）清洗样品 注： 在准备食人鱼溶液时，请记住该反应是放热的，溶液会变热必须将过氧化物加入酸中，而不是相反，然后让混合物冷却至室温 这种强烈的氧化剂可以在不到30分钟的时间内清除样品中残留的所有碳氢化合物 如果使用清洗干净的样品， 仪器还未通过清洁度测试， 则需要使用低能等离子体或其他清洁手段对仪器进行清洁，直到通过上述的测量程序，得到无污染的图像 GB/T XXXXXXXXX 28 对 SEM 具有分辨率要求的所有主电子束着陆能量（加速电压）以及测量中使用的其他参数重复上述过程 成功完成此测量后， 结果应包含在纳米粒子测量报告中， 这个结果是证明无污染操作的最终图像对（在指定放大倍数下，十分钟之前和放大两倍后扫描十分钟再返回原倍数的图像），并记录束流 幸运的是， 有可靠的方法可以从根本上消除这个问题 测量证明SEM本身是没有电子束诱导的污染。

如果使用清洁的SEM，没有污染，则应确认和考虑样品的制备过程，以获得清洁的纳米颗粒样品 如果图像上可见的污染是不可避免地， 那请确认与污染相关的A类或B类不确定度， 并将其用于计算测量结果的准确性 A.6 标尺和线性测量 应校准SEM以将像素正确转换为SI长度单位（例如纳米）校准程序应包括对视场均匀性的验证为确保准确性和可溯源性，校准应通过使用经认证的标准物质(CRM)来完成，该标准物质应是一种具有适合的已知准确距离且可溯源不确定性的图案样品 水平和垂直方向的标尺和线性是很重要的，这可以确保从SEM图像得出的尺寸和形状分布信息的正确性SEM图像的标尺或放大倍数通常由制造商设置，可由工程师重新校准实现 10%精度内的标尺或放大倍数校准通常很简单，但要进行精度高于 5%的校准并不简单，在大多数情况下，只能将校准的参考物质与被评估的样品放在同一水平，确保它们与物镜的距离相同（工作距离） 附件 A 提供了测量标尺误差的方法 要设置SEM的标尺，请按照ISO16700中描述的程序进行操作也可以使用其他可溯源的标准物质进行校准水平和垂直方向的不确定度也应该被校准，以用于粒度和形状不确定度的确定 水平和垂直方向的线性是SEM测量纳米颗粒的另一个重要指标。

缺乏线性或非线性会导致纳米颗粒在尺寸和形状上出现偏差，偏差大小取决于它们在测量框中的位置特别在基于线圈的电子束偏转（扫描） 系统的SEM中， 以快速扫描成像的模式采集图像， 图像框的边缘误差可能达到 10% 在一些情况下，仅使用图像框的中心2/3区域，可以减弱该问题，得到令人满意地结果 SEM中水平和垂直方向的标尺和线性测量结果应包含在纳米颗粒测量的报告中，以确定与标尺和线性相关的A类或B类不确定度， 并将其用于计算测量结果的准确度 有关标尺校准结果的示例， 请参见ISO 19749 SEM纳米颗粒测量资质认证中的excel电子表格 注： ISO 19749中关于SEM测量纳米颗粒的资质认定的、可采用计算机存储和处理的excel表格从以下网站获得：https:/standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en A.7 噪音测量 SEM图像并非无噪声 尤其那些仅由几十个原子组成的结构,它们产生的信号到达探测器， 本来就很微弱此外，在这些信号链中，SEM可以收集各种类型的噪声噪声会导致纳米颗粒粒径和形状分布的测量出现错误，因此必须确保用于颗粒粒径和形状测量的图像具有足够高的信噪比 (RSN)。

用准备做纳米颗粒粒径和形状分布测量的样品之一，设置好仪器，获取合适的图像，并用该图像测量噪声图像拍摄时，要将所有相关的仪器参数，对比度和亮度、放大倍数（视场）、图像像素驻留或帧时间、束流进行优化，拍摄一张具有代表性的纳米颗粒图像 RSN的计算公式如下： 式中： GB/T XXXXXXXXX 29 Asig纳米颗粒的图像中最亮或最暗部分的平均值； sig信号的标准偏差（一般建议达到 SNR 5 到 SNR 7 或更高） SEM噪声的测量结果应包含在纳米颗粒测量报告中，以确定与噪声相关的A类或B类不确定性，并将其用于计算测量结果的准确性，请参见ISO 19749 SEM纳米颗粒测量资质认定的excel电子表格 注： ISO 19749中关于SEM测量纳米颗粒的资质认定的、可采用计算机存储和处理的excel表格从以下网站获得：https:/standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en A.8 主电子束电流测量 主电子束电流值和稳定性会影响粒度和形状测量重复性 过大的主电子束电流会引起样品改变， 过低的电子束电流会导致图像噪声过多， 电流不稳定会影响图像的清晰度， 使颗粒区分和阈值设置变得困难，尤其是对自动测量中的一些设置。

通常，对于大多数纳米颗粒的高分辨率、高放大倍数成像，1分钟或更短的采集时间就足够了，因此对于这些测量，10分钟的主电子束电流检测就够了更长的采集时间和长期的自动化成像和测量需要在更长的时间内进行主电子束电流测量，使其与成像时间匹配 使用法拉第杯和合适的皮安计，从一开始，每分钟测量一次暗电流，共测量11 次，计算平均值和标准偏差值；然后打开主电子束，将其对准法拉第杯的中心，使所有的电子都飞进来，没有一个漏掉 十分钟评估：从一开始，每分钟读取一次，共读取 11 次，然后计算平均值和标准偏差值，将它们定义为10分钟束流性能指标，同时报告所有读数 长期评估：从一开始，每分钟读取一次，计算平均值和标准偏差值，将它们定义为长期束流性能指标，标明测量的开始和结束，同时报告所有读数该评估的时间取决于测量任务，至少应与测量过程本身的时长一样 SEM主电子束电流的测量结果应包含在纳米颗粒测量报告中，以确定与束流相关的A类或B类不确定度，并将其用于计算测量结果的准确度有关束流测量结果的示例，请参见ISO 19749 SEM纳米颗粒测量资质认定的excel电子表格 ISO 19749中关于SEM测量纳米颗粒的资质认定的、可采用计算机存储和处理的excel表格从以下网站获得：https:/standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en。

GB/T XXXXXXXXX 30 B 附录B （资料性） 二氧化钛截面样品制备 B.1 背景与目的 制备二氧化钛截面样品， 对于扫描电子显微镜测量产业化颗粒的尺寸和形状分布具有意义， 这些产业化颗粒具有不规则形状、 宽尺寸分布和很强的聚集和团聚倾向 制备过程采用大。