Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 13872:2023 (ISO 19749:2021) về Công nghệ nano - Phép đo phân bố cỡ và hình dạng hạt bằng phương pháp hiển vi điện tử quét

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 13872:2023

ISO 19749:2021

CÔNG NGHỆ NANO - PHÉP ĐO PHÂN BỐ CỠ VÀ HÌNH DẠNG HẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT

Nanotechnologies - Measurements of particle size and shape distributions by scanning electron microscopy

Lời nói đầu

TCVN 13872:2023 hoàn toàn tương đương với ISO 19749:2021.

TCVN 13872:2023 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 229 Công nghệ nano biên soạn, Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố

Lời giới thiệu

Tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn để đo lường và báo cáo sự phân bố cỡ và hình dạng của các hạt thang nanomet sử dụng hình ảnh thu được từ thiết bị hiển vi điện tử quét (SEM). Tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho phép đo của các hạt lớn hơn với SEM. Các hạt nano là vật thể không gian ba chiều (3D), nhưng hình ảnh SEM chỉ là thể hiện hình ảnh hai chiều (2D) của hình dạng 3D từ góc nhìn nhất định. Hình ảnh SEM mang thông tin có giá trị về cỡ và hình dạng của các hạt. Mặc dù hình ảnh SEM có chứa lượng thông tin 3D nhất định, với mục đích đơn giản hóa, tiêu chuẩn này không liên quan đến việc tái tạo thông tin 3D. Đặc tính ba chiều chặt chẽ của các hạt nano bao gồm cỡ hạt, hình dạng, cấu trúc bề mặt (ví dụ: kết cấu xốp, mịn, ghồ ghề, ...), bề mặt và thành phần vật liệu bên trong, và vị trí của chúng trong khối 3D được nghiên cứu. Tiêu chuẩn này đề cập đến hai thuộc tính về hình thái học là cỡ và hình dạng, đối với cả vật thể nano rời rạc và kết tập (vật liệu có ít nhất một cỡ ở thang nanomet, tức là trong phạm vi 1 nm đến 100 nm). Việc chuẩn bị mẫu thích hợp là điều cần thiết để thu được hình ảnh hiển vi điện tử chất lượng cao và các kỹ thuật thích hợp thường thay đổi theo vật liệu mẫu. Điều quan trọng không kém là bản thân SEM phù hợp để thực hiện các phép đo với độ không đảm bảo đo yêu cầu. Hướng dẫn điển hình cho thấy rằng số lượng lớn, vài trăm hoặc hàng nghìn hạt cần được đo để có thể thu được kết quả thống kê phân bố cỡ hạt và hình dạng. Số lượng vật thể nano thực tế cần được đo phụ thuộc vào mẫu, độ không đảm bảo yêu cầu và hiệu quả của SEM. Đánh giá thống kê về dữ liệu và đánh giá độ không đảm bảo của các đại lượng đo như một phần của phép đo và các thủ tục báo cáo.

Tiêu chuẩn này bao gồm các quy trình đo, các phân tích dữ liệu, phân tích hạt và các điều khoản báo cáo. Trong các Phụ lục, có các ví dụ cụ thể cho các phép đo và hướng dẫn để đánh giá chất lượng của SEM để có các phép đo định lượng đáng tin cậy. Tự động hóa thu thập hình ảnh và phân tích dữ liệu có thể giảm chi phí và nâng cao chất lượng của kết quả. Với các hệ thống thu thập hình ảnh và phân tích hạt tự động, phép đo các mẫu hạt nano rời rạc thường dễ thực hiện hơn.

Phép đo các hạt nano rời rạc phức hệ và kết tập hoặc kết tụ của các hạt nano có thể yêu cầu có sự hỗ trợ của người thao tác trong việc thu thập và phân tích hình ảnh. Việc đánh giá hình dạng hạt được đơn giản hóa và dễ dàng bởi nhiều giải pháp phần mềm phân tích thích hợp cho phép lựa chọn tự động các hình dạng khác nhau.

CÔNG NGHỆ NANO - PHÉP ĐO PHÂN BỐ CỠ VÀ HÌNH DẠNG HẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT

Nanotechnologies - Measurements of particle size and shape distributions by scanning electron microscopy

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định các phương pháp xác định phân bố cỡ, hình dạng của hạt nano bằng cách thu nhận, đánh giá các hình ảnh hiển vi điện tử quét, thu thập và báo cáo kết quả chính xác.

CHÚ THÍCH 1: Tiêu chuẩn này áp dụng cho các hạt có giới hạn cỡ nhỏ hơn phụ thuộc vào độ không đảm bảo yêu cầu và hiệu suất phù hợp của SEM, điều này cần được chứng minh trước - theo các yêu cầu được mô tả trong tiêu chuẩn này.

CHÚ THÍCH 2: Tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các phép đo cỡ và hình dạng của các hạt lớn hơn hạt thang nano với SEM.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau đây rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 6165 (ISO/IEC Guide 99), Từ vựng quốc tế về đo lường học - Khái niệm, thuật ngữ chung và cơ bản (VIM)

TCVN ISO/IEC 17025, Yêu cầu chung về năng lực của các phòng thử nghiệm và hiệu chuẩn

ISO 9276-1, Representation of results of particle size analysis - Part 1: Graphical representation (Trình bày kết quả phân tích cỡ hạt - Phần 1: Biểu diễn bằng đồ thị)

ISO 9276-2, Representation of results of particle size analysis - Part 2: Calculation of average particle sizes/diametters and moments from particle size distributions (Trình bày kết quả phân tích cỡ hạt - Phần 2: Tính toán cỡ/đường kính hạt trung bình và mô men từ sự phân bố cỡ hạt)

ISO 9276-3, Representation of results of particle size analysis - Part 3: Adjustment of an experimental curve to a reference model (Trình bày kết quả phân tích cỡ hạt - Phần 3: Điều chỉnh đường cong thực nghiệm đến một mô hình chuẩn)

ISO 9276-5, Representation of results of particle size analysis - Part 5: Methods of calculation relating to particle size analyses using logarithmic normal probability distribution (Trình bày kết quả phân tích cỡ - Phần 5: Phương pháp tính toán liên quan đến phân tích cỡ hạt bằng cách sử dụng phân bố xác suất chuẩn logarit)

ISO 9276-6, Representation of results of particle size analysis - Part 6: Descriptive and quantitative representation of particle shape and morphology (Trình bày kết quả phân tích cỡ hạt - Phần 6: Mô tả và định lượng biểu diễn hình dạng và hình thái của hạt)

ISO 13322-1, Particle size analysus - Image analysis methods - Part 1: Static image analysis methods (Phân tích cỡ hạt - Phương pháp phân tích ảnh - Phần 1: Phương pháp phân tích ảnh tĩnh)

ISO 16700, Microbeam analysis - Scanning electron microscopy - Guidelines for calibrating image magnofication (Phân tích vi tia - Phương pháp hiển vi điện tử quét - Hướng dẫn hiệu chỉnh hình ảnh phóng đại)

ISO/TS 24597:2011, Microbeam analysis - Scanning electron microscopy - Methods of evaluating image sharpness (Phân tích vi tia - Phương pháp hiển vi điện tử quét - Phương pháp đánh giá hình ảnh sắc nét)

ISO 26824, Particle characterization of particulate systems - Vocabulary (Đặc tính hạt của hệ thống hạt - Từ vựng)

ISO/TS 80004-1, Nanotechnologies - Vocabulary - Part 1: Core terms (Công nghệ nano - Từ vựng - Phần 1: Thuật ngữ cốt lõi)

ISO/TS 80004-2, Nanotechnologies - Vocabulary - Part 2: Nano-objects (Công nghệ nano - Từ vựng - Phần 2: Vật thể nano)

ISO/TS 80004-3, Nanotechnologies - Vocabulary - Part 3: Cacbon nano-objects (Công nghệ nano - Từ vựng - Phần 3: Vật thể nano cacbon)

ISO/TS 80004-4, Nanotechnologies - Vocabulary - Part 4: Nanostructured material (Công nghệ nano - Từ vựng - Phần 4: Vật liệu cấu trúc nano)

ISO/TS 80004-6, Nanotechnologies - Vocabulary - Part 6: Nano-object characterization (Công nghệ nano - Từ vựng - Phần 6: Đặc tính vật thể nano)

3  Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa được nêu trong TCVN 6165 (ISO/IEC Guide 99), ISO 9276-6, ISO 26824, ISO/TS 80004-1, ISO/TS 80004-2, ISO/TS 80004-3, ISO/TS 80004-4, ISO/TS 80004-6 và các thuật ngữ và định nghĩa sau.

3.1  Các thuật ngữ chung

3.1.1

Thang nano (nanoscale)

Dải chiều dài từ khoảng 1 nm đến 100 nm.

CHÚ THÍCH 1: Các đặc tính không phải là phép ngoại suy từ các cỡ lớn hơn được thể hiện chủ yếu trong dải chiều dài này.

[NGUỒN: ISO/TS 80004-1:2015, 2.1]

3.1.2

Vật thể nano (nano-object)

Mảnh riêng biệt của vật liệu với một, hai hoặc ba chiều bên ngoài trong thang nano (3.1.1) [NGUỒN: ISO/TS 80004-1:2015, 2.5, đã sửa đổi]

3.1.3

Hạt (particle)

Mảnh nhỏ của vật chất với ranh giới vật lý xác định

[NGUỒN: ISO/TR 16197:2014, 3.10, đã sửa đổi]

3.1.4

Hạt sơ cấp (primary particle)

Hạt (3.1.3) nguồn ban đầu của các kết tụ (3.1.5) hoặc các kết tập (3.1.6) hoặc hỗn hợp của cả hai.

[NGUỒN: ISO 26824:2013, 1.4, đã sửa đổi]

3.1.5

Kết tụ (agglomerate)

Tập hợp các hạt (3.1.3) liên kết yếu hoặc mạnh vừa ở đó diện tích bề mặt bên ngoài tạo thành tương tự như tổng diện tích bề mặt của các thành phần riêng lẻ

CHÚ THÍCH 1: Agglomerate có nguồn gốc từ tiếng Latinh, “agglomerare” có nghĩa là “hình thành một quả bóng”.

CHÚ THÍCH 2: Lực giữ kết tụ với nhau là lực yếu, ví dụ lực van der Waals hoặc va chạm vật lý đơn giản.

CHÚ THÍCH 3: Các kết tụ cũng được gọi là các hạt thứ cấp và các hạt nguồn ban đầu được gọi là hạt sơ cấp (3.1.4).

[NGUỒN: ISO 26824:2013, 1.2, đã sửa đổi]

3.1.6

Kết tập (aggregate)

Hạt (3.1.3) bao gồm các hạt được liên kết chặt chẽ hoặc hợp nhất trong đó diện tích bề mặt bên ngoài tạo thành nhỏ hơn đáng kể so với tổng diện tích bề mặt của các thành phần riêng lẻ.

CHÚ THÍCH 1: Các lực giữ kết tập với nhau là các lực mạnh, ví dụ liên kết cộng hóa trị, hoặc các lực kết quả từ sự thiêu kết hoặc va chạm vật lý phức tạp, hoặc kết hợp khác là các hạt sơ cấp cũ (3.1.4).

CHÚ THÍCH 2: “Kết tập” xuất phát từ từ “aggregat” trong tiếng Latinh có nghĩa là “được xếp lại với nhau”.

CHÚ THÍCH 3: Hình 1 đưa ra các ví dụ về các hạt riêng lẻ, kết tập và kết tụ (3.1.5).

CHÚ THÍCH: Hình ảnh là hình chiếu từ các góc nhất định của các vật thể 3D. Tùy theo cách xem góc, cỡ hạt có thể quan sát được của các hạt có thể thay đổi đáng kể.

Hình 1 - Hình ảnh SEM của các hạt vàng riêng lẻ (bên trái), các hạt kết tập cacbon đen (giữa) và các hạt kết tụ corundum (bên phải)

[NGUỒN: ISO 26824:2013, 1.3, đã sửa đổi]

3.1.7

Hạt nano (nanoparticle)

Vật thể nano (3.1.2) với tất cả các chiều bên ngoài trong thang nano (3.1.1) trong đó độ dài của trục dài nhất và ngắn nhất của vật thể nano không khác nhau đáng kể

[NGUỒN: ISO / TS 80004-2:2015, 4.4, đã sửa đổi]

3.1.8

Cỡ hạt (particle size)

x

Kích thước của hạt (3.1.3) được xác định bằng phương pháp đo quy định và trong điều kiện đo quy định.

CHÚ THÍCH 1: Các phương pháp phân tích khác nhau dựa trên phép đo các đặc tính vật lý khác nhau. Không phụ thuộc vào đặc tính của hạt được đo thực tế, cỡ hạt có thể được báo cáo là một kích thước tuyến tính, một diện tích hoặc một thể tích.

CHÚ THÍCH 2: Ký hiệu x được sử dụng để biểu thị cỡ hạt (3.1.3) tuyến tính. Tuy nhiên, người ta công nhận rằng ký hiệu d cũng được sử dụng rộng rãi. Do đó, ký hiệu x có thể được thay thế bằng d.

3.1.9

Phân bố cỡ hạt (particle size distribution)

Phân bố lượng hạt (3.1.3) là hàm của cỡ hạt (3.1.8)

[NGUỒN: ISO/TS 80004-6:2021, 4.1.2, đã sửa đổi]

3.1.10

Hình dạng hạt (particle shape)

Dạng hình học bên ngoài của hạt (3.1.3)

CHÚ THÍCH 1: Mô tả hình dạng yêu cầu hai bộ mô tả vô hướng, tức là chiều dài và chiều rộng.

[NGUỒN: ISO/TS 80004-6:2021, 4.1.3, đã sửa đổi]

3.1.11

Mẫu phân tích (analytical sample)

Phần vật liệu, thu được từ mẫu ban đầu hoặc mẫu gộp bằng phương pháp xử lý sơ bộ mẫu thích hợp và có cỡ (thể tích/khối lượng) cần thiết cho thử nghiệm hoặc phân tích mong muốn

CHÚ THÍCH 1: Mẫu trong hóa học phân tích là phần vật liệu được chọn từ lượng vật liệu lớn hơn. Thuật ngữ này cần phải được xác định rõ ràng, ví dụ, mẫu đống, mẫu đại diện, mẫu ban đầu, mẫu gộp, mẫu thử. Thuật ngữ 'mẫu' ngụ ý sự tồn tại sai số khi lấy mẫu, tức là kết quả thu được trên các phần được lấy chỉ là ước tính về nồng độ của thành phần hoặc số lượng của đặc tính có mặt trong vật liệu gốc. Nếu không có hoặc sai số khi lấy mẫu không đáng kể, phần được lấy ra là phần mẫu thử, một phần hoặc mẫu thử. Thuật ngữ 'mẫu thử' được sử dụng để chỉ phần được lấy trong các điều kiện sao cho sự biến động khi lấy mẫu là không thể đánh giá được (thường là do tập hợp đang thay đổi), và được giả định, để thích hợp, bằng không. Cách chọn mẫu phải được quy định trong kế hoạch lấy mẫu.

[NGUỒN: ISO 11074:2015, 4.1.3, đã sửa đổi]

3.2  Các thuật ngữ cốt lõi: Phân tích hình ảnh

3.2.1

Hình ảnh nhị phân (binary image)

Hình ảnh số hóa bao gồm một dãy/chuỗi pixel (3.2.2), mỗi pixel trong số đó có giá trị 0 hoặc 1, có giá trị thường được biểu thị bằng vùng tối và vùng sáng trên màn hình hiển thị hoặc bằng cách sử dụng hai màu sắc phân biệt

[NGUỒN: ISO 13322-1:2014, 3.1.2]

3.2.2

Pixel (điểm ảnh) (pixel)

Phần tử nhỏ nhất của hình ảnh có thể được xử lý duy nhất và được xác định bởi hệ tọa độ không gian của nó và được mã hóa bằng các giá trị màu.

[NGUỒN: ISO 12640-2:2004, 3.6, đã sửa đổi]

3.2.3

Độ phân giải pixel (pixel resolution)

Số lượng pixel (3.2.2) hình ảnh trên đơn vị khoảng cách của detector

CHÚ THÍCH 1: Đơn vị điển hình đôi khi được biểu thị bằng số chấm trên inch (dpi).

(NGUỒN: ISO 29301:2017, 3.24, đã sửa đổi]

3.3  Các thuật ngữ cốt lõi: Ký hiệu và định nghĩa thống kê

3.3.1

Trung bình cộng số học (arithmetic mean)

Tổng các giá trị chia cho số lượng các giá trị

CHÚ THÍCH 1: Xem ISO 9276-1:1998 về các số đo lượng và các loại phân bố khác.

3.3.2

Độ lệch chuẩn (standard deviation)

Độ phân tán của loạt các kết quả xung quanh giá trị trung bình của chúng, bằng căn bậc hai dương của phương sai và được ước tính bằng căn bậc hai dương của bình phương trung bình

[NGUỒN: ISO 4259-1: 2017, 3.21]

3.3.3

Hệ số biến thiên (coefficient of variation)

Tỷ số giữa độ lệch chuẩn (3.3.2) và giá trị trung bình cộng số học (3.3.1)

[NGUỒN: ISO 27448: 2009, 3.11]

3.3.4

Sai số chuẩn tương đối (relative standard error)

Sai số chuẩn (SE_x) chia cho giá trị trung bình () và được biểu thị dưới dạng phần trăm.

3.3.5

Phân tích phương sai (analysis of variance)

ANOVA

Kỹ thuật chia nhỏ tổng phương sai của biến phản hồi thành các thành phần được liên kết với các nguồn biến thể xác định

3.3.6

Giá trị p (p value)

Xác suất quan sát giá trị thống kê của thử nghiệm quan sát được hoặc bất kỳ giá trị nào khác ít nhất là bất lợi cho giả thuyết khống

CHÚ THÍCH 1: Nếu giả thuyết khống là đúng và nếu thử nghiệm được lặp lại nhiều lần, giá trị p là xác suất rằng một giá trị ít nhất là cực trị như thống kê thử nghiệm được tính toán có thể quan sát được.

CHÚ THÍCH 2: Trong thử nghiệm giả thuyết, tuyên bố khẳng định rằng thông số không là thông số đúng được gọi là giả thuyết khống. Mục đích của thử nghiệm giả thuyết là để xác định xem dữ liệu có cung cấp bằng chứng đối với giả thuyết khống hay không. Khi thống kê thu được rất khác với thông số không, giả thuyết khống có thể bị bác bỏ. Giả thuyết thay thế, hoặc giả thuyết nghiên cứu, là giả thuyết khẳng định rằng thông số thực không phải là (hoặc nhỏ hơn hoặc lớn hơn) thông số không; đó là giả thuyết tương ứng với vấn đề được nghiên cứu. Mục tiêu của thử nghiệm giả thuyết là bác bỏ giả thuyết khống để có lợi cho nghiên cứu giả thuyết.

[NGUỒN: ISO/TR 14468: 2010, 3.13, được sửa đổi]

3.3.7

Độ lệch dư (residual deviation)

Sự khác biệt giữa giá trị quan sát được của biến phản hồi và giá trị ước tính của biến phản hồi

3.3.8

Độ lệch chuẩn dư (residual standard deviation)

Độ phân tán của các giá trị thông tin về đường hồi quy được tính toán

CHÚ THÍCH 1: Đây là con số đáng giá, mô tả độ chụm (3.5.3) của việc hiệu chuẩn.

CHÚ THÍCH 2: Đối với tài liệu này, độ lệch chuẩn (3.3.2) của phương pháp có nghĩa là độ lệch chuẩn của quy trình hiệu chuẩn.

[NGUỒN: ISO 8466-1: 1990, 2.5, đã sửa đổi]

3.3.9

Biểu đồ lượng tử (quantile plot)

Phương pháp đồ họa so sánh hai phân bố trong đó các lượng tử của dữ liệu (dữ liệu) thực nghiệm phân bố được vẽ trên trục y trong khi các lượng tử của phân bố lý thuyết (tham chiếu) với giá trị trung bình và phương sai giống như phân bố thực nghiệm được vẽ trên trục x

CHÚ THÍCH 1: Biểu đồ lượng tử-lượng tử (q-q) là biểu đồ xác suất, là kỹ thuật đồ họa để xác định xem hai tập dữ liệu đến từ các quần thể có phân bố chung. Biểu đồ q-q là biểu đồ của các lượng tử của dữ liệu đầu tiên thiết lập dựa trên các lượng tử của tập dữ liệu thứ hai. Xem ISO/TS 80004-6.

3.4  Các thuật ngữ cốt lõi: Đại lượng đo và mô tả

3.4.1

Đại lượng đo (measurand)

Số lượng dự kiến đo

[NGUỒN: ISO/IEC Guide 98-4:2012, 3.2.4]

3.4.2

Đường kính Feret (Feret diameter)

Khoảng cách giữa hai đường thẳng song song tiếp tuyến với chu vi (3.4.5) của hạt (3.1.3)

[NGUỒN: ISO 10788: 2014, 2.1.4, đã sửa đổi]

3.4.3

Đường kính Feret lớn nhất (maximum Feret diameter)

Chiều dài lớn nhất của vật thể bất kể hướng của nó

[NGUỒN: ISO /TR 945-2: 2011, 2.1, đã sửa đổi.]

3.4.4

Đường kính Feret nhỏ nhất (minimum Feret diameter)

Chiều dài nhỏ nhất của vật thể bất kể hướng của nó

CHÚ THÍCH 1: Đường kính Feret (3.4.2) hoặc đường kính của Feret là số đo cỡ vật thể dọc theo hướng xác định; được áp dụng cho hình chiếu của vật thể ba chiều trên mặt phẳng hai chiều, xem Hình 2. Đường kính Feret còn được gọi là đường kính thước cặp.

CHÚ DẪN:

Hình 2 - Đường kính Feret ngang (88 nm) và đường kính Feret dọc (93 nm), và chiều dài (99 nm) và bề rộng (79 nm) của hạt cacbon đen

CHÚ THÍCH 2: Đường kính Feret lớn nhất x_Fmax là “chiều dài” của hạt (3.1.3). Đường kính Feret nhỏ nhất (3.4.4) x_Fmin là "bề rộng" của hạt.

CHÚ THÍCH 3: Đường kính Feret phụ thuộc vào hướng của hạt đối với tiếp tuyến, vì vậy phép đo đơn lẻ không phải lúc nào cũng có tính đại diện. Nếu tất cả các hướng có thể được xem xét, đối với hạt lồi có chu vi hạt (3.4.5) P: P = π x_Fmean. (Định lý Cauchy). Không có mối quan hệ như vậy giữa P và x_Fmean đối với vật lõm.

3.4.5

Chu vi (perimeter)

Độ dài của toàn bộ đường bao vật thể

[NGUỒN: ISO / TR 945-2: 2011, 2.3, đã sửa đổi.]

3.4.6

Vỏ lồi (convex hull)

Tập lồi nhỏ nhất chứa vật thể hình học nhất định

[NGUỒN: ISO 19123: 2005, 4.1.2]

3.4.7

Tỷ lệ độ cao và độ rộng của ảnh (aspect ratio)

Tỷ lệ giữa đường kính Feret nhỏ nhất (3.4.4) với đường kính Feret lớn nhất (3.4.3).

3.4.8

Tỷ lệ hình elip (ellipse ratio)

Tỷ lệ chiều dài của các trục của hình elip quán tính Legendre.

[NGUỒN: ISO 26824: 2013, 4.4, đã sửa đổi]

3.4.9

Mức bao phủ (extent)

Tỷ lệ giữa diện tích hạt (3.1.3) trên tích của Feret lớn nhất (3.4.3) và đường kính Feret nhỏ nhất (3.4.4)

3.4.10

Độ chặt (compactness)

Mức độ mà vùng chiếu A của hạt (3.1.4) tương tự như hình tròn, xét trên tổng thể dạng của hạt có đường kính Feret lớn nhất (3.4.3)

[NGUỒN: ISO 26824: 2013, 4.9, đã sửa đổi]

3.4.11

Độ lồi (convexity)

Tỷ lệ giữa chu vi (3.4.5) của vỏ lồi (3.4.6) bao quanh hạt (3.1.3) với chu vi của nó.

3.4.12

Vòng tròn (circularity)

Hệ số hình dạng (form factor)

Mức độ mà diện tích hình chiếu của hạt (3.1.3) tương tự như hình tròn, dựa trên chu vi của nó (3.4.5)

3.4.13

Độ tròn (roundness)

Bình phương của vòng tròn (3.4.12)

3.4.14

Độ rắn (solidity)

Tỷ số giữa diện tích hình chiếu A với vỏ lồi (3.4.6) A_C (đường bao)

3.5  Các thuật ngữ cốt lõi: Đo lường học

3.5.1

Điều kiện lặp lại của phép đo (repeatability condition of measurement)

Điều kiện của phép đo, thể hiện bằng một tập hợp các điều kiện bao gồm cùng quy trình đo, cùng người thao tác, cùng hệ thống đo, cùng điều kiện vận hành và cùng địa điểm, và các phép đo lặp lại trên cùng vật thể hoặc các vật thể tương tự trong khoảng thời gian ngắn

[NGUỒN: TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007), 2.20, đã sửa đổi]

3.5.2

Độ chính xác đo (measurement accuracy)

Mức độ gần nhau giữa giá trị đại lượng đo được và giá trị đại lượng thực của đại lượng đo (3.4.1)

CHÚ THÍCH 1: Khái niệm độ chính xác đo không phải là đại lượng và không cho biết trị số đại lượng. Phép đo được xem là chính xác hơn khi nó có độ không đảm bảo đo nhỏ hơn (3.5.4).

CHÚ THÍCH 2: Thuật ngữ “độ chính xác của phép đo” không được sử dụng cho độ đúng đo và thuật ngữ độ chụm đo (3.5.3) không được sử dụng cho "độ chính xác đo", tuy nhiên, nó có liên quan đến cả hai khái niệm này.

CHÚ THÍCH 3: Độ chính xác đo đôi khi được hiểu là mức độ gần nhau giữa các giá trị đại lượng đo được đang quy định cho đại lượng đo.

[NGUỒN: TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007), 2.13, đã sửa đổi]

3.5.3

Độ chụm (precision)

Mức độ gần nhau giữa các số chỉ hoặc các giá trị đại lượng đo được nhận được bởi phép đo lặp trên các vật thể như nhau hoặc tương tự nhau trong điều kiện quy định

CHÚ THÍCH 1: Độ chụm đo thường được thể hiện bằng mặt số lượng bằng thước đo sự phân tán, như độ lệch chuẩn (3.3.2), phương sai hoặc hệ số biến thiên (3.3.3) trong các điều kiện đo quy định.

CHÚ THÍCH 2: Điều kiện quy định có thể là, ví dụ, điều kiện lặp lại của phép đo, điều kiện chụm trung gian của phép đo hoặc điều kiện tái lập của phép đo [xem TCVN 6910-1:2001 (ISO 5725-1:1994)].

CHÚ THÍCH 3: Độ chụm đo được sử dụng để định nghĩa độ lặp lại đo, độ chụm đo trung gian và độ tái lập đo.

CHÚ THÍCH 4: Đôi khi “độ chụm đo” được dùng không đúng theo nghĩa độ chính xác đo.

[NGUỒN: TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007), 2.15, đã sửa đổi]

3.5.4

Độ không đảm bảo đo (measurement uncertainty)

Tham số không âm đặc trưng cho sự phân tán của các giá trị đại lượng được quy cho đại lượng đo (3.4.1), trên cơ sở thông tin đã sử dụng.

CHÚ THÍCH 1: Độ không đảm bảo đo bao gồm các thành phần xuất hiện từ các ảnh hưởng hệ thống, như thành phần gắn với sự hiệu chính và giá trị đại lượng được ấn định của chuẩn đo lường, cũng như độ không đảm bảo định nghĩa. Đôi khi các ảnh động hệ thống đã ước tính không được hiệu chính, nhưng thay thế là các thành phần độ không đảm bảo đo kèm theo được đưa vào.

CHÚ THÍCH 2: Tham số có thể là, ví dụ, độ lệch chuẩn (3.3.2) được gọi là độ không đảm bảo chuẩn (hoặc một bội số xác định của nó), hoặc nửa của khoảng, với xác suất phủ quy định.

CHÚ THÍCH 3: Thông thường, độ không đảm bảo đo bao gồm nhiều thành phần. Một số thành phần có thể đánh giá theo cách Đánh giá Loại A của độ không đảm bảo đo (3.5.7) bằng phân bố thống kê của các giá trị đại lượng từ dãy các phép đo và có thể được đặc trưng bằng độ lệch chuẩn. Các thành phần khác có thể được đánh giá theo cách đánh giá Loại B của độ không đảm bảo đo (3.5.8), cũng có thể đặc trưng bằng độ lệch chuẩn, được đánh giá từ hàm mật độ xác suất dựa trên kinh nghiệm hoặc thông tin khác.

CHÚ THÍCH 4: Thông thường, đối với một tập hợp thông tin đã cho, độ không đảm bảo đo được gắn với một giá trị đại lượng đã ấn định quy cho đại lượng đo (3.4.1). Sự thay đổi của giá trị này dẫn đến sự thay đổi của độ không đảm bảo kèm theo.

[NGUỒN: JCGM 200:2012, 2.26]

3.5.5

Độ không đảm bảo đo chuẩn tổng hợp (combined standard measurement uncertainty)

Độ không đảm bảo đo chuẩn (3.5.4), tham số không âm đặc trưng cho sự phân tán của các giá trị đại lượng được quy cho đại lượng đo (3.4.1), trên cơ sở thông tin đã sử dụng, thu được sử dụng các độ không đảm bảo đo chuẩn riêng liên quan đến các đại lượng đầu vào trong một mô hình đo.

CHÚ THÍCH 1: Trong trường hợp các đại lượng đầu vào trong mô hình đo có tương quan, điều cần thiết là các hiệp biến cũng phải được tính đến khi tính toán độ không đảm bảo đo chuẩn tổng hợp: xem thêm TCVN 9595-3:2013 (ISO/IEC Guide 98-3:2008), 2.3.4.

CHÚ THÍCH 2: Độ không đảm bảo đo bao gồm các thành phần xuất hiện từ các ảnh hưởng hệ thống, như thành phần gắn với sự hiệu chính và giá trị đại lượng được ấn định của chuẩn đo lường, cũng như độ không đảm bảo định nghĩa. Đôi khi các ảnh động hệ thống đã ước tính không được hiệu chính, nhưng thay thế là các thành phần độ không đảm bảo đo kèm theo được đưa vào.

CHÚ THÍCH 3: Tham số có thể là, ví dụ, độ lệch chuẩn (3.3.2) được gọi là độ không đảm bảo chuẩn (hoặc một bội số xác định của nó), hoặc nữa của khoảng, với xác suất phủ quy định.

CHÚ THÍCH 4: Thông thường, độ không đảm bảo đo bao gồm nhiều thành phần. Một số thành phần có thể đánh giá theo cách Đánh giá Loại A của độ không đảm bảo đo (3.5.7) bằng phân bố thống kê của các giá trị đại lượng từ dãy các phép đo và có thể được đặc trưng bằng độ lệch chuẩn. Các thành phần khác có thể được đánh giá theo cách đánh giá Loại B của độ không đảm bảo đo (3.5.8), cũng có thể đặc trưng bằng độ lệch chuẩn, được đánh giá từ hàm mật độ xác suất dựa trên kinh nghiệm hoặc thông tin khác.

CHÚ THÍCH 5: Thông thường, đối với một tập hợp thông tin đã cho, độ không đảm bảo đo được gắn với một giá trị đại lượng đã ấn định quy cho đại lượng đo (3.4.1). Sự thay đổi của giá trị này dẫn đến sự thay đổi của độ không đảm bảo kèm theo.

[NGUỒN: JCGM 200:2012, 2.31]

3.5.6

Độ không đảm bảo đo mở rộng (expanded measurement uncertainty)

U

Tích của độ không đảm bảo đo chuẩn tổng hợp (3.5.5) và một hệ số lớn hơn số một.

CHÚ THÍCH 1: Hệ số phụ thuộc vào dạng phân bổ xác suất của đại lượng đầu ra trong mô hình đo lường và xác suất phủ phủ đã chọn.

CHÚ THÍCH 2: Thuật ngữ “hệ số” trong định nghĩa này chính là hệ số phủ.

CHÚ THÍCH 3: Độ không đảm bảo đo mở rộng được gọi là độ không đảm bảo toàn thể trong phần 5 của Khuyến nghị INC-1 (1980) (xem GUM) và đơn giản là “độ không đảm bảo” trong các tiêu chuẩn của IEC.

[NGUỒN: TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007), 2.28, đã sửa đổi.]

3.5.7

Đánh giá loại A của độ không đảm bảo đo (type A evaluation of measurement uncertainty)

Đánh giá thành phần của độ không đảm bảo đo (3.5.4) bằng phân tích thống kê các giá trị đại lượng đo được nhận được trong các điều kiện đo xác định.

[NGUỒN: TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007), 2.28, đã sửa đổi]

3.5.8

Đánh giá loại B của độ không đảm bảo đo (type B evaluation of measurement uncertainty)

Đánh giá thành phần của độ không đảm bảo đo (3.5.4) bằng cách khác với đánh giá Loại A của độ không đảm bảo đo (3.5.7)

[NGUỒN: TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007), 2.29, đã sửa đổi]

3.5.9

Vật liệu chuẩn (reference material)

RM

Vật liệu, đủ đồng nhất và ổn định đối với một hoặc nhiều tính chất quy định, được thiết lập phù hợp với mục đích sử dụng dự kiến trong quá trình đo.

3.5.10

Vật liệu chuẩn được chứng nhận (certified reference material)

CRM

Vật liệu chuẩn (3.5.9) đặc trưng bằng quy trình có hiệu lực đo lường đối với một hoặc nhiều tính chất quy định, cùng với giấy chứng chỉ vật liệu chuẩn cung cấp giá trị của tính chất quy định, độ không đảm bảo kèm theo và công bố về liên kết chuẩn đo lường.

[NGUỒN: TCVN 8890:2017 (ISO Guide 30:2015), 2.1.2, đã sửa đổi]

3.6  Các thuật ngữ cốt lõi: Phương pháp hiển vi điện tử quét

3.6.1

Thiết bị hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope)

SEM

Thiết bị tạo ra hình ảnh phóng đại của mẫu thử bằng cách quét bề mặt của nó với chùm điện tử hội tụ cao.

CHÚ THÍCH 1: SEM thông thường sử dụng nguồn điện tử của dây tóc được làm từ vật liệu W hoặc LaB₆, được đốt nóng để tạo ra nguồn điện tử do phát xạ nhiệt. Các cỡ đầu dò của chùm điện tử nằm trong dải từ 3 nm đến 4 nm, không đủ để phân giải các chi tiết nhỏ nhất ở thang nanomet. Phạm vi của phép phân tích hữu ích thường có độ phóng đại dưới 100.000 lần. SEM thông thường thường hoạt động ở mức điện áp gia tăng cao (3.6.2) (từ 5 kV đến 30 kV) và thường yêu cầu các mẫu không dẫn điện phải được phủ một lớp mỏng kim loại dẫn điện (vàng, vàng-paladi, crom, osmium) để tạo ảnh hoặc cacbon chỉ cho mục đích phân tích.

CHÚ THÍCH 2: Thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) có đầu tip cực nhọn giúp tạo ra cỡ đầu dò đường kính nhỏ hơn so với SEM thông thường, ngay cả ở mức điện áp gia tăng thấp (từ 0,5 kV đến 5 kV). Trong FESEM, cỡ đầu dò chùm điện tử có thể là 0,5 nm hoặc nhỏ hơn, mở rộng dải phóng đại hữu hiệu theo từng bậc tăng dần. Vật liệu không dẫn điện có thể được tạo ảnh mà không cần phủ lớp chất dẫn điện bằng cách sử dụng mức điện áp gia tăng thấp hoặc rất thấp. FESEM đôi khi được gọi là SEM độ phân giải cao (HRSEM).

CHÚ THÍCH 3: Chế độ SEM áp suất biến thiên (VPSEM) hoặc SEM có kiểm soát áp suất có thể hoạt động với áp suất trong buồng mẫu từ 1 Pa đến 5.000 Pa để không còn phát hiện được phát xạ thứ cấp trực tiếp và thu được hình ảnh với sự phát hiện của các điện tử bởi khuếch đại khí, đầu dò điện tử thứ cấp môi trường, các ion, phát xạ quang điện hoặc sử dụng các tín hiệu khác như tán xạ ngược (BSE) hoặc dòng điện hấp thụ. Loại SEM này cũng có thể được sử dụng trong buồng chân không thông thường.

3.6.2

Điện áp gia tăng (accelerating voltage)

Chênh lệch điện thế được áp giữa filament và anode để gia tăng các điện tử thoát ra từ nguồn

[NGUỒN: ISO 23833:2013, 5.1]

3.6.3

Điện tử thứ cấp (secondary electron)

SE

Điện tử phát ra từ mẫu thử do bị bắn phá bởi các điện tử sơ cấp

CHÚ THÍCH 1: Theo quy ước, điện tử có năng lượng nhỏ hơn 50 eV được coi là điện tử thứ cấp.

[NGUỒN: ISO 22493:2014, 3.4]

3.6.4

Ảnh điện tử thứ cấp (secondary electron image)

SEI

Hình ảnh của chùm điện tử quét trong đó tín hiệu được lấy từ detector có chọn lọc đo các điện tử thứ cấp (3.6.3) (các điện tử có ít hơn 50 eV) và không nhạy trực tiếp với các điện tử tán xạ ngược.

[NGUỒN: ISO 23833:2013, 4.4.11]

3.6.5

Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua quét (scanning transmission electron microscopy)

STEM

Phương pháp tạo ra ảnh phóng đại hoặc các ảnh nhiễu xạ của mẫu bằng chùm điện tử hội tụ quét trên bề mặt, truyền qua mẫu và tương tác với mẫu.

CHÚ THÍCH 1: Năng lượng của chùm điện tử sơ cấp trong SEM thấp hơn đáng kể so với trong thiết bị hiển vi điện tử truyền qua (TEM) thế hệ đầu, nhưng vẫn hữu ích cho hình ảnh STEM và phép đo các hạt nano (3.1.7).

[NGUỒN: ISO / TS 80004-6:2021, 4.5.7, đã sửa đổi]

4  Nguyên tắc chung

4.1  Hình ảnh SEM

Các hạt là ba chiều. SEM tạo ra hình chiếu, nhìn từ góc nhất định của hạt ba chiều. Hình ảnh SEM kỹ thuật số là ma trận hai chiều của các vị trí được xác định bằng các thông số ngang, dọc và cường độ của tín hiệu tại các vị trí đó. Ma trận này có thể xem được dưới dạng hình ảnh trên màn hình máy tính.

Hình ảnh và phân tích SEM đặc biệt hữu ích để hiển thị và đo lường các hạt nano với hình dạng và cỡ hạt đa dạng. Hình ảnh hóa các hạt nano là bước đầu tiên để nhìn thấy sự hiện diện của chúng, nhưng nếu không có độ lặp lại thích hợp trong việc hình ảnh hóa, SEM không thể cung cấp thông tin hữu ích cho phép đo cỡ hạt. Tùy thuộc vào khả năng phân giải của SEM, SEM có thể mang đến hình ảnh rõ nét cho các hạt cỡ 10 nm. Hình 3 đưa ra một ví dụ cho các hạt nano có cỡ khác nhau với cỡ gần đúng cho hai trong số chúng. Chiều rộng trường ngang là 300 nm.

Có 50 nguyên tử trong 1 nm³ Si; hạt hình cầu Si có đường kính 1 nm chứa khoảng 26 nguyên tử, hạt hình cầu Si có đường kính 2 nm chứa khoảng 210 nguyên tử, vì vậy các hạt nano nhỏ không thể tạo ra các tín hiệu lớn. Để có được hình ảnh đủ nét, phải cài đặt SEM và các tham số hình ảnh phù hợp.

Nhiều thiết bị SEM hiện đại có khả năng tạo ảnh truyền qua quét. Hình ảnh của các hạt nano thu được trong thiết bị SEM trong chế độ làm việc hiển vi điện tử truyền qua quét là tương tự như hình ảnh được chụp trong thiết bị hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và thiết bị hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM), thường hoạt động ở mức điện áp gia tăng cao hơn nhiều. Hình ảnh STEM lấy trong SEM có thể đặc biệt hữu ích cho các phép đo hình dạng và cỡ hạt. Rõ ràng là trong chế độ làm việc này, các yêu cầu chuẩn bị mẫu là tương tự như trong khảo sát TEM thế hệ đầu hoặc STEM. Tiêu chuẩn ISO tương tự đã đưa ra các phép đo hình dạng và cỡ hạt, thông tin và ví dụ để chuẩn bị mẫu và hình ảnh hữu ích cho các phép đo dựa trên SEM.

4.2  Phép đo cỡ hạt dựa trên hình ảnh SEM

Phép đo cỡ xác định thông số một chiều (1D), một trị số liên quan đến cỡ của hạt ba chiều (3D), ví dụ: đường kính tương đương hình tròn trong hình chiếu phẳng. Hình ảnh SEM có thể chứa một số thông tin bổ sung liên quan đến thể tích. Tùy thuộc vào thông số cài đặt thiết bị và vật liệu mẫu, nhiều điện tử mang tín hiệu có thể được tạo ra bởi hạt hình cầu hơn so với vật liệu phẳng, ngay cả khi chúng có cùng cỡ và hình dạng hình chiếu.

Để xác định cỡ hạt, phải sử dụng các phần liên quan của ISO 13322-1, ISO 9276-1, ISO 9276-2, ISO 9276-3 và ISO 9276-5.

Tùy thuộc vào độ phân giải của SEM, thiết bị có thể đo cỡ và sự phân bố đối với các hạt nhỏ hơn 10 nm. Các hạt nano nhỏ nhất có thể đo được ở cỡ 1 nm cần SEM có độ phân giải cao nhất từ 0,4 nm hoặc tốt hơn. Các thiết bị khác, cụ thể là những thiết bị được trang bị với nguồn điện tử vonfram thông thường, có độ phân giải lập thể vài nanomet, không phù hợp để tạo ảnh và để đo các hạt nano nhỏ nhất. Giá trị nhỏ nhất thực tế của cỡ hạt nano đo được phụ thuộc vào thiết bị, môi trường của nó và cả mẫu. Khi việc xác định cỡ của các hạt nano là không đáng tin cậy do độ phân giải không đủ cao, thì có thể sử dụng cách đếm hạt. Đối với việc này, có thể đủ để phát hiện sự hiện diện của các hạt nano. Cường độ tín hiệu cũng có thể được sử dụng để xác định thông tin liên quan đến cỡ với độ chính xác suy giảm. Ví dụ, trong Hình 3, hạt vàng có cỡ khoảng 2 nm cho tín hiệu cường độ yếu hơn hạt có cỡ 10 nm. Giới hạn phát hiện sự có mặt của các hạt nano có cỡ rất nhỏ phải được xác định bằng so sánh kết quả của SEM hoặc TEM có độ phân giải cao hơn và nhạy hơn hoặc các phép đo khác, sử dụng các mẫu phù hợp.

Ngoài ra, sai số đo cũng phụ thuộc vào độ phân giải của SEM. Nói chung, chùm tia điện tử hội tụ và sắc hơn sẽ dẫn đến hình ảnh hiển thị nhiều chi tiết hơn của các hạt có vẻ nhỏ hơn, trong khi thiếu sự hội tụ hoặc độ phân giải không cao khiến hình ảnh có vẻ lớn hơn. Điều này không có nghĩa là không thể thực hiện được các phép đo phân bố cỡ hạt và hình dạng chất lượng cao. Hiệu chuẩn thích hợp bằng cách sử dụng các mẫu tham chiếu có liên quan với các cỡ hạt đã biết có thể giúp giảm đáng kể độ không đảm bảo đo.

Hình 3 - Hình ảnh SEM của các hạt nano vàng trên đế cacbon cho thấy sự thay đổi lớn về cỡ hạt và hình dạng (300 nm HFW)

4.3  Phép đo hình dạng hạt dựa trên hình ảnh SEM

Các phép đo hình dạng xác định hàm hai chiều liên quan đến hình chiếu, nhìn từ góc xác định của hạt ba chiều. ISO 9276-6 sẽ được sử dụng trong phép đo hình dạng hạt dựa trên hình ảnh SEM.

Việc xác định chính xác hình dạng các hạt nano yêu cầu hình ảnh độ phân giải cao hơn so với các phép đo cỡ đơn giản. ISO 9276-6:2008 chỉ ra rằng: “Độ phân giải tối ưu sẽ không và không thể đạt được hoàn toàn nhưng phải liên quan đến cỡ của các đặc điểm phần tử cần xác định (ví dụ: nhánh kết tụ, mức độ nhám). Phân tích các thông số hình ảnh thường dựa trên hình ảnh được số hóa. Quá trình số hóa một hình ảnh có thể làm mất thông tin do chuyển đổi của các tính năng liên tục tự nhiên của hạt thành các phần tử rời rạc có cỡ hữu hạn - độ phân giải hữu hạn. Về sai số pixel, đối với hình tròn là nhỏ hơn 5 %, số pixel cần thiết trên mỗi hạt nằm trong khoảng từ 100 đến 200; đối với các thông số mạnh, như diện tích chiếu và tỷ lệ hình elip, lên đến 5000 đối với các thông số sử dụng chu vi”.

5  Chuẩn bị mẫu

5.1  Thông tin cơ bản về chuẩn bị mẫu

Chất lượng của kết quả đo cỡ hạt và hình dạng hạt nano bằng phương pháp SEM phụ thuộc rất nhiều vào việc chuẩn bị mẫu. Mức độ phù hợp của kết quả thu được trên các mẫu đã chuẩn bị với toàn bộ lượng vật liệu hạt nano thô có thể được đảm bảo bằng cách lấy mẫu thích hợp và chuẩn bị cẩn thận. Không có phương pháp tối ưu nào để chuẩn bị cho tất cả các hạt nano, mà các phương pháp được xác định thông qua đặc trưng của các hạt nano trong vật liệu hạt nano thô.

Đại lượng đo, định lượng hoặc tính chất dự kiến đo cũng là cơ bản trong chuẩn bị mẫu. Tùy thuộc vào sự chính xác của thông tin với độ đảm bảo xác định, phương pháp chuẩn bị mẫu tối ưu có thể khác nhau. Người sử dụng quyết định phương pháp thích hợp nhất.

Thông tin về ảnh hưởng sức khỏe của các hạt nano khác nhau vẫn chưa đầy đủ. Có thể một số hạt nano gây nguy hại cho sức khỏe trong khi một số hạt khác không hoặc không gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe sau khi phơi nhiễm. Vì lý do này, khuyến nghị rằng phải luôn sử dụng phương tiện bảo vệ cá nhân thích hợp, bao gồm găng tay dùng một lần, kính bảo hộ, áo khoác phòng thử nghiệm, mặt nạ lọc và các biện pháp phòng ngừa thích hợp khi xử lý vật liệu nano. Việc chuẩn bị mẫu phải được thực hiện trong tủ hút được trang bị bộ lọc không khí phù hợp.

Các dụng cụ được sử dụng để chuẩn bị và xử lý các hạt nano phải được làm sạch bằng nước khử khoáng đã được lọc và để khô. Cho phép sử dụng các chất làm sạch thương mại được pha chế riêng cho các thành phần quang học để loại bỏ cặn, nhưng phải cẩn thận để loại bỏ tất cả các vết của chất tẩy rửa vì điều này có thể ảnh hưởng đến các tính chất của vật liệu nano. Nếu có sẵn, bảo quản các dụng cụ trong không khí được lọc qua bộ lọc hiệu suất cao (HEPA) (ví dụ: trong khoang kín/bàn sạch).

5.2  Khuyến nghị chung

Các mẫu hạt nano thường là bột hoặc huyền phù. Các mẫu bột thường được phân tán trong chất lỏng trước khi kết tủa trên đế (tấm nền) để đánh giá bằng phương pháp hiển vi điện tử. Các huyền phù thường xuyên cần được pha loãng để lấy hình ảnh các hạt rời rạc. Thông thường, lấy một lượng nhỏ hạt nano từ lượng lớn các nguyên liệu mẫu thô của mẫu cần phân tích. Trong số các mẫu này, một lượng các hạt tách ra và kết tủa trên bề mặt đế. Mục tiêu chính của việc chuẩn bị mẫu là: sử dụng mẫu đại diện dạng bột thô hoặc dạng lỏng, giảm thiểu sự kết tụ trong huyền phù được sử dụng để gắn mẫu, giảm thiểu liên kết hạt-hạt trên giá đỡ, phân bổ mẫu đều trên đế và lựa chọn chất nền giúp tăng độ tương phản giữa hạt và đế.

Các mẫu được chuẩn bị phải phù hợp, tức là sự phân bố cỡ và hình dạng của lượng nhỏ các hạt nano là cần thiết để chuẩn bị mẫu cho các phép đo, nguyên liệu mẫu thô ban đầu sẽ được chia sao cho đảm bảo rằng phần được lấy sẽ đại diện cho toàn bộ nguyên liệu mẫu ban đầu. Điều này gọi là lấy mẫu. Phương pháp được sử dụng để phân chia mẫu phải được xác định bằng phương pháp chuẩn bị mẫu và do phòng thử nghiệm thực hiện phép đo.

Sự phân tán của các hạt nano trên bề mặt để các hạt không tiếp xúc với nhau, tức là các hạt có thể nhìn thấy rõ ràng trong ảnh với ranh giới của chúng dễ nhận thấy. Các hạt chạm vào nhau hoặc chồng lên nhau càng ít hạt càng tốt. Đo các hạt chạm như một hạt nếu không có sự tách biệt thích hợp sẽ tạo ra sai số đo. Người ta cũng mong muốn rằng các hạt không xa nhau, để có thể quan sát thấy nhiều hạt nano trên các hình ảnh thu được.

5.3  Đảm bảo lấy mẫu tốt đối với nguyên liệu thô dạng bột hoặc nguyên liệu thô phân tán trong chất lỏng

5.3.1  Bột

Điều quan trọng là phải lấy mẫu các mẫu dạng bột một cách cẩn thận, đặc biệt nếu chúng bị kết tụ do vật liệu có thể tái sắp xếp dưới điều kiện rung và lực ép khi chuyên chở. ISO 14887:2000, TCVN 8552:2010 (ISO 14703:2008) và ISO 14488:2007 đưa ra hướng dẫn về cách lấy và xử lý các mẫu bột. Hầu hết các loại bột và các hạt nano sẽ được tích điện âm trong pha khí, vì vậy khi nạp các mẫu khô trên bề mặt đế, chúng cũng thường mang điện tích âm, thường tạo ra các kết tụ lớn khó hình dung và đo lường. Các mẫu bột được chuẩn bị cho hình ảnh SEM và STEM bằng cách phân tán trong pha lồng, sau đó tạo kết tủa trong đế hoặc lưới đo.

5.3.2  Phân tán hạt nano trong chất lỏng

Các hạt nano có thể được phân tán trong dịch keo hoặc dịch sol. Các dịch phân tán keo ổn định trong pha lỏng thường yêu cầu phương pháp ổn định tĩnh điện hoặc ổn định không gian để ngăn chặn sự kết tụ. Các dịch phân tán hạt nano đậm đặc cần pha loãng để giảm các hạt nano chạm vào nhau trên đế hoặc lưới đo. Tính ổn định của sự phân tán dạng keo ảnh hưởng đến việc liệu chúng có duy trì như các hạt rời rạc hoặc kết tụ, kết tập, hoặc keo tụ. Độ ổn định của dạng keo phụ thuộc vào hóa học bề mặt của hạt, lớp phủ hoặc chất phụ gia trên các hạt, hóa chất dung môi, các phối tử vô cơ và hữu cơ trong pha lỏng.

Đối với tất cả các mẫu thô, điều cần thiết là giảm thiểu sự kết tụ của các hạt trong quá trình phân tán mẫu, và chuẩn bị mẫu.

5.4  Đảm bảo sự phân tán đại diện

Các lực ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ keo bao gồm: lực đẩy thể tích khấu trừ, tương tác tĩnh điện, lực van der Waals, lực entropi và tương tác không gian. Lớp đẩy nhau của các điện tích giống nhau trên các chất keo hạt nano dẫn đến ổn định tĩnh điện. Tại giao diện hạt nano/chất lỏng có thể hình thành các lớp điện kép. Do các hạt nano có cỡ nhỏ, chúng có thể có diện tích bề mặt rất lớn so với thể tích (khối lượng) của chúng, do đó lực đẩy bề mặt có thể thắng lực nổi dẫn đến sự lắng của các hạt. Sự ổn định không gian của các hạt xảy ra khi lớp phủ, chẳng hạn như chất hoạt động bề mặt, polyme hoặc oligome, được gắn vào bề mặt hạt nano. Những lớp phủ này ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano bằng cách giữ chúng cách xa nhau đủ để các lực hấp dẫn không xảy ra.

Có các chế phẩm hạt nano thương mại với lớp phủ bề mặt hoặc được gắn nhóm chức lên bề mặt, được thiết kế để kiểm soát sự phân tán của các hạt trong môi trường cụ thể. Sự mất ổn định của các hạt keo nano trong dịch phân tán có thể xảy ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau. Các phương pháp phổ biến để kiểm soát các lực tương tác giữa các hạt là lựa chọn chất lỏng phân tán và sử dụng chất hoạt động bề mặt (xem ISO 26824). Lựa chọn chất lỏng phân tán thường được ưu tiên, vì chất hoạt động bề mặt có thể bao phủ bề mặt của các hạt nano bằng một lớp vật liệu mỏng. Tùy thuộc vào cỡ hạt nano, lớp phủ chất hoạt động bề mặt này có thể ảnh hưởng đến kết quả của các đặc tính và phép đo của các hạt nano. Ngoài ra, chất hoạt động bề mặt dễ bị giải hấp từ các hạt nano hoặc cũng có thể tạo ra sự kết tụ của các hạt nano với sự thay đổi về nhiệt độ và thành phần pha lỏng: nên cần phải chọn chúng với sự quan tâm.

Để giảm thiểu sự kết tụ và kết tập, việc phân tán mẫu thường yêu cầu xử lý bằng cách siêu âm (sóng âm).

Các hạt có thể có cỡ và hình dạng rất khác nhau, tùy thuộc vào góc quan sát. Khi xác định cỡ và hình dạng hạt, không thể thiếu việc đánh giá và sử dụng thông tin về cách các hạt 3D được nạp trên bề mặt mẫu 2D. Điều này cũng quan trọng tương tự khi đánh giá và sử dụng thông tin có liên quan đến góc mà hình ảnh phân tích được chụp.

5.5  Kết tủa hạt nano trên đế

5.5.1  Yêu cầu chung

Điều quan trọng của việc chuẩn bị mẫu là tạo ra sự phân bố đồng đều của các hạt trên toàn bộ đế đo. Một số phương pháp phổ biến để các hạt nano kết tủa trên đế đo được nêu trong, ví dụ, ISO/TS 24597, ISO 26824 và Tài liệu tham khảo [17]. Sự hiểu biết về phương pháp kết tủa hạt và số lượng các phương pháp ngày càng tăng; Khuyến nghị nghiên cứu và sử dụng các phương pháp trong tài liệu thích hợp.

Một số phương pháp phổ biến để kết tủa các hạt nano trên đế đo (xem ISO/TS 80004-3).

Vật liệu nền tốt nhất là có hầu hết các đặc trưng sau: tương đối phẳng so với cỡ khung đã chọn, độ đậm của nền là đồng đều và thấp trên toàn bộ cỡ khung và độ tương phản tốt được tạo ra giữa các hạt và nền. Nhiều hạt nano cần được tạo ảnh và phân tích để thu được dữ liệu chất lượng cao về sự phân bố cỡ hạt. Thời gian phân tích hạt có thể được giảm xuống và chất lượng dữ liệu có thể cải thiện nếu sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh. Khi các phương pháp chuẩn bị được xây dựng cho các mẫu chưa biết, có thể hữu ích khi thực hiện toàn bộ quy trình để xác định yếu tố nào là quan trọng đối với mẫu hiện có.

Phần mềm phân tích hình ảnh thương mại hoặc mã nguồn mở được sử dụng để phân tích các hình ảnh thu được. Các hình ảnh phải có chất lượng đủ để có thể phân giải các hạt riêng lẻ và đo được các cỡ của chúng. Mục đích quan trọng của việc chuẩn bị mẫu nhằm tạo ra sự phân bố đồng đều của các hạt trên toàn bộ đế đo.

5.5.2  Kết tủa của các hạt nano trên các phiến (wafer) và chip silic hoặc các vật liệu khác

Đây là một trong những cách dễ nhất và thường tiết kiệm nhất để chuẩn bị mẫu cho các phép đo SEM. Các phiến wafer và chip silic trống có tính dẫn điện tốt, đủ phẳng và cho phép có các phép đo và hình ảnh dựa trên điện tử thứ cấp và tán xạ ngược chất lượng cao. Các chip sẽ được làm sạch để loại bỏ bụi và các mảnh silic trên bề mặt của chúng. Các chip được đặt vào cốc chứa đầy dung dịch gồm nước (H₂O) và amoni hydroxit (NH₄OH) với tỷ lệ 9:1. Cốc sau đó được tiếp xúc với sóng siêu âm cường độ thấp trong 5 min trong bể nước sạch không đun nóng. Sau đó chip được rửa bằng nước sạch và phun etanol (C₂H₆O) và được xịt khô bằng khí nitơ nén không có dầu. Ngoài ra, có thể sử dụng chất hoạt động bề mặt anion hoặc không ion và nước sạch, nhưng điều này sẽ yêu cầu rửa nhiều hơn. Bề mặt sáng bóng của chip ở cuối bước này phải không nhìn thấy hạt bụi bất kỳ hoặc bị biến màu. Quy trình khác được mô tả trong Tài liệu tham khảo [17].

- Ăn mòn và làm sạch bề mặt bằng cách sử dụng chất tẩy rửa mạnh, chẳng hạn như dung dịch axit piranha (hỗn hợp với tỷ lệ 3:1 của dung dịch hydro peroxit (HOOH) 30 % được thêm vào axit sulfuric đậm đặc (H₂SO₄ vitriol)) [35r] hoặc hỗn hợp gồm etanol (420 ml), natri hydroxit, NaOH (70 g) và nước (280 ml).

- Bề mặt có thể được tích điện dương bằng cách sử dụng các poly (l-lysine) hoặc chất liên kết silan. Có thể sử dụng nhiều loại silan. Ví dụ, nhúng bề mặt vào dung dịch aminopropyltrimethoxysilan (APTES, 1% khối lượng/thể tích) được hòa tan trong hỗn hợp 95 % etanol và 5 % nước, sau đó là bốn lần tráng etanol. Các hạt nano tích điện âm bám vào bề mặt tích điện dương để hầu hết chúng được tách riêng. Các đế được làm khô và gia nhiệt đến 100 °C để loại bỏ nước trên bề mặt.

Không có gì bất thường khi lớp bắt giữ tích điện dương hoặc âm của các phân tử (ví dụ: poly-L-lysine) có thể được sử dụng hiệu quả để lấy và dính các hạt nano trên bề mặt của chip. Trong vòng vài phút phơi nhiễm với không khí trong phòng, một lớp mỏng khoảng 1,3 nm, được gọi là dạng "oxit tự nhiên" hình thành trên bề mặt của các chip silic, lớp này có thể là đủ đối với việc chuẩn bị lớp bắt giữ. Tuy nhiên, điều đó đã được chứng minh rằng lớp oxit dày hơn thì thích hợp hơn. Xử lý plasma oxy ướt kéo dài 1 min đối với các chip silic tạo thành lớp silic dioxit dày hơn. Những chíp có bề mặt sáng bóng hướng lên trên sẽ được được xử lý trong máy khắc plasma với công suất 40 W ở áp suất oxy hoặc không khí 2 x 10^-1 milibar (20 Pa).

Plasma oxy sẽ oxy hóa và loại bỏ các chất bẩn hữu cơ khỏi bề mặt chip và tăng độ dày của lớp silic dioxit. Lớp này cần thiết cho quá trình tạo dẫn xuất hóa học sau đó. Tuy nhiên, silic dioxit, khi ở dạng khối là chất cách điện, không được quá dày (dày hơn từ 4 nm đến 5 nm) làm cho bề mặt chip mất khả năng dẫn hạt điện tích được tạo ra bởi tia điện tử sơ cấp của thiết bị hiển vi. Hình 4 a) bên trái, đưa ra các ví dụ chuẩn bị mẫu các hạt nano bằng cách pha loãng đơn giản, nhỏ giọt và làm khô trong không khí và Hình 4 a) bên phải, với cùng một nguyên liệu thô được chuẩn bị theo quy trình mô tả ở trên,^[17] mang lại nhiều hơn các mẫu mong muốn đo. Mẫu bên trái có các hạt quá gần nhau, được bao quanh bởi một số vật liệu keo dư cũng nằm trên bề mặt của đế sillc tạo ra nền không đồng đều gây nhiễu. Việc sử dụng lớp bắt giữ cho phép rửa sạch toàn vật liệu keo dính, làm cho bề mặt hạt nano sạch và độ tương phản tốt hơn, đồng đều hơn giữa các hạt và đế.

CHÚ THÍCH: Hình ảnh điện tử thứ cấp của các hạt nano vàng dạng keo 30 nm kết tủa trên bề mặt chip silic sau chỉ pha loãng đơn giản và làm chỉ khô (bên trái), dẫn đến mẫu không mong muốn. Cùng một nguyên liệu mẫu thô hạt nano được chuẩn bị bằng cách sử dụng một lớp phân tử giữ lại tĩnh điện (bên phải) đã tạo ra một mẫu thuận lợi hơn nhiều. Chiều rộng trường ngang là 640 nm (trái) và 1,2 μm (phải).

Hình 4 - Hình ảnh điện tử thứ cấp của các hạt nano vàng dạng keo 30 nm kết tủa trên bề mặt chip Silic

Thể huyền phù lỏng hạt nano phải được làm khô hoàn toàn trước khi mẫu có thể được hút chân không để quan sát trên SEM. Trong quá trình sấy, có thể xảy ra sự phân bố không đồng đều và sự kết tập của các hạt nano. Để ngăn chặn sự kết tập và để đạt được sự phân bố đại diện của các hạt nano trên diện tích đã kết tủa, chất lỏng phải được loại bỏ cẩn thận. Phương pháp đơn giản là sử dụng một miếng giấy lọc đặt nhẹ nhàng lên trên hoặc vào cạnh của hạt huyền phù nano kết tủa trên đế. Hầu hết các chất lỏng được loại bỏ bằng giấy lọc, mẫu trên đế được làm khô trong điều kiện môi trường xung quanh, tức là không khí ở nhiệt độ phòng hoặc trong khí trơ (N₂). Một khả năng khác là trải thể huyền phù lỏng hạt nano rất mỏng trên bề mặt, sẽ có thể tránh được sự kết tập trong quá trình làm khô. Điều đó là cần thiết khi thực hiện các bước này để đảm bảo được sự phân bố đại diện các hạt nano trên diện tích kết tủa.

Việc bắt giữ các hạt nano trên để bằng điện tích phụ thuộc vào cỡ hạt, ví dụ, hiệu quả việc giữ lại các hạt có đường kính 10 nm và 100 nm là khác nhau. Nếu sự phân bố cỡ hạt hoặc đo các mẫu hạt phức hợp hai chế độ hoặc nhiều chế độ, việc chuẩn bị mẫu theo phương pháp này cần được thực hiện để các mẫu càng đại diện càng tốt. So sánh với kết quả của các phương pháp đo cỡ hạt khác được khuyến nghị.

5.5.3  Kết tủa hạt nano trên lưới TEM

Lưới dùng cho thiết bị hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cũng có thể được sử dụng hiệu quả khi tạo ảnh hạt nano và thực hiện các phép đo trong SEM. Tuy việc chuẩn bị mẫu có thể đơn giản hơn với việc sử dụng các chip silic, nhưng khi không có vật liệu khối dưới các hạt nano có thể có lợi, một phần vì liên quan đến hạt có độ tương phản được tạo ra có thể cao hơn. Đối với các hạt rất nhỏ, điều này có thể ngược lại, tín hiệu được tạo ra từ từng hạt riêng lẻ yếu hơn và cần thời gian thu nhận lâu hơn. Ngoài ra, lưới TEM cho phép sử dụng điện tử thứ cấp, tán xạ ngược và truyền qua dựa trên hình ảnh và phép đo trong nhiều SEM đồng thời. TEM hoạt động ở năng lượng giải thoát điện tử cao, thường là 60 keV đến 300 keV. Hoạt động của SEM ở năng lượng giải thoát từ 5 keV đến 30 keV trong chế độ thu nhận hình ảnh STEM có thể rất thuận lợi cho việc đo và tạo ảnh hạt nano, vì những năng lượng thấp này có thể vẫn đủ để tạo ra các tín hiệu truyền hữu ích. Các lưới TEM đơn giản nhất là lưới đồng với các màng đỡ mỏng. Các lớp phủ cacbon và sillc oxit là phổ biến và có độ bền cơ học và độ ổn định cao hơn so với màng nhựa. Ngày càng có nhiều lưới có mảng đỡ dùng cho TEM và màng từ các nhà cung cấp khác nhau; trong nhiều trường hợp đặc biệt, các đế đắt hơn đã chứng tỏ là sự lựa chọn tốt nhất.

- Lưới phủ cacbon: Phân tán các hạt nano trong môi trường không chứa nước hoặc có nồng độ muối thấp. Dùng pipet lấy lượng nhỏ (~ 5 μL) huyền phù nhỏ trực tiếp trên lưới phủ và để khô. Các hạt nano có thể kết tụ trong quá trình làm khô. Nếu điều này xảy ra, có thể chọn các môi trường dung môi khác, thường bằng cách xem xét hằng số Hamaker cho cặp chất rắn và chất lỏng.

- Bề mặt có thể được tích điện dương bằng cách sử dụng phương pháp xử lý silan. Việc ủ thể huyền phù hạt nano trên lưới phủ cho phép các hạt nano tích điện âm bám vào lưới phủ tích điện dương. Một số phương pháp là có sẵn (xem ISO 9276-6 và ISO/TS 24597).

Đặt lưới TEM có màng đỡ lên trên giấy lọc và phết thể huyền phù lỏng hạt nano lên lưới. Chất lỏng dư thừa có thể được giấy lọc hấp thụ và huyền phù trên lưới được làm khô tự nhiên. Điều đó là cần thiết khi thực hiện các bước này để đảm bảo được sự phân bố đại diện các hạt nano trên diện tích kết tủa. So sánh với kết quả của các phương pháp đo cỡ hạt khác được khuyến nghị.

5.6  Số lượng mẫu cần chuẩn bị

Số lượng mẫu cần thiết để thu được kết quả đo có giá trị thống kê đối với sự phân bố cỡ hạt và hình dạng hạt phụ thuộc vào vật liệu mẫu được khảo sát, các đại lượng đo, chuẩn bị mẫu và độ không đảm bảo đo theo yêu cầu. Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của sự phân bố cỡ hạt là số lượng các hạt cần được tạo ảnh và đo để đạt được mức độ tin cậy cần thiết trong các hệ số mô hình hóa sự phân bố mẫu, tức là độ lệch trung bình và độ lệch chuẩn của mẫu, Thông thường, từ vài trăm đến vài nghìn hạt cần được tạo ảnh, phân tích và báo cáo. Đối với các phép đo hình dạng hạt nano, cần hình ảnh có độ phân giải cao hơn nhiều (xem 5.3), thì số lượng hình ảnh cần lấy có thể rất lớn.

5.7  Số lượng hạt được đo để xác định cỡ hạt

Số lượng các hạt được đo phải được xác định dựa trên sự phân bố cỡ hạt và giới hạn tin cậy mong muốn. Giả sử các hạt được phân bố loga chuẩn, số lượng (N) cần thiết các hạt có sai số (δ) cho trước và giới hạn tin cậy đã cho được ước tính theo Công thức 1):

trong đó

K là số được xác định thông qua giới hạn tin cậy, sự phân bố hạt và các thông số khác.

Sai số thống kê gây ra bởi số lượng hạt mẫu đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng mô phỏng máy tính và so sánh với phương trình lý thuyết do Masuda và linoya phát triển [xem TCVN 6165 (ISO/IEC Guide 99) và Tài liệu tham khảo [6]). Lý thuyết giả định phân bố cỡ loga chuẩn và đưa ra các giải pháp phân tích chung cho sự phân bố đường kính trung bình của mẫu và số lượng các hạt cần thiết. Một nghiên cứu mô phỏng máy tính đã xác nhận lý thuyết. Do đó, sai số do không đủ số lượng hạt mẫu hoặc số lượng hạt cần thiết trong phép đo có thể được ước lượng về mặt phân tích.

Một ví dụ ứng dụng của phương trình lý thuyết đã kết luận rằng cần có khoảng 61000 hạt để có được đường kính khối lượng trung bình trong khoảng sai số 5 % với xác suất 95 % đối với mẫu hạt dạng bột với độ lệch chuẩn là 1,6. Tuy nhiên, nếu đánh giá dựa trên đường kính thể tích trung bình được áp dụng, con số yêu cầu giảm xuống chỉ còn 6100 hạt. Số lượng hạt cần thiết có thể được giảm một phần bằng cách thay đổi cơ sở đánh giá và bằng cách tăng mức sai số chấp nhận được ấn định. Ngay cả khi độ lệch chuẩn hình học của bột vẫn ở mức 1,6, thì đánh giá dựa trên đường kính thể tích trung bình và sai số cho phép 20 % chỉ cần 381 hạt. Tuy nhiên, kết quả đo cỡ thường được chuyển đổi sang cơ sở khối lượng, và do đó, đường kính khối lượng trung bình được chấp nhận làm cơ sở đánh giá.

CHÚ THÍCH: Xem ISO 13322-1.

5.8  Số lượng hạt được đo để xác định hình dạng hạt

Ứng xử vật lý và hóa học của các hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng của chúng. Trong hầu hết các trường hợp của quy trình sản xuất và hiệu suất của sản phẩm, hình dạng của các hạt nano thậm chí còn quan trọng hơn hơn cỡ của chúng. Xử lý hình ảnh dựa trên hình dạng có thể là một cách rất hiệu quả để đánh giá các tính chất của hạt nano và vật liệu chế tạo nano. Phép đo hình dạng hạt về cơ bản để xác định một bộ mô tả hai chiều của một vật thể ba chiều, có nhiều định nghĩa và các yếu tố hình dạng tiêu chuẩn có sẵn có thể cung cấp các bộ mô tả bổ sung cho một tập hợp hạt quan tâm. Số lượng các hạt được đo về hình dạng phải được xác định dựa trên trên bộ mô tả hình dạng hạt, sự phân bố hình dạng hạt và các giới hạn tin cậy mong muốn.

6  Đánh giá chất lượng của SEM đối với các phép đo hạt nano

Để tìm hiểu liệu SEM nhất định có thể thu được các hình ảnh thích hợp cho các phép đo cỡ của các hạt nano, việc đánh giá chất lượng SEM như một hệ thống đo lường phải được thực hiện trước tiên để xác định giới hạn tính năng của SEM đã cho và để xác định kết quả các thành phần độ không đảm bảo gây ra bởi các thiếu sót khác nhau của SEM và môi trường của nó.

Nhiều SEM được sử dụng để tạo ảnh, một số khác cũng có thể thu được thông tin định lượng chính xác, có tính lặp lại về nhiều loại tính chất của mẫu, bao gồm cả cỡ hạt nano. Hình ảnh SEM với chất lượng thích hợp có thể là đầu vào tuyệt vời cho việc phân tích, đánh giá định lượng sự phân bố cỡ và hình dạng của các hạt nano. Hầu hết các SEM đều có thể thu được các hình ảnh cần thiết, nhưng giới hạn độ đảm bảo được thiết lập bởi:

- độ phân giải không gian (khả năng hội tụ chùm tia điện tử sơ cấp, độ sắc nét của hình ảnh);

- độ trôi (của bệ mẫu và của cột quang điện tử);

- độ sạch (không có tạp nhiễm do chùm tia gây ra);

- tỷ lệ và độ tuyến tính (theo cả chiều ngang và chiều dọc);

- nhiễu;

- dòng chùm tia điện tử sơ cấp;

- một số tham số nữa liên quan đến cài đặt thiết bị.

Độ không đầm bảo đo yêu cầu và bản thân mẫu cũng là các yếu tố quyết định. Theo đó, giới hạn dưới có thể ở khoảng 10 nm, vài nm hoặc thậm chí nhỏ hơn. Phụ lục A phải được tuân thủ để chứng tỏ tính năng của SEM là phù hợp.

7  Thu nhận hình ảnh

7.1  Yêu cầu chung

Các hạt nano có thể nhỏ đến mức một số SEM không thể tạo ra hình ảnh với độ phóng đại và độ phân giải đủ cao để tiết lộ chính xác cỡ và hình dạng của chúng. Điều này đặc biệt đúng với cỡ hạt 10 nm hoặc nhỏ hơn. Để có được kết quả tốt, cần phải thu thập hình ảnh với chất lượng và sử dụng các quy trình thích hợp để trích xuất thông tin được tìm kiếm. Trong SEM, giống như với bất kỳ các hệ thống hình ảnh chất lượng cao khác, cần phải chọn một số tham số chính xác để có thể thu được dữ liệu và hình ảnh có đủ chất lượng.

SEM hiệu năng cao có thể có độ phân giải không gian 1 nm hoặc tốt hơn ở hệ số quang điện tử tối ưu và cài đặt thông số chùm tia điện tử. Để có kết quả tốt nhất, điện áp gia tăng, dòng tia và thời gian dừng trên 1 pixel phải đặt ở mức tối ưu, cùng với khoảng cách làm việc của mẫu. Các thông số này phụ thuộc vào SEM và được sử dụng trong suốt quá trình nghiên cứu để đảm bảo tính nhất quán tốt giữa các hình ảnh với nhau. Độ tương phản và độ sáng của các hình ảnh phải được thiết lập để có thể đạt được cân bằng tốt chi tiết của hạt và sự khác biệt với nền.

Thông thường, vận hành ở chế độ điện tử thứ cấp hoặc điện tử truyền qua là phù hợp để có được chất lượng tốt nhất, hình ảnh có độ phân giải cao nhất thích hợp cho các phép đo phân bố cỡ và hình dạng hạt nano.

Trước khi thực hiện toàn bộ quá trình đo, sẽ rất có ích khi tiến hành kiểm tra chất lượng của tất cả các mẫu để đánh giá sơ lược về sự kết tập và sự phân bố cỡ hạt. Toàn bộ quá trình có thể liên quan đến việc đo hàng nghìn hạt, vì vậy có thể tốn nhiều thời gian. Đây là giai đoạn trong quá trình đo cần phải xác định các điều kiện để quan sát, thu nhận hình ảnh tối ưu và các thông số thiết lập SEM. Thiết lập SEM sao cho tất cả các hạt (bao gồm hạt nhỏ) có đủ độ tương phản để đo cỡ hạt. Các hạt trong khung ảnh phải đủ cách ly, tức là cách xa nhau.

Có một vấn đề rất quan trọng trong việc thu thập hình ảnh: căn chỉnh cột SEM theo quy trình của nhà sản xuất để giảm thiểu hiện tượng vết và tối đa hóa độ sắc nét của hình ảnh, tức là đạt được độ phân giải tốt nhất ngay trước khi bắt đầu thu thập hình ảnh được sử dụng cho các phép đo cỡ và hình dạng hạt nano. Các thiết lập tiêu cự tối ưu phải được kiểm tra thường xuyên trong suốt quá trình thu thập tất cả các hình ảnh được sử dụng để xác định cỡ và hình dạng của hạt nano.

Các ví dụ được nêu trong 7.1, Hình 5 và Hình 6 minh họa chất lượng hình ảnh và diện mạo chung cần thiết để có kết quả đo đáng tin cậy. Ảnh SEM của vật liệu chuẩn hạt vàng dạng keo (RM) cỡ danh nghĩa 60 nm, 30 nm và 10 nm của NIST được sử dụng. Hầu hết các mẫu này đã được tạo ảnh ở độ phóng đại 250.000 lần, cung cấp sự cân bằng tốt giữa các chi tiết không gian cao và số lượng hạt trong khung ảnh [Hình 5, a) và b)]. Bên phải của Hình 5 thể hiện các mặt của cỡ hạt danh nghĩa 60 nm nhưng chỉ hiển thị 7 hạt. Có thể chụp nhiều ảnh hơn ở độ phóng đại cao hơn, nhưng cần cân nhắc các yếu tố khác như tỷ lệ nhiễm bẩn, thời gian thu nhận, độ trôi, có thể dẫn đến hình ảnh có độ phóng đại được tối ưu hóa thấp hơn một chút. Ngoài các hạt cỡ danh nghĩa 30 nm, ảnh có cùng độ phóng đại 250.000 lần là phù hợp, (xem Hình 6 b). Hình ảnh độ phóng đại quá thấp có thể không có đủ độ phân giải pixel, do đó, kết quả đo cỡ hạt sẽ kém chính xác hơn, và các phép đo hình dạng có thể không có đủ số pixel.

Đối với các hạt nano vàng cỡ danh nghĩa 10 nm, cần sử dụng độ phóng đại 500000 lần để đảm bảo đủ độ phân giải pixel (Hình 5 a). Để đáp ứng nhu cầu độ chụm đo tại các trường nhìn nhỏ, độ phân giải chụp kỹ thuật số 2.048 pixel vuông x 1.886 pixel vuông được sử dụng cho tất cả các hình ảnh. Ở độ phóng đại 250.000 lần, độ phân giải hình ảnh như vậy cung cấp một vùng xấp xỉ 100 pixel x 100 pixel đối với hạt danh nghĩa 60 nm và vùng 50 pixel x 50 pixel đối với hạt danh nghĩa 30 nm. Tương tự, ở độ phóng đại 500.000 lần, với cùng độ phân giải của ảnh cho vùng khoảng 35 pixel x 35 pixel đối với hạt danh nghĩa 10 nm.

CHÚ THÍCH: Chiều rộng trường ngang là 600 nm (bên phải). Chiều rộng trường ngang là 1,2 μm (bên trái). Lưu ý các mặt của các hạt.

Hình 5 - Hình ảnh SEM của các hạt vàng keo NIST RM 8013 (danh nghĩa 60 nm)

Đối với các phép đo hình dạng hạt, cần phải có hình ảnh có độ phân giải pixel cao hơn so với phép đo cỡ hạt. Hình 5 a) và Hình 9 cho thấy SEM hiện đại với khả năng lấy độ sắc nét dưới nanomet có thể thu được hình ảnh cho phép thực hiện các phép đo chất lượng tuyệt vời về hình dạng của các hạt nano.

Các cài đặt thu nhận hình ảnh tối ưu, số lượng pixel được ghi lại phụ thuộc vào nhiệm vụ hiện tại, để người sử dụng chứng minh đã chọn đúng cách.

CHÚ THÍCH: Chiều rộng trường ngang là 1,2 μm (bên trái). Chiều rộng trường ngang là 600 nm (bên phải).

Hình 6 - Hình ảnh SEM điển hình của các hạt vàng keo NIST RM 8013 (danh nghĩa 30 nm)

Không có cách tối ưu để thu được hình ảnh SEM, bởi vì các cài đặt tối ưu phụ thuộc vào thiết bị, mẫu và độ không đảm bảo yêu cầu. Người thao tác SEM cần thiết lập hiệu chỉnh các tham số thu nhận hình ảnh. Vì các hạt xếp chồng lên nhau và các hạt ở đường viền của khung hình ảnh thường không thể sử dụng để phân tích tự động, số lượng khung hình ảnh riêng biệt để chụp cũng khác nhau. Không có số lượng hạt phổ biến, hợp lệ về mặt khoa học, mà cần phải thu nhận và phân tích. Số thực tế, được tối ưu hóa, theo từng trường hợp phụ thuộc vào hàng loạt các thông số và cần phải đo không quá ít hoặc không quá nhiều hạt, bởi vì nếu đo quá ít sẽ cho kết quả sai, và nếu đo quá nhiều, thời gian dành cho việc thực hiện các phép đo không cần thiết sẽ phát sinh những chi phí không cần thiết.

Tín hiệu sử dụng để tạo ảnh trong SEM cũng có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến hình ảnh và có khả năng ảnh hưởng đến kết quả đo. Hình 7 cho thấy hình ảnh của các hạt titania (oxit titan, TiO₂) được chụp với SEM được trang bị bộ dò điện tử truyền qua. Các hình ảnh ở giữa và bên phải, giống như hình ảnh chụp của các TEM với các điện tử mạnh hơn nhiều. Trường sáng [Hình 7 b)] và trường tối [Hình 7 c)] ảnh STEM có thể có ở điện áp gia tăng 15 kV vì hạt có cỡ nhỏ.

CHÚ DẪN: Hình ảnh OTE 424 nm HFW.

Hình 7 - Hình ảnh điện tử của kết tụ titan oxit

Những hình ảnh này hiển thị độ tương phản khác với hình ảnh SE liên quan đến bề mặt và cho biết thêm thông tin có ích trong việc phân biệt và tách biệt các hạt sơ cấp (3.1.4) trong kết tụ.

Hình 8 cho thấy hình ảnh có độ phân giải pixel cao và một phần của nó được phóng đại kỹ thuật số pixel sang pixel. Hình ảnh có độ phân giải pixel cao của mẫu kết tụ cacbon đen có nhiều hạt nằm chồng lên và thích hợp để đo nhiều hạt trên mỗi khung hình.

Hình 8 - Mẫu kết tụ cacbon đen

CHÚ THÍCH: Chiều rộng trường ngang là 133 nm.

Hình 9 - Hình ảnh SEM có độ phóng đại cao của cùng hạt cacbon đen

Hai ảnh của Hình 9 minh họa độ khó của các phép đo ba chiều hoàn chỉnh. Nguyên tắc cơ bản là người ta sẽ cần nhiều hình ảnh được chụp từ nhiều hướng và giải pháp tinh vi hợp nhất các kết quả đó thành hình ảnh diễn tả 3D của hạt. Các hình dạng và cỡ hạt được đo dựa trên hai hình ảnh này là khác nhau đáng kể, nhưng nếu các hạt nano rơi xuống đế theo các hướng ngẫu nhiên, lượng trung bình của số lượng hạt đủ lớn sẽ tiếp cận giá trị trung bình được chia, giá trị này dễ đo hơn và có khả năng phù hợp hơn với các ứng dụng công nghiệp hoặc thương mại.

7.2  Thiết lập độ phóng đại hình ảnh và độ phân giải pixel phù hợp

Độ phóng đại của SEM phải được thiết lập thông qua việc xem xét phạm vi cỡ hạt được phân tích và phần mềm tạo ảnh được sử dụng để phân tích. Trường nhìn phải đủ lớn để bao gồm các hạt lớn nhất trong khi có đủ độ phân giải để phân biệt các hạt nhỏ nhất với nhiễu. Xét một hạt hình vuông có kích thước chiều dài 10 nm và diện tích 100 nm² cho độ phân giải là 0,5 nm/pixel. Sai số 1-pixel khi đo kích thước chiều dài của hạt sẽ đưa ra sai số 5 % về đường kính. Sai số 4-pixel khi đo diện tích sẽ cho sai số một phần trăm về diện tích hạt. Tiêu chuẩn ASTM đối với cacbon đen cung cấp một điểm khởi đầu để thiết lập độ phóng đại vận hành. Bảng 1 trình bày sai số trong phép đo đường kính, tính theo phần trăm, đối với sai số 1-pixel trong báo cáo chiều dài hạt. Lưu ý rằng sai số đo độ dài có thể xảy ra trong chụp ảnh hoặc phân tích hạt. Người thao tác có thể xác định độ phóng đại vận hành để đạt được độ không đảm bảo đo cần thiết cho bộ mô tả bằng cách sử dụng các bước được nêu trong quy trình này.

Bảng 1 - Các điểm khởi đầu được đề xuất để đặt độ phóng đại của thiết bị cho các hạt nano định cỡ khác nhau

Đối với sai số pixel nhỏ hơn 5 % cho cho hình tròn, số pixel cần thiết cho mỗi dải hạt từ 100 đến 200 (xem ISO 9276-6). Tại độ phóng đại cụ thể, số lượng pixel trên nanomet có thể là ước lượng, cho phép ước lượng số lượng pixel trên một nanomet vuông. Vì vậy, trong quá trình chụp ảnh có thể xác định liệu sai số trên các hạt nhỏ hơn có đủ hay không và điều chỉnh độ phóng đại nếu cần. Nếu phân bổ cỡ hạt rộng, có thể cần điều chỉnh độ phân giải để cung cấp độ chính xác cho các hạt nhỏ. Trong một số trường hợp, có thể cần phải chụp ảnh ở hai độ phóng đại khác nhau để tạo ra dữ liệu với độ chính xác cỡ tốt cho các hạt lớn và nhỏ.

Độ phóng đại và độ phân giải pixel phải được thiết lập thông qua việc xem xét tốc độ thu nhận, tức là thời gian dừng trên 1 pixel, độ phủ pixel của các hạt nhỏ nhất và số lượng hạt trong ảnh thu được. Thời gian dừng trên 1 pixel phải được thiết lập để có thể thu được hình ảnh phù hợp không có nhiễu. Số lượng pixel sẽ đặt thời gian khung hình, thời gian này sẽ được giảm thiểu, trong khi vẫn thu được hình ảnh phù hợp không có nhiễu. Tất cả những điều này cũng bị ảnh hưởng bởi độ không đảm bảo đo yêu cầu, các phép đo độ không đảm bảo đo chấp nhận lớn hơn có thể được thực hiện trên các hình ảnh thu được một cách nhanh chóng, nhiễu hơn những hình ảnh cần được thực hiện với độ không đảm bảo đo nhỏ hơn.

Sự phân bố được sử dụng phổ biến yêu cầu ít nhất hai thông số, một thông số mô tả cỡ hạt và thông số kia mô tả hình dạng của các hạt. Với mỗi ứng dụng, độ không đảm bảo đo tiêu chuẩn tương đối cần thiết đối với giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của phân bố sẽ thiết lập số lượng hình ảnh hạt nano yêu cầu. Các phương pháp phân bố đường cong phù hợp với dữ liệu cỡ hạt cung cấp độ không đảm bảo tiêu chuẩn tương đối đối với cả hai bộ mô tả (cỡ và hình dạng). Nếu phân phối phù hợp cung cấp một mô tả dữ liệu, người ta có thể xác định ảnh hưởng của số lượng hạt được phân tích đối với độ không đảm bảo đo tiêu chuẩn đối với các mẫu và điều chỉnh số lượng hạt được đếm để tạo ra bộ dữ liệu với độ chính xác cần thiết.

8  Phân tích hạt

8.1  Thông tin cơ bản về phân tích hạt

Mục tiêu tổng thể để đo phân bố hình dạng và cỡ hạt là chuyển đổi vi ảnh kỹ thuật số từ hình ảnh thang đen trắng thành hình ảnh nhị phân bao gồm các hạt rời rạc và nền và sử dụng các tiêu chí khác nhau tạo ra thông tin cần thiết với tuyên bố về độ không đảm bảo.

Phân tích phải đại diện cho mẫu. Thông thường, mẫu phải được chia nhỏ để phép đo có thể được thực hiện trên ba phần hoặc nhiều hơn. Phân tích thống kê dữ liệu cần chứng minh liệu các mẫu có thực sự đại diện cho toàn bộ mẫu thô hay không (xem ISO/TS 80004-2). ISO 13322-1:2014 cung cấp bản tham luận đầy đủ hơn.

SEM tạo ra ảnh hình chiếu của các hạt lắng đọng trên đế điện tử truyền qua, trong trường hợp của mẫu loại TEM hoặc không, như với chip silic. Cả cấu trúc bên trong và hình thái bề mặt có thể đóng góp vào hình ảnh có được. Ví dụ, xem Hình 5 b), do các tinh thể chồng lên nhau, độ tương phản cũng đã thể hiện các mặt sau của hạt hình tam giác.

Vì cần phải đo nhiều hạt nano để các phép đo sự phân bố cỡ hạt chất lượng cao, công việc sẽ được thực hiện với phần mềm phân tích hình ảnh. Cả phần mềm thương mại và phần mềm nguồn mở là sẵn có. Ảnh hưởng của cỡ mẫu đến độ không đảm bảo đo của đường kính trung bình hạt đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, với kết quả số lượng hạt lớn hơn dẫn đến độ không đảm bảo đo thấp hơn. Độ không đảm bảo đo đối với các tham số phân bố, giá trị trung bình của mẫu và độ lệch chuẩn cũng phải thấp hơn đối với số lượng hạt lớn hơn.

Không có phương pháp phân tích hình ảnh hoặc phần mềm nào là hoàn hảo. Thông thường, phân tích các hạt cô lập hoàn toàn dễ dàng hơn nhiều so với phân tích những hạt kết tập, vì trong nhiều trường hợp, khó phân tích các hạt riêng lẻ. Với các hạt kết tập, một số sai số đo bổ sung có thể phát sinh:

a) hai hoặc nhiều hạt kết tập được tính là một hạt,

b) một phần của các hạt kết tập được coi là một hạt,

c) một khu vực được bao quanh bởi các hạt được coi là một hạt, và

d) hình nhiễu được hiểu nhầm là hạt.

Mục a) được đưa ra ở trên dẫn đến sự gia tăng cỡ hạt (ví dụ: đường kính Feret lớn nhất), các mục b), c) và d) làm tăng số lượng hạt nhỏ không tồn tại.

8.2  Phân tích hạt riêng lẻ

ISO 13322-1:2014, từ 5.2 đến 5.3 và Điều 6 cung cấp hướng dẫn về quy trình đếm, các cạnh hạt, các hạt bị cắt bởi cạnh của khung đo, các hạt chạm, phép đo, hiệu chuẩn và xác định nguồn gốc, và sự biến dạng đối với phân tích hạt riêng lẻ (thủ công). Phép đo cỡ và hình dạng của nhiều hạt riêng lẻ có nhu cầu nhiều hơn so với việc đo trung bình của nhiều hạt. Phụ lục B, Phụ lục C và Phụ lục D đưa ra các ví dụ về kết quả của phép đo hạt nano.

8.3  Phân tích hạt tự động

Đối với phép phân tích hạt tự động và thủ công, có nhiều phần mềm thương mại. Những phần mềm này có thể tốn kém vài trăm hoặc hàng nghìn đô la Mỹ. ImageJ, Fiji1) là phần mềm miễn phí.

Mục tiêu tổng thể để đo sự phân bố cỡ hạt là chuyển đổi hình ảnh hiển vi kỹ thuật số từ ảnh thang đen trắng thành ảnh nhị phân bao gồm các hạt rời rạc và nền. Mỗi giá trị pixel sẽ được phân định bằng cách phân ngưỡng hình ảnh và lập bảng số lượng pixel cho mỗi hạt nano. Các thao tác phân ngưỡng hình ảnh phụ thuộc vào nhận định của người sử dụng và của trình tự động hóa được ưu tiên. Khi các giá trị nền trên hình ảnh không đồng nhất (ví dụ: do sự hiện diện của bụi các hạt, cặn từ quá trình làm sạch không đúng cách), các phương pháp tự động có thể bị lỗi. Người sử dụng sẽ cần chọn thủ công các giá trị ngưỡng cho các vùng khác nhau của hình ảnh (xem ISO/TS 80004-2). Hầu hết các dữ liệu được báo cáo trong các nghiên cứu điển hình đã được phân tích bằng phần mềm miễn phí, được gọi là ImageJ. Sau khi hoàn thành việc phân ngưỡng, các hạt nano sẽ được xác định. Hạt nano sẽ bao gồm nhiều các pixel liền kề đáp ứng tiêu chí phân ngưỡng. Có thể có một số pixel nền với giá trị nhị phân vượt quá tiêu chí phân ngưỡng. Đây thường sẽ là những pixel lẻ tẻ hoặc số lượng nhỏ pixel, cần được loại bỏ khỏi phân tích. Trong ImageJ, có chức năng 'loại bỏ đốm', bào mòn, và giãn nở. Việc áp dụng kết hợp các bước này thường loại bỏ các ảnh giả do phần mềm tạo ra hoặc nhiễu. So sánh trực quan giữa hình ảnh gốc và hình ảnh đã xử lý sẽ xác nhận rằng các ảnh giả thích hợp đã bị loại bỏ. Tương tự, một số pixel trong hạt nano có thể có giá trị dưới ngưỡng giới hạn. Những lỗ hổng này sẽ được phần mềm 'lấp đầy' để cho phép phân tích. Một số ví dụ cụ thể về phân tích tự động được cung cấp bởi PCC-15 (xem ISO/TS 80004-3), NIOSH/DUNE, và hướng dẫn thực hành tốt (số 119, xem Tài liệu tham khảo [22] trang 36-40). Có nhiều chương trình plug-in miễn phí có thể được sử dụng trong ImageJ hoặc Fiji để phát hiện, đếm và đo hình dạng cũng như số lượng các hạt, một trong những ví dụ là Graylevel Watershed có thể tăng tốc thời gian đến kết quả.

8.4  Ví dụ về quy trình phân tích hạt tự động

Quy trình này giả định rằng tất cả các hình ảnh được chụp ở định dạng kỹ thuật số. Các bước quy trình cho phần mềm ImageJ là:

- Tạo bản sao làm việc của tất cả các hình ảnh/khung hình (giữ nguyên các hình ảnh gốc chưa qua chỉnh sửa).

- Mở ImageJ và mở tệp ảnh.

- Đặt thang đo bằng cách sử dụng thanh tỷ lệ hoặc một phép đo khác về cỡ pixel, trở về thang gốc trước khi tiếp tục.

- Cắt hình ảnh để loại bỏ các thanh tỷ lệ và các ảnh giả khác có thể ảnh hưởng đến độ tương phản hoặc phân tích hạt.

- Kiểm tra và hiệu chỉnh độ sáng và độ tương phản để đảm bảo rằng tất cả các hình ảnh đều có biểu đồ ở giữa và đủ rộng để che phủ ít nhất 80 % mức xám có thể có.

- Thao tác phân ngưỡng có thể dẫn đến các tệp khung hình có các pixel ảnh giả đơn lẻ hoặc chất lượng hình ảnh kém, ví dụ các hạt thô hoặc nền không đồng đều do sự chiếu sáng của chùm tia điện tử không đồng đều. Trong trường hợp có ảnh giả, áp dụng quy trình làm sạch và bào mòn/giãn nở để loại bỏ các ảnh giả này và lưu các thay đổi. Trong trường hợp chất lượng hình ảnh kém, người thao tác có thể làm sạch các cạnh của các hạt hoặc sửa cho nền không đồng đều bằng cách áp dụng các bộ lọc đặc biệt. Đánh giá sự chuyển đổi hình ảnh và lưu các thay đổi.

- Không cần xử lý các hạt chạm bằng các thuật toán phân tách tự động (đầu nguồn, trong trường hợp của ImageJ). Thay vào đó, tất cả các phân tích hạt phải được ghi lại, và các hạt chạm phải được loại bỏ bằng cách sắp xếp từ bảng tính kết quả.

- Thiết lập danh sách các đại lượng đo mong muốn (chẳng hạn như diện tích, bộ mô tả hình dạng, đường kính Feret, hình elip thích hợp và giới hạn ngưỡng).

CHÚ THÍCH 1: Một số bộ mô tả cỡ và hình dạng hạt sẽ giúp xác định các vấn đề về hình ảnh và phép đo cũng như hỗ trợ việc xác định đặc trưng của mẫu hạt đang nghiên cứu.

- Phân tích các hạt (các cài đặt cụ thể của ImageJ bao gồm: hiển thị đường viền, hiển thị kết quả, bao gồm lỗ và loại trừ trên các cạnh).

- Lưu từng tệp hình ảnh hiển thị đường viền hạt và thứ tự bằng số của chúng (tên tệp.tif) và bảng tính (Results.xls, với tất cả giá trị đại lượng đo cho tất cả các hạt cộng với số lượng hạt và khung con số).

CHÚ THÍCH 2: Ví dụ bổ sung với hướng dẫn và giải thích ngắn gọn được cung cấp trong Phụ lục E như là một macro cho Hình ảnhJ.

Các thao tác với ngưỡng hình ảnh phụ thuộc vào thiên kiến của người sử dụng, do đó, tự động hóa được ưu tiên hơn. Khi nền các giá trị không đồng nhất trên hình ảnh (ví dụ, do sự hiện diện của các hạt bụi, cặn từ làm sạch không đúng cách), các phương pháp tự động có thể không thành công. Người sử dụng sẽ cần phải chọn ngưỡng theo cách thủ công giá trị cho các vùng khác nhau của hình ảnh (xem ISO 9276-6).

9  Phân tích dữ liệu

9.1  Yêu cầu chung

Có một số ứng dụng để phân tích thống kê dữ liệu cỡ hạt: đánh giá độ bền dữ liệu trong một phép đo và giữa một số phép đo, phù hợp với các mô hình tham chiếu cho phân bố cỡ hạt và đánh giá thống kê tổng thể cho một số phép đo. Bảng 2 đưa ra các ví dụ điển hình được sử dụng trong nhiều trường hợp. Độ không đảm bảo đo được tính toán từ các hệ số biến thiên được xác định từ các thông số phù hợp của từng tập dữ liệu trong tập dữ liệu của phép đo.

Bảng 2 - Các phương pháp phân tích thống kê điển hình

9.2  Sàng lọc dữ liệu thô: phát hiện các hạt chạm, ảnh giả và tạp chất

Thực hiện sàng lọc dữ liệu trước khi phân tích đầy đủ các tập dữ liệu có thể hữu ích. Ví dụ, các hạt chạm phải được loại bỏ khỏi tập dữ liệu, phải nhận diện các ảnh giả và loại bỏ, cần xác định các tạp chất và phân tích riêng biệt. Quy trình sàng lọc dữ liệu thô có thể được được phát triển ở giai đoạn đầu của phép đo phân bố cỡ và hình dạng hạt. Điều này có thể đảm bảo rằng đại lượng đo thích hợp được thực sự đo lường với việc sử dụng tối ưu các nguồn lực và thời gian.

9.3  Phù hợp mô hình với dữ liệu

Ba mô hình tham chiếu thường được trang bị cho dữ liệu phân bố cỡ hạt tích lũy là: loga chuẩn, Rosin-Rammler-Bennett và Weibull, Các mô hình đó và phân bố chuẩn có thể được so sánh với dữ liệu tần số tích lũy. ISO 9276-3 cung cấp hướng dẫn về dữ liệu phù hợp với các mô hình tham chiếu (xem ISO 9276-1).

9.4  Đánh giá độ không đảm bảo đo

9.4.1  Yêu cầu chung

CHÚ THÍCH: Các tổ chức tiêu chuẩn yêu cầu các tuyên bố về độ không đảm bảo đo. Có sự khác biệt giữa Ủy ban Tiêu chuẩn hóa châu Âu (CEN), Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO) và Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Mỹ (ASTM) về cách tiếp cận, mặc dù tất cả các báo cáo này đều gộp chung các độ không đảm bảo. CEN sử dụng bộ tiêu chuẩn ISO 5725^[6] và Hướng dẫn ISO trình bày độ không đảm bảo trong phép đo (phương pháp GUM, nói chung đủ điều kiện cho các kết quả thử nghiệm. ASTM sử dụng độ chụm và ước tính độ chệch (ASTM E456^[42]), thường đủ điều kiện của phương pháp thử nghiệm. Dự án Versailles về Tiêu chuẩn và Vật liệu Tiên tiến (VAMAS) thường tuân theo Hướng dẫn của CEN. Cách tiếp cận CEN/ISO là: xác định các đại lượng đo, xác định tất cả các nguồn không đảm bảo trong thử nghiệm, định lượng từng nguồn độ không đảm bảo bằng phân bố xác suất, tính toán tiêu chuẩn kết hợp (gộp chung) độ không đảm bảo và ước lượng độ không đảm bảo đo mở rộng ở khoảng tin cậy 95 %. Một số tài liệu tham khảo cung cấp rất chi tiết về độ không đảm bảo đo đối với phép đo riêng cỡ hạt.

Các thành phần độ không đảm bảo đo Loại A bao gồm các thành phần được đánh giá bằng các phương pháp thống kê, chẳng hạn như độ chụm. Các thành phần độ không đảm bảo đo Loại B được đánh giá bằng các phương thức khác, chẳng hạn như sai số hiệu chuẩn hoặc ảnh hưởng của sự biến thiên nhiệt độ. Các thành phần Loại A là: mức độ đúng của phép đo đến giá trị quy chiếu và độ chụm (mức độ mà các phép đo khác nhau hiển thị kết quả như nhau). Độ chụm thường được tách thành hai thành phần, độ lặp lại, sự khác nhau quan sát được đối với cùng một người thao tác và cùng một thiết bị nhưng điều kiện khác nhau (ví dụ, chuẩn bị mẫu hoặc ngày thử nghiệm) và độ tái lập, sự khác nhau quan sát được do cùng một quá trình được thực hiện bởi các người thao tác khác nhau trên các thiết bị/dụng cụ khác nhau (như trong nghiên cứu điển hình này). Khi vật liệu chuẩn đang được nghiên cứu đối với bộ mô tả được chứng nhận của nó, có thể tính được độ đúng cho mỗi phòng thử nghiệm [chênh lệch giữa giá trị được chứng nhận và giá trị trung bình của bộ mô tả cho mỗi phòng thử nghiệm (độ chệch)].

9.4.2  Ví dụ: Độ không đảm bảo đo đối với các phép đo cỡ hạt

Đối với bộ mô tả cỡ, độ không đảm bảo đo gộp, u_c(x), dựa trên độ tái lập u(ir), độ đúng, u(t), và sai số hiệu chuẩn thiết bị, u(c). U(ir) và u(t) là độ không đảm bảo đo Loại A trong khi u(c) là thành phần độ không đảm bảo đo Loại B. Độ không đảm bảo đo gộp là bình phương của tổng bình phương của các thành phần riêng lẻ của nó:

Trong hầu hết các trường hợp đo hạt dựa trên SEM, có nhiều thành phần hơn của độ không đảm bảo đo, như được thể hiện trong Bảng 3, trình bảy bảng tính của phép đo cỡ hạt nano 60 nm, với các thành phần độ không đảm bảo điển hình. Tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, có thể có nhiều thành phần hơn. Trong trường hợp này, tất cả các thành phần được giả định là không tương quan và bình phương giá trị của chúng đã được cộng với nhau trong công thức tính độ không đảm bảo (Ô 20).

Bảng 3 - Thành phần độ không đảm bảo đo cỡ hạt dựa trên SEM

Một số thành phần độ không đảm bảo này có thể tương quan với nhau, vì vậy, phải thực hiện một tính toán phức tạp hơn so với tính toán độ không đảm bảo đo mở rộng.

9.4.3  Phân tích hai biến

Phân tích hai biến có thể được sử dụng để so sánh các tập dữ liệu hai chiều độc lập từ mô hình giả định. Xem xét cả hai loại bộ mô tả rất quan trọng để mô tả đặc trưng của các vật liệu đó. Phương pháp này là một thử nghiệm phi thông số cho các phân bố bằng nhau ở kích thước cao, thử nghiệm hỗn hợp giả thuyết về các phân bố bằng nhau khi các phân bố không xác định. Một số loại so sánh hai biến có thể được phân tích bằng phương pháp này: các phân bố thực nghiệm (bộ mô tả - dữ liệu phân bố tích lũy) và dữ liệu bộ mô tả-bộ mô tả (cỡ-cỡ, cỡ-hình dạng hoặc hình dạng-hình dạng). Phương pháp hai biến này rất hữu ích để so sánh thống kê các tập dữ liệu nhưng không cung cấp các số liệu có thể được sử dụng để tính toán độ không đảm bảo đo của các bộ mô tả.

10  Báo cáo kết quả

Báo cáo về các phép đo thu được từ việc áp dụng tiêu chuẩn này phải theo các yêu cầu tương ứng của TCVN ISO/IEC 17025. Báo cáo đo hạt dựa trên SEM phải có thông tin về:

- xác định trường hợp hoặc nghiên cứu, tổ chức, phòng thử nghiệm, địa chỉ, (các) tác giả, ngày tháng;

- chuẩn bị mẫu, vật liệu, đế, vị trí và phương pháp làm khô, nhận dạng mẫu, nhân viên;

- thiết bị SEM, kiểu, nhận dạng, hiệu chuẩn, cài đặt, người thao tác;

- thu thập hình ảnh, phân tích, ngày tháng, phần mềm/phương pháp, thu thập thủ công hoặc tự động;

- điều kiện thu nhận hình ảnh, độ phóng đại, nm/pixel, cỡ pixel hình ảnh, tỷ lệ tín hiệu trên độ nhiễu;

- lặp lại tất cả các đại lượng đo được phân tích, số lượng hạt được báo cáo, số lượng khung hình ảnh;

- phân tích hạt, điều kiện ngưỡng, diện tích hạt nhỏ nhất (> 200 pixel), số lượng hình ảnh khung, hạt;

- phân tích dữ liệu, sàng lọc dữ liệu thô, phần mềm/phương pháp, phát hiện các hạt chạm vào, bộ mô tả, dải phát hiện và phân biệt;

- phát hiện ảnh giả, mô tả, dải phát hiện và phân biệt;

- các hạt được giữ lại, bộ mô tả, dải phát hiện và phân biệt;

- năng suất trung bình, tỷ lệ hạt được giữ lại;

- độ lặp lại và/hoặc độ tái lập;

- phần mềm/phương pháp, phần mềm/ANOVA; phân tích hai biến; khác;

- độ lặp lại (hoặc độ tái lập), giá trị p để phân tích giá trị trung bình lớn; tỷ lệ phần trăm giá trị-p tương tự cho phân tích theo cặp;

- lựa chọn bộ mô tả, phương pháp lựa chọn mô tả, nếu có;

- sự phân bố phù hợp với dữ liệu;

- phần mềm/phương pháp, phần mềm/hồi quy phi tuyến; khả năng lớn nhất; khác;

- báo cáo mô hình tham chiếu ưu tiên, thông thường, loga chuẩn, Weibull, hoặc phân bố khác;

- giá trị thông số, ước lượng và sai số chuẩn, C_v %;

- độ không đảm bảo đo;

- sai số chuẩn dư của bộ mô tả, sai số chuẩn dư của thông số mô tả nếu được tính toán;

- độ không đảm bảo đo liên phòng thử nghiệm, nếu được tính toán;

- độ lệch dư; các mối tương quan, phần mềm/phương pháp, độ lệch chuẩn dư, nếu được tính toán;

- biểu đồ: độ lệch dư, lượng tử, biểu đồ độ lệch dư, biểu đồ lượng tử, hiển thị phạm vi trong đó, mô hình phù hợp với dữ liệu;

- các mối tương quan giữa các bộ mô tả.

Tùy thuộc vào mục đích của nghiên cứu, một số thông tin trên đây có thể được bỏ qua

Xem Phụ lục G ví dụ về báo cáo kết quả của nghiên cứu điển hình về hạt nano SiO₂ (cỡ 18 nm và cỡ 82 nm) lưỡng cực phân tán tốt.

Phụ lục A

(quy định)

Đánh giá chất lượng của SEM đối với các phép đo hạt nano

A.1  Cơ sở

SEM là thiết bị rất đa năng, được sử dụng rộng rãi. Mặc dù SEM dễ vận hành và cho kết quả nhanh chóng, nhưng có thể có một số vấn đề, cản trở việc vận hành SEM ở hiệu suất tốt nhất cần thiết cho các phép đo thang nanomet đạt được độ lặp lại và độ chính xác tuyệt vời. Khó chịu nhất là chuyển động ngoài ý muốn của giai đoạn mẫu và chùm tia điện tử sơ cấp, biến dạng hình học, sai tỷ lệ, mở hình ảnh (thiếu sắc nét), nhiễu và nhiễm bẩn do chùm tia điện tử. Việc định lượng các thông số tính năng thiết yếu này là cần thiết để đảm bảo rằng tất cả SEM đều hoạt động bằng hoặc tốt hơn các quy định kỹ thuật của nhà sản xuất và các phép đo đáng tin cậy cho hạt nano có thể được thực hiện. Kiến thức định lượng giúp ích cho việc tính toán độ không đảm bảo đo và những sửa chữa cần thiết.

A.2  Yêu cầu chung

Nhiều SEM được sử dụng để chụp ảnh, một số khác cũng để thu được thông tin định lượng có thể lặp lại và chính xác về nhiều loại đặc trưng của mẫu, bao gồm cả cỡ của các hạt nano. Hình ảnh SEM chất lượng phù hợp có thể là đầu vào tuyệt vời cho việc phân tích, đánh giá định lượng sự phân bố cỡ và hình dạng của các hạt nano. Hầu hết tất cả các SEM đều có thể thực hiện các hình ảnh cần thiết, nhưng các giới hạn của SEM được thiết lập một cách chắc chắn bởi:

- độ phân giải không gian (khả năng hội tụ chùm tia điện tử chính, độ sắc nét của hình ảnh);

- độ trôi (của giai đoạn mẫu và của cột quang điện tử);

- độ sạch (không có tạp nhiễm do chùm tia gây ra);

- tỷ lệ và độ tuyến tính (theo cả chiều ngang và chiều dọc);

- nhiễu;

- dòng điện chùm tia điện tử sơ cấp;

- thêm một số tham số liên quan đến cài đặt thiết bị.

Độ không đảm bảo đo yêu cầu và mẫu cũng là các yếu tố quyết định. Tùy thuộc và những điều này, giới hạn dưới có thể ở khoảng 10 nm, vài nm hoặc thậm chí nhỏ hơn.

A.3  Đo độ phân giải không gian

Độ phân giải không gian của SEM, liên quan đến khả năng hội tụ chùm tia điện tử sơ cấp, là một trong những thông số tính năng được báo cáo thường xuyên nhất. Độ phân giải liên quan đến độ sắc nét của hình ảnh, dễ đo lường khách quan hơn. Không chứng minh rằng SEM đang đáp ứng hoặc vượt quá hiệu suất phân giải quy định của SEM, không thể thực hiện các phép đo hạt nano với độ không đảm bảo nhỏ nhất. Trong tiêu chuẩn này, phải tuân thủ cả quy trình phép đo độ phân giải của nhà sản xuất SEM và quy trình ISO thích hợp, được nêu trong ISO/TS 24597:2011. Thực hiện ít nhất bảy phép đo bằng cách sử dụng các hình ảnh thu được ở năng lượng giải thoát quy định bởi nhà cung cấp SEM đối với tính năng của SEM, xác định giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và mối tương quan giữa các kết quả. Bao gồm một hình ảnh SEM điển hình cho mỗi năng lượng giải thoát quy định.

Phụ lục F và Đánh giá chất lượng ISO 19749 của SEM đối với bảng tính excel phép đo hạt nano có các ví dụ hữu ích.

CHÚ THÍCH: Đánh giá chất lượng ISO 19749 của SEM đối với bảng tính exel phép đo hạt nano được cung cấp trong file đọc được tại: https://standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en.

Kết quả của phép đo độ phân giải không gian của SEM phải được đưa vào báo cáo của các phép đo hạt nano. Xác định độ không đảm bảo đo Loại A hoặc Loại B liên quan đến độ phân giải không gian của SEM và sử dụng nó trong việc tính toán độ chính xác của kết quả đo.

A.4  Đo độ trôi

Sự trôi của giai đoạn mẫu và của cột quang điện tử có thể làm sai lệch nghiêm trọng hình ảnh SEM của các hạt nano, đặc biệt là trong chế độ thu nhận hình ảnh quét chậm truyền thống. Trong nhiều trường hợp, trôi dạt gây ra vấn đề bất lợi nhất đối với các phép đo hạt nano chất lượng cao dựa trên SEM.

Hình ảnh nhanh và bù trôi dựa trên biến đổi Fourier hai chiều có thể giải quyết vấn đề này. Đánh giá chất lượng của SEM của ISO 19749 đối với các phép đo hạt nano, bảng tính excel trình bày ví dụ cho các kết quả của độ lệch, cũng như các giải pháp để đo lường và giảm thiểu chúng.

CHÚ THÍCH: Đánh giá chất lượng ISO 19749 của SEM đối với bảng tính exel phép đo hạt nano được cung cấp trong file đọc được tại: https://standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en

Để đo hiệu suất trôi, trước tiên hãy đặt tiêu điểm ở mức tốt nhất, độ phóng đại, năng lượng giải thoát (điện áp gia tăng), dòng điện chùm tia, đến các giá trị do nhà sản xuất thiết bị chỉ định cho chứng minh hiệu suất phân giải tốt nhất. Sau đó, không cố ý thay đổi vị trí mẫu, thực hiện ít nhất các phép đo 1 min và 10 min. Nếu phù hợp với nhiệm vụ trước mắt, tiến hành thêm, những phép đo lâu hơn, có liên quan đến các hệ thống đo lường tự động đo các mẫu trong một thời gian dài mà không có hỗ trợ của nhà điều hành.

Phép đo trong 1 min: chụp 6 hình ảnh liên tiếp sau mỗi 10 s, phát chúng theo trình tự để hình dung bản chất và mức độ trôi, tìm độ dịch chuyển lớn nhất theo hướng x và y trong số chúng, báo cáo dưới dạng giá trị hiệu suất trôi 1 min. Vấn đề là để hoàn thành việc thu nhận chuỗi hình ảnh trong vòng 1 min. Nếu những hình ảnh nhanh này quá nhiễu, hãy sử dụng dòng điện chùm tia cao hơn một chút.

Phép đo trong 10 min: chụp 10 hình ảnh, một hình ảnh khi bắt đầu và sau đó cứ mỗi phút, phát chúng theo trình tự để hình dung bản chất và mức độ trôi, tìm độ dịch chuyển lớn nhất theo hướng x và y trong số đó, báo cáo dưới dạng giá trị hiệu suất trôi 10 min.

Phép đo trong một giờ: chụp 20 hình ảnh, một hình ảnh khi bắt đầu và sau đó cứ 3 min một lần, phát chúng theo trình tự để hình dung bản chất và mức độ trôi, tìm độ dịch chuyển lớn nhất theo hướng x và y trong số đó, báo cáo dưới dạng giá trị hiệu suất trôi 1 h.

Đo lường dài hạn: chụp ảnh cứ 3 min một lần, phát chúng theo trình tự để hình dung bản chất và mức độ trôi, tìm độ dịch chuyển lớn nhất theo hướng x và y trong số chúng, báo cáo dưới dạng giá trị hiệu suất độ trôi dài hạn.

Các phép đo tự động dựa trên phần mềm cũng có thể được thực hiện.

Kết quả của phép đo độ trôi của SEM phải được đưa vào báo cáo của hạt nano đo. Xác định độ không đảm bảo đo Loại A hoặc Loại B liên quan đến độ trôi và sử dụng nó trong tính toán về độ chính xác của kết quả đo.

A.5  Đo độ nhiễm bẩn do chùm điện tử gây ra

Nhiễm bẩn do chùm điện tử gây ra, do giải hấp các phân tử di động cao trên bề mặt nơi chùm điện tử tương tác với mẫu, có thể là một vấn đề quan trọng. Trong trường hợp xấu nhất, hoàn toàn có thể loại trừ các phép đo hạt nano. Lớp cacbon hình thành dưới sự chiếu xạ điện tử có thể dễ dàng che khuất các hạt nano nhỏ nhất và thay đổi đáng kể cỡ của những hạt lớn hơn hoặc thay đổi tín hiệu được tạo ra, ngay cả trong thời gian một hình ảnh được chụp. Xem Phụ lục A và Phụ lục F để biết thêm thông tin.

Để đo độ sạch, tiến hành theo quy trình sau:

- Trên các mẫu silic oxit vô định hình của Vật liệu cấp nghiên cứu ô nhiễm NIST (RGM 10100) hoặc chip Si tương tự sử dụng các tham số hình ảnh có độ phân giải tốt nhất chụp một hình ảnh tại độ phóng đại do nhà sản xuất chỉ định được sử dụng để chứng minh rằng SEM đáp ứng các tham số kỹ thuật của nó. Lưu hình ảnh.

- Tăng độ phóng đại và hình ảnh liên tục lên gấp đôi trong 10 min.

- Quay lại độ phóng đại ban đầu và chụp ảnh khác.

- Nếu có bất kỳ màu tối hoặc cấu trúc cacbon có thể nhìn thấy nào ở giữa hình ảnh thứ hai, dụng cụ hoặc mẫu hoặc cả hai không đáp ứng yêu cầu về độ sạch.

- Nếu không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, trước tiên làm sạch mẫu trong hỗn hợp tỷ lệ 3:1 của 30 % dung dịch hydro peroxit thêm vào axit sulfuric đặc (dung dịch axit piranha).

CẢNH BÁO: Khi chuẩn bị dung dịch piranha, lưu ý là phản ứng tỏa nhiệt. Dung dịch sẽ trở nên nóng. Điều quan trọng là phải thêm peroxit vào axit chứ không phải hướng ngược lại, và sau đó để hỗn hợp nguội đến nhiệt độ phòng.

Chất oxy hóa mạnh này sẽ làm sạch tất cả cặn hydrocacbon khỏi mẫu trong vòng chưa đầy 30 min.

Nếu thiết bị - với mẫu sạch - thử nghiệm lại không thành công, thì cần được làm sạch bằng plasma năng lượng thấp hoặc quy trình làm sạch khác, vì vậy quy trình đo này sẽ dẫn đến việc không làm hình ảnh bị nhiễm bẩn.

Lặp lại quy trình này ở tất cả các năng lượng giải thoát của chùm tia điện tử sơ cấp (điện áp gia tăng) mà SEM có đặc điểm kỹ thuật độ phân giải và cho các giá trị khác được sử dụng bởi các phép đo.

Sau khi thực hiện thành công phép đo này, kết quả sẽ được đưa vào báo cáo của các phép đo hạt nano với các cặp hình ảnh cuối cùng (trước và sau khi chụp ảnh liên tục 10 min ở độ phóng đại quy định) chứng minh hoạt động không bị nhiễm bẩn, ghi lại dòng điện chùm tia.

Có những phương pháp đáng tin cậy về cơ bản có thể loại bỏ vấn đề này. Phép đo phải chứng minh rằng bản thân SEM không bị nhiễm bẩn do chùm tia điện tử gây ra. Với SEM sạch, không có sự nhiễm bẩn không đáng kể, sau đó việc chuẩn bị mẫu được xem xét và thay đổi thành sản xuất các mẫu hạt nano sạch.

Nếu không thể tránh khỏi việc thu được hình ảnh mà quan sát được sự nhiễm bẩn, hãy xác định độ không đảm bảo đo Loại A hoặc Loại B liên quan đến nhiễm bẩn và sử dụng nó để tính độ chính xác của phép đo kết quả.

A.6  Đo tỷ lệ và độ tuyến tính

SEM phải được hiệu chuẩn để chuyển đổi các pixel thành đơn vị chiều dài SI (ví dụ: nanomet) một cách chính xác. Các quy trình hiệu chuẩn phải bao gồm việc xác minh tính đồng nhất của trường nhìn. Đảm bảo độ chính xác và khả năng xác định nguồn gốc, điều này được thực hiện bằng cách hiệu chuẩn SEM với vật liệu chuẩn được chứng nhận (CRM), một mẫu có dạng phù hợp ở khoảng cách được biết chính xác độ không đảm bảo.

Tỷ lệ và độ tuyến tính theo cả chiều ngang và chiều dọc là rất quan trọng để đảm bảo rằng thông tin phân bố cỡ và hình dạng thu được từ các ảnh SEM là chính xác. Tỷ lệ hoặc độ phóng đại của hình ảnh SEM thường do nhà sản xuất thiết lập và nhân viên dịch vụ có thể hiệu chỉnh lại. Để thực hiện hiệu chuẩn tỷ lệ hoặc độ phóng đại trong phạm vi độ chính xác ± 10 % nói chung là đơn giản, nhưng phải thực hiện các phép đo với độ chính xác cao hơn ± 5 % là không đơn giản, trong hầu hết các trường hợp, chỉ có thể được thực hiện với một chất chuẩn đã được hiệu chuẩn được đặt bên cạnh mẫu được đánh giá ở cùng mức độ để đảm bảo trùng khoảng cách từ vật kính (khoảng cách làm việc). Phụ lục A trình bày các giải pháp đối với sai số thang đo.

Để đặt thang đo của SEM, hãy thực hiện theo quy trình được mô tả trong ISO 16700. Các phương pháp khác sử dụng để xác định nguồn gốc, các ảnh giả đã được hiệu chuẩn cũng có thể được sử dụng. Độ không đảm bảo của hiệu chuẩn thang đo theo cả hai hướng ngang và dọc phải được tính toán và sử dụng để xác định độ không đảm bảo của cỡ và hình dạng hạt.

Tính tuyến tính theo cả hướng ngang và dọc là một yêu cầu quan trọng khác với SEM dựa trên các phép đo hạt nano. Thiếu tuyến tính hoặc phi tuyến tính khiến các hạt nano xuất hiện khác nhau về cỡ và hình dạng tùy thuộc vào vị trí của chúng trong khung đo. Sai số này có thể đạt ± 10 % ở các cạnh của khung hình ảnh, đặc biệt là trong các SEM với độ lệch chùm tia điện tử trên cơ sở cuộn dây hệ thống (quét) ở chế độ chụp ảnh nhanh. Trong một số trường hợp, chỉ sử dụng 2/3 trung tâm của hình ảnh khung có thể làm giảm vấn đề một cách thỏa đáng.

Kết quả của các phép đo tỷ lệ và độ tuyến tính theo cả chiều ngang và chiều dọc của SEM phải được đưa vào báo cáo về các phép đo hạt nano. Xác định độ không đảm bảo loại A hoặc loại B liên quan đến tỷ lệ và độ tuyến tính và sử dụng nó để tính độ chính xác của kết quả đo. Xem đánh giá chất lượng ISO 19749 của SEM đối với bảng tính excel các phép đo hạt nano về các ví dụ về kết quả hiệu chuẩn thang đo.

CHÚ THÍCH: Đánh giá chất lượng ISO 19749 của SEM đối với bảng tính exel phép đo hạt nano được cung cấp trong file đọc được tại: https://standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en

A.7  Đo nhiễu

Hình ảnh SEM không bị nhiễu. Các tín hiệu, đặc biệt là những tín hiệu đến máy dò từ các cấu trúc mà chỉ bao gồm một vài chục nguyên tử là yếu. Ngoài ra, SEM trong chuỗi tín hiệu có thể nhận nhiều loại nhiễu khác nhau. Nhiễu gây ra sai số về các phép đo phân bố cỡ về hình dạng hạt nano, do đó không thể thiếu được để đảm bảo rằng các hình ảnh được sử dụng cho các phép đo cỡ và hình dạng hạt có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (R_SN) đủ cao.

Để đo độ nhiễu của hình ảnh được sử dụng cho các phép đo phân bố cỡ và hình dạng của hạt nano đặt thiết bị để thu được các hình ảnh phù hợp trên một trong các mẫu được chuẩn bị cho các phép đo này. Thiết lập tất cả các tham số thiết bị thích hợp, độ tương phản và độ sáng, độ phóng đại (trường nhìn), thời gian dừng pixel hình ảnh hoặc thời gian khung, dòng điện chùm tia tới các cài đặt và mức độ được tối ưu hóa của chúng và lấy một đại diện hình ảnh của các hạt nano.

Tính R_SN với công thức này:

trong đó

A_sig là giá trị trung bình của các phần sáng nhất hoặc tối nhất của hình ảnh hiển thị các hạt nano;

σ_sig là độ lệch chuẩn của tín hiệu (thông thường, khuyến nghị đạt được SNR 5 đến SNR 7 hoặc cao hơn).

Kết quả của phép đo nhiễu của SEM phải được đưa vào báo cáo các phép đo về hạt nano. Xác định độ không đảm bảo đo Loại A hoặc Loại B liên quan đến nhiễu và sử dụng nó trong tính toán về độ chính xác của kết quả đo. Xem đánh giá chất lượng ISO 19749 của SEM đối với bảng tính excel các phép đo hạt nano.

CHÚ THÍCH: Đánh giá chất lượng ISO 19749 của SEM đối với bảng tính exel phép đo hạt nano được cung cấp trong file đọc được tại: https://standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en.

A.8  Phép đo dòng chùm điện tử sơ cấp

Giá trị dòng và độ ổn định của chùm điện tử sơ cấp ảnh hưởng đến độ lặp lại của phép đo cỡ và hình dạng hạt. Dòng điện chùm điện tử sơ cấp quá mức có thể làm thay đổi mẫu, dòng điện chùm quá thấp có thể dẫn đến hình ảnh có quá nhiều nhiễu và sự không ổn định của dòng điện có thể tạo ra các ảnh gây khó khăn cho việc phân biệt hạt và xác định ngưỡng, đặc biệt là đối với thiết lập đo tự động. Thông thường, thời gian thu nhận 1 min hoặc ngắn hơn là đủ cho hầu hết các hình ảnh có độ phân giải cao, độ phóng đại cao của các hạt nano, do đó, phép đo 10 min là đủ cho các phép đo này. Thời gian thu nhận lâu hơn, hình ảnh và phép đo tự động dài hạn yêu cầu các phép đo dòng điện chùm điện tử sơ cấp trong thời gian dài hơn, tương xứng với thời gian chụp ảnh.

Sử dụng nắp Faraday và đồng hồ đo picoampere thích hợp, đo dòng điện tối 11 lần khi bắt đầu và cứ sau mỗi phút, hãy tính toán các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn, đồng thời bật chùm điện từ sơ cấp hướng nó vào trung tâm của nắp Faraday, để tất cả các điện tử bay vào và không có điện tử nào có thể đi ra ngoài.

Đánh giá trong 10 min: lấy 11 số đọc khi bắt đầu và cứ sau mỗi phút tính giá trị trung bình và các giá trị độ lệch chuẩn, báo cáo chúng dưới dạng số liệu hiệu suất dòng điện chùm tia 10 min, báo cáo tất cả các số đọc.

Đánh giá dài hạn: thực hiện các lần đọc khi bắt đầu và sau đó mỗi phút, tính giá trị trung bình và các giá trị độ lệch chuẩn, báo cáo chúng dưới dạng số liệu hiệu suất dòng điện chùm tia dài hạn, cho biết bắt đầu và kết thúc phép đo, báo cáo tất cả các kết quả đọc. Thời điểm đánh giá này phụ thuộc vào nhiệm vụ thực hiện và ít nhất phải dài bằng chính quy trình đo.

Kết quả của phép đo dòng điện chùm điện tử sơ cấp của SEM phải được bao gồm trong báo cáo các phép đo hạt nano. Xác định độ không đảm bảo đo Loại A hoặc Loại B liên quan đến dòng chùm tia và sử dụng nó trong tính toán độ chính xác của kết quả đo. Đối với các ví dụ về kết quả đo dòng điện chùm tia, xem đánh giá chất lượng ISO 19749 của SEM đối với bảng tính excel các phép đo hạt nano.

CHÚ THÍCH: Đánh giá chất lượng SEM của ISO 19749 đối với bảng tính exel phép đo hạt nano được cung cấp trong file đọc được tại: https://standards.iso.org/iso/19749/ed-1/en

Phụ lục B

(tham khảo)

Chuẩn bị mẫu titan dioxit mặt cắt ngang

B.1  Cơ sở và mục tiêu

Việc chuẩn bị các mẫu titan dioxit (TiO₂) mặt cắt ngang đã được chứng minh là hữu ích cho đặc tính cỡ và hình dạng trên cơ sở SEM của các hạt công nghiệp, có thể có hình dạng không đều, sự phân bố cỡ rộng và xu hướng gắn kết và kết tụ mạnh mẽ. Quá trình chuẩn bị sử dụng lượng vĩ mô của mẫu hạt thô được trộn với nhựa gắn nóng. Sự phân tách các hạt được đảm bảo bởi một máy nghiền rung và các hạt phân tán (được loại bỏ ngay trước khi mẫu cắt ngang được thực hiện). Bằng cách này, tất cả các cỡ đều được thể hiện tốt trong mẫu đã chuẩn bị, vì có thể loại trừ hiệu ứng xả nước hoặc lắng cặn. Cỡ mẫu mặt cắt ngang điển hình là 25 mm hoặc 30 mm cung cấp đủ diện tích để thu được nhiều hình ảnh. Với những mẫu này, độ tương phản của các hạt là tốt và các hạt chồng lên nhau là rất hiếm, do đó, việc thu nhận và phân tích hình ảnh tự động các thủ tục có thể được sử dụng một cách tự tin.

B.2  Chuẩn bị mẫu mặt cắt ngang

a) Lấy mẫu đại diện: từ một lượng vĩ mô của mẫu thô, một lượng đại diện là được phân tách bằng cách sử dụng dụng cụ riffler mẫu, ví dụ: một máy riffler quay hoặc kéo sợi có sẵn từ các nhà cung cấp khác nhau. Trong trường hợp TiO₂ có cỡ bằng bột màu, người ta sử dụng một máy tách nhỏ quay để tách 2 g bột màu.

b) Chọn nhựa: để tránh lắng cặn, môi trường nhúng thích hợp là một môi trường nóng nhựa gắn kết duy trì độ nhớt cao trong quá trình nhúng. Để có kết quả tối ưu, vật liệu độn của nhựa được loại bỏ bằng sàng. Lượng mẫu thô đã chọn là phân tán trong nhựa. Đối với sự phân tán của các hạt titanium dioxide (hoặc bột màu hoặc cỡ nano), việc sử dụng máy nghiền rung kết hợp với các hạt phân tán đã được chứng minh là một lựa chọn tốt. 2 g TiO₂ được phân tán trong 4 g nhựa gắn nóng sử dụng 22,5 g (0,4 μm đến 0,6 μm cỡ) Các hạt phân tán ZrO₂ cho thời gian phân tán là 10 min ở 20 Hz, sau khi phân tán, các hạt là loại bỏ bằng sàng.

c) Bộ phân tán sau đó được gắn nóng (nén) ở nhiệt độ 180 °C và áp suất 4 bar cho 8 min đến 12 min.

d) Chuẩn bị bề mặt đánh bóng để nghiên cứu SEM:

1) Quy trình đánh bóng gồm năm bước, với đánh bóng oxit hoạt tính là bước cuối cùng, dẫn đến độ mịn, mặt cắt không trầy xước của các hạt nhựa nhúng.

2) Trước khi điều tra SEM, để tránh sạc mẫu, cần đủ dẫn điện, mỏng 1 nm hoặc lớp cacbon hoặc Os mỏng hơn được lắng đọng bằng cách sử dụng một lớp phủ sputter có bán trên thị trường.

Hình B.1 cho thấy các kết quả điển hình cho các hạt TiO₂ cỡ bột màu trong Hình B.1, a), và các hạt nano TiO₂ trên Hình B.1, b).

Hình B.1 - Các ảnh SE của các hạt TiO₂ cỡ bột màu

Phụ lục C

(tham khảo)

Nghiên cứu điển hình về hạt nano silic dioxit cỡ 60 nm phân tán tốt

C.1  Cơ sở và mục tiêu

Hạt nano silic dioxit (SiO₂) là một trong những hạt nano công nghiệp quan trọng nhất, và rộng rãi được sử dụng như một phần của nguyên liệu thô trong các sản phẩm thương mại. Để kiểm soát chất lượng sản phẩm, có ngày càng có nhiều nhu cầu về việc đánh giá sự phân bố cỡ của các hạt nano SiO₂ bằng cách quan sát nhanh qua SEM. So sánh liên phòng thử nghiệm (ILC) này nhằm mục đích thiết lập một quy trình đo lường phân bố cỡ theo SEM dựa trên các thực hành tốt nhất, được trích xuất thông qua các quy trình chuẩn bị mẫu, quan sát SEM và phân tích hình ảnh trong thử nghiệm hai bước.

C.2  ILC

ILC này đã được thực hiện trong hai giai đoạn dưới sự lãnh đạo của Doanh nghiệp Công nghệ Nano Sáng kiến Sáng tạo (NBCI) và Viện Công nghệ và Khoa học Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST). Ở Nhật. Pha 1 được thực hiện để đánh giá các phương pháp đo lường phân bố cỡ và kết quả của chúng của mỗi người tham gia và thực hành của họ trong việc chuẩn bị mẫu. Trong Pha 1, do đó, quy trình có bậc tự do, trong Pha 2, sau khi xác định việc chuẩn bị mẫu hoạt động tốt nhất và phương pháp đo lường, những người tham gia được yêu cầu chuẩn bị và đo mẫu theo cách tốt nhất biểu diễn ý tưởng. Kết quả của Pha 2 đã cho thấy sự cải thiện đáng kể so với kết quả của Pha 1.

C.3  Người tham gia ILC

Những người tham gia ILC này là một nhà sản xuất công nghiệp và hai người sử dụng hạt nano, ba người phân tích các nhà sản xuất thiết bị, hai nhà cung cấp dịch vụ phân tích và một Viện Đo lường ở Nhật Bản, tổng cộng có chín những người đóng góp (những người tham gia từ a đến i cho Pha 1 và những người tham gia từ A đến I cho Pha 2)

C.4  Tóm tắt điều khoản trong ILC Pha 1

Các điều kiện bắt buộc trong nghiên cứu điển hình này được liệt kê trong Bảng C.1. Các điều kiện khác liên quan đến phép đo phân bố cỡ được để cho từng người tham gia nhưng được báo cáo dưới dạng thông tin hỗ trợ.

Bảng C.1 - Tóm tắt điều khoản trong Pha 1

C.5  Chi tiết về việc chuẩn bị mẫu và các điều kiện quan sát trong Pha 1 của ILC

Hầu hết những người tham gia đều sử dụng phương pháp bỏ chọn, ngoại trừ tổ chức có lưới TEM tiếp xúc với bề mặt của huyền phù. Người tham gia c đã thêm lượng nhỏ hydroxyetyl xenlulozơ (HEC) và NH₃ ở dạng huyền phù. Đế và quy trình làm khô được tóm tắt trong Bảng C.2.

Trong quá trình thu nhận hình ảnh, tất cả những người tham gia đều chọn tín hiệu điện tử thứ cấp. Các chi tiết của việc quan sát các điều kiện được liệt kê trong Bảng C.3.

Bảng C.2 - Tóm tắt việc chuẩn bị mẫu

Bảng C.3 - Tóm tắt các điều kiện thu thập ảnh

C.6  Kết quả đo phân bố cỡ trong ILC Pha 1

Hình C.1 cho thấy các cặp hình ảnh SE điển hình và hình ảnh được phân tích, trong đó các hạt trích ra được biểu thị với những màu khác nhau. Ngoại quan của các hình ảnh được báo cáo phụ thuộc vào những người tham gia, tức là việc chuẩn bị mẫu. Một số người tham gia đã quan sát thấy các hạt SiO₂ kết tụ trên đế, trên bàn tay, các hạt được phân tán tốt bởi một số người tham gia. Các điều kiện để phân tích hình ảnh được tóm tắt trong Bảng C.4. Hầu hết những người tham gia đã chọn phân tích tự động.

Dữ liệu báo cáo về các hạt SiO₂ riêng lẻ được sắp xếp thành các biểu đồ nêu trong Hình C.2, a). Giá trị trung bình của 9 người tham gia được vẽ trong Hình C.2, b). Giá trị trung bình của các giá trị trung bình của đường kính tương đương hình tròn là 64,7 nm ± 5,1 nm (1 σ). Mặc dù độ lệch chuẩn này cho giá trị trung bình giá trị, 7,9%, không quá lớn, hình dạng của biểu đồ khác nhau giữa những người tham gia. Một trong những lý do khả thi cho sự phân kỳ này là khó trong việc phân tích hình ảnh với các hạt kết tụ. Từ đường cạnh của các hạt rất phức tạp trong các hình ảnh được nêu trong Hình C.1, a) và d), dấu vết của cạnh của các hạt có thể bao gồm nhiều lỗi hơn so với hình ảnh có hạt phân tán tốt được hiển thị trong Hình C.1, b) và c). Ngoài ra, các hạt có xu hướng kết tụ với các hạt có cùng cỡ.

Hình C.1 - Hình ảnh SE điển hình (khung bên trái) và hình ảnh được phân tích (khung bên phải) trong Pha 1

Bảng C.4 - Các điều kiện phân tích ảnh

CHÚ DẪN:

CHÚ THÍCH: Đường chuỗi và các đường chấm trong (b) lần lượt thể hiện các giá trị trung bình của ECD và ± 1 σ.

Hình C.2 - Các phân bố cỡ được báo cáo (a), biểu đồ của các giá trị trung bình cho đường kính Feret lớn nhất, đường kính Feret nhỏ nhất và đường kính tương đương hình tròn (b), và các biểu đồ của tần số tích lũy tương đối, so với đường kính tương đương hình tròn (c)

C.7  Tóm tắt điều khoản trong ILC Pha 2

Trong số một số phương pháp chuẩn bị mẫu được sử dụng trong Pha 1 của ILC, một phương pháp do người tham gia c, đã chứng minh là người tốt nhất để chuẩn bị các mẫu phù hợp với các phép đo phân bố cỡ. Trong Pha 2 tất cả các mẫu đã được chuẩn bị sử dụng phương pháp này. Trong phần quan sát và phân tích hình ảnh, một số hướng đã được bổ sung dựa trên những phát hiện trong Pha 1 để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo. Bảng C.5 trình bày tóm tắt các quy trình cho ILC Pha 2.

Bảng C.5 - Tóm tắt các điều khoản trong Pha 2

C.8  Chi tiết về chuẩn bị mẫu và điều kiện thu nhận hình ảnh trong ILC Pha 2

Trong quy trình chuẩn bị mẫu cho Pha 2, những người tham gia được yêu cầu chuẩn bị mẫu theo các quy trình dưới đây (được sử dụng bởi người tham gia c trong Pha 1).

a) Chuẩn bị huyền phù nước HEC 1 % và thêm từ 2 μL đến 5 μL vào 1 mL huyền phù nước SiO₂.

b) Nhỏ một vài microlit huyền phù nước SiO₂ lên lưới TEM có đặt tấm đỡ màng qua giấy lọc. Hấp phụ huyền phù nước SiO₂ dư bằng giấy lọc. Chip Si sạch cũng là đế được chấp nhận thay vì lưới TEM, đối với điều này, loại bỏ huyền phù nước SiO₂ dư thừa trên chip Si bằng giấy lọc trước khi giọt nước bị khô.

c) Làm khô lưới TEM hoặc chip Si trong hơn 30 min ở nhiệt độ phòng.

d) Thêm lớp phủ dẫn điện, nếu cần thiết phải nạp mẫu dư thừa.

e) Thu nhận hình ảnh SEM.

Ba người tham gia đã chọn lưới TEM làm đế trong khi sáu người còn lại sử dụng chip Si. Người tham gia A và I đã sử dụng lưới TEM với màng formvar và màng cacbon đàn hồi, tương ứng. Các quy trình về đế và làm khô được tóm tắt trong Bảng C.6.

Trong quá trình thu nhận hình ảnh, tất cả những người tham gia đã chọn tín hiệu điện tử thứ cấp ngoại trừ người tham gia I, người này sử dụng detector điện tử truyền. Dải điện áp gia tăng từ 2 kV đến 5 kV đối với hầu hết các những người tham gia. Chi tiết về các điều kiện quan sát được nêu trong Bảng C.7.

Bảng C.6 - Tóm tắt việc chuẩn bị mẫu

Bảng C.7 - Tóm tắt các điều kiện thu thập ảnh

C.9  Kết quả đo phân bổ cỡ pha 2 ILC

Hình C.3 cho thấy hình ảnh SE điển hình và các cặp hình ảnh được phân tích, trong đó các hạt trích ra được biểu thị với những màu khác nhau. Các điều kiện để phân tích ảnh được tóm tắt trong Bảng C.8. Hầu hết những người tham gia đã chọn phân tích tự động.

Bảng C.8 - Điều kiện phân tích ảnh

Dữ liệu báo cáo về các hạt SiO₂ được thu nhỏ thành biểu đồ như trong Hình C.4, a). Các giá trị trung bình của 10 tập dữ liệu được vẽ trong Hình C.4, b). Giá trị trung bình của các giá trị trung bình đường kính tương đương hình tròn là 62,0 nm ± 3,1 nm (1 σ). Bằng cách so sánh các đường cong của phần tích lũy tương đối trong Pha 1 Hình C.2, c) và trong Pha 2 Hình C.4, c), cả sự rải rác của giá trị trung bình và sự tập trung trong các phân bố cỡ báo cáo đã được cải thiện.

Hình C.3 - Hình ảnh SE điển hình (khung bên trái) và hình ảnh được phân tích (khung bên phải) trong Pha 2, được báo cáo bởi người tham gia A (a), D (b), E (c) và I (d)

CHÚ DẪN:

CHÚ THÍCH: Đường chuỗi và các đường chấm trong Hình C.4 b) thể hiện các giá trị trung bình của ECD và ± 1 σ.

Hình C.4 - Các phân bố cỡ được báo cáo (a), biểu đồ của các giá trị trung bình cho đường kính Feret lớn nhất, đường kính Feret nhỏ nhất và đường kính tương đương hình tròn (b), và biểu đồ tần số tích lũy tương đối, so với đường kính tương đương hình tròn (c)

C.10  Nhận xét

Với sự đóng góp của 9 tổ chức liên quan đến vật liệu nano ở Nhật Bản, ILC hai pha này đã tiết lộ tình hình hiện tại của phép đo phân bố cỡ hạt nano SiO₂ bằng SEM trong công nghiệp. Kết quả trong Pha 1 cho thấy rằng ngay cả trong trường hợp các hạt nano phân tán tốt, việc chuẩn bị mẫu có thể gây ra sự kết tụ của các hạt dẫn đến khó khăn trong quan sát SEM và phân tích hình ảnh tiếp theo. Trong giai đoạn đầu tiên của thử nghiệm này, các “thực hành tốt nhất” đã được tìm thấy trong việc chuẩn bị mẫu từ nhiều phương pháp khác nhau. Bằng cách áp dụng các phương pháp này vào quy trình ở Pha 2, một cải tiến lớn đã được ghi nhận trong các hình ảnh báo cáo và tập trung trong phân bố cỡ được báo cáo.

Do bản chất của phương pháp hình ảnh, chuẩn bị mẫu là một quá trình rất quan trọng trong phép đo phân bố cỡ bằng SEM. Mặc dù việc chuẩn bị mẫu là vấn đề phụ thuộc vào vật liệu, Các thông lệ được báo cáo trong phụ lục này có thể áp dụng không chỉ các hạt nano SiO2, mà còn các hạt phân tán tốt khác. Bằng sự tích lũy kiến thức về chuẩn bị mẫu, từng vật liệu một, nên thực hiện phép đo phân bố cỡ và hình dạng hạt bằng SEM.

Phụ lục D

(tham khảo)

Nghiên cứu điển hình về các hạt nano titan dioxit cỡ 40 nm

D.1  Cơ sở và mục tiêu

Phương pháp hiển vi điện tử quét được coi là một trong những giải pháp thực tế nhất để đo phân bố cỡ hạt nano trong ngành công nghiệp do khả năng quan sát các hạt nhanh và dễ dàng. Trong SEM, là phương pháp hình ảnh, chuẩn bị mẫu là một yếu tố quan trọng để đạt được đo lường đáng tin cậy. Vì cách chuẩn bị mẫu thường phụ thuộc vào vật liệu, điều quan trọng là tích lũy kiến thức để chuẩn bị mẫu cho hạt nano đại diện trong công nghiệp. Trong ILC này, titan dioxit (TiO₂) được chọn làm ví dụ về hạt nano có thể dễ dàng lấy được kết tụ trong quá trình chuẩn bị mẫu. Chúng tôi mong muốn xác định các phương pháp hay nhất và thiết lập một quy trình cho phép đo phân bố cỡ bằng SEM cho các hạt nano như vậy thông qua ILC này.

D.2  ILC

ILC này được tổ chức dưới sự chủ trì của NBCI và Viện AIST Quốc gia tại Nhật Bản. ILC có hai bước, Pha 1 và Pha 2. Pha 1 nhằm so sánh kỹ năng về phép đo phân bố cỡ của từng người tham gia và để xác định các thực hành tốt về chuẩn bị mẫu cho quan sát SEM. Vì vậy, trong Pha 1, quy trình có mức độ tự do lớn hơn so với ở Pha 2, yêu cầu những người tham gia chuẩn bị mẫu theo ý tưởng của họ. Trong Pha 2, các quy trình đã được sửa đổi trên cơ sở thực hành tốt nhất về chuẩn bị mẫu được xác định trong Pha 1 để kiểm tra sự tập trung của kết quả đo.

D.3  Người tham gia ILC

Những người tham gia Pha 1 trong ILC này là hai nhà sản xuất hạt nano, ba người sử dụng hạt nano, ba nhà sản xuất thiết bị phân tích và một viện đo lường ở Nhật Bản, tổng cộng có 9 tổ chức (những người tham gia từ n đến v). Pha 2 có 10 tổ chức: hai tổ chức sản xuất hạt nano, ba người sử dụng hạt nano, ba nhà sản xuất thiết bị phân tích, một nhà cung cấp dịch vụ phân tích và một viện đo lường ở Nhật Bản (người tham gia từ N đến W.)

D.4  Các điều khoản trong ILC Pha 1

Các điều kiện bắt buộc trong nghiên cứu điển hình này được nêu trong Bảng D.1. Các điều kiện khác liên quan đến phép đo phân bố cỡ để cho từng người tham gia nhưng được báo cáo dưới dạng thông tin hỗ trợ.

Bảng D.1 - Tóm tắt điều khoản trong Pha 1

D.5  Chi tiết về chuẩn bị mẫu và điều kiện thu nhận hình ảnh trong ILC Pha 1

Hầu hết những người tham gia sử dụng phương pháp drop-cast. Đế và quy trình làm khô được tóm tắt trong Bảng D.2. Trong quan sát hình ảnh, tất cả những người tham gia đã chọn điện tử thứ cấp làm tín hiệu hình ảnh. Các chi tiết các điều kiện quan sát được nêu trong Bảng D.3.

Bảng D.2 - Tóm tắt việc chuẩn bị mẫu

Bảng D.3 - Tóm tắt các điều kiện thu nhận ảnh

D.6  Kết quả đo phân bố cỡ trong ILC Pha 1

Hình D.1 cho thấy các cặp hình ảnh SE điển hình và hình ảnh được phân tích, trong đó các hạt cô lập được hiển thị với nhiều màu khác nhau. Trong khi hầu hết những người tham gia báo cáo hình ảnh SE với hạt nano TiO₂ kết tụ, người tham gia đã báo cáo hình ảnh SE của các hạt nano phân tán tốt.

Các điều kiện để phân tích ảnh được tóm tắt trong Bảng D.4. Năm người tham gia phân tích hình ảnh thủ công và bốn người sử dụng phân tích hình ảnh tự động. Dữ liệu được báo cáo trên các hạt TiO₂ riêng lẻ là giảm trong các biểu đồ nêu trong Hình D.2, a). Các giá trị trung bình đối với 9 người tham gia được vẽ trong Hình D.2, b). Giá trị trung bình của các trung vị có đường kính hình tròn tương đương là 36,1 nm ± 10,6 nm (1 σ).

Như nêu trong Hình D.2, a) và c), hình dạng của biểu đồ và đường cong tần số tương đối tích lũy rất khác nhau với những người tham gia. Sự rải rác lớn này có thể được cho là do lỗi ở cạnh sự phát hiện. Vì hạt nano TiO₂ có xu hướng dễ dàng kết tụ trong quá trình chuẩn bị mẫu drop-cast, các hình ảnh SE từ nhiều người tham gia cho thấy các hạt TiO₂ xếp chồng lên nhau với đường cạnh phức tạp, khó theo dõi thủ công Hình D.1, a), b) và d). Mặt khác, người tham gia, như nêu trong Hình D.1, c), đã báo cáo hình ảnh SE của các hạt nano TiO₂ phân tán tốt.

Hình D.1 - Ảnh điển hình SE (khung bên trái) và ảnh được phân tích (khung bên phải) trong Pha 1

Bảng D.4 - Điều kiện phân tích ảnh

CHÚ DẪN:

CHÚ THÍCH: Đường chuỗi và các đường chấm trong Hình D.2 b) thể hiện các giá trị trung bình của ECD và tương ứng ± 1 σ.

Hình D.2 - Các phân bố cỡ được báo cáo (a), biểu đồ các giá trị trung bình cho đường kính Feret lớn nhất, đường kính Feret nhỏ nhất và đường kính tương đương hình tròn (b), và các biểu đồ của tần số tương đối tích lũy, so với đường kính tương đương hình tròn (c)

D.7  Các điều khoản trong ILC Pha 2

Trong một số phương pháp chuẩn bị mẫu được sử dụng trong Pha 1 của ILC, người tham gia S, được chứng minh là tốt nhất về chuẩn bị các mẫu phù hợp cho các phép đo phân bố cỡ để ngăn chặn sự kết tụ của các hạt. Trong Pha 2, tất cả các mẫu được chuẩn bị bằng phương pháp này. Trong phần quan sát hình ảnh và phân tích, một số hướng đã được thêm vào dựa trên những phát hiện trong Pha 1 để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo. Bảng D.5 trình bày tóm tắt các điều khoản cho Pha 2 của ILC.

Bảng D.5 - Tóm tắt điều khoản trong Pha 2

D.8  Chi tiết về chuẩn bị mẫu và điều kiện thu nhận hình ảnh trong ILC

Trong quy trình chuẩn bị mẫu cho Pha 2, những người tham gia được yêu cầu chuẩn bị mẫu theo các quy trình dưới đây (được sử dụng bởi người tham gia S trong Pha 1).

a) Hấp thu nước chip Si cho đế.

b) Nhỏ khoảng một microlit huyền phù nước TiO₂ lên chip Si. Sau khi chờ 10 s, hấp phụ huyền phù nước TiO₂ dư bằng giấy lọc.

c) Làm khô chip Si trong hơn 30 min ở nhiệt độ phòng.

d) Thêm lớp phủ dẫn điện, nếu cần thiết phải nạp mẫu dư thừa.

e) Nhận hình ảnh SEM.

Để thủy phân chip Si, một số phương pháp đã được sử dụng. Những người tham gia N, Q, S, U, W và V đã thực hiện xử lý huyết tương trên chip Si. Người tham gia O rửa chip Si và ngâm nó trong etanol trong 24 h, trong khi người tham gia R chỉ sử dụng etanol để rửa chip Si. Người tham gia P đã chọn phương pháp khắc hóa học để lấy ưa nước bề mặt. Người tham gia T đã sử dụng chất làm sạch ozon bằng tia UV để khử nước.

Trong quá trình thu nhận hình ảnh, tất cả những người tham gia đều chọn tín hiệu điện tử thứ cấp. Dải điện áp gia tăng từ 2 đến 7 kV. Bảng D.6 trình bày tóm tắt các phương pháp chuẩn bị mẫu trong phụ lục này. Chi tiết về các điều kiện quan sát được nêu trong Bảng D.7.

Bảng D.6 - Tóm tắt việc chuẩn bị mẫu

Bảng D.7 - Tóm tắt các điều kiện thu thập ảnh

D.9  Kết quả đo phân bố cỡ pha 2 của ILC

Hình D.3 cho thấy hình ảnh SE điển hình và các cặp hình ảnh được phân tích, trong đó các hạt trích ra được hiển thị với nhiều màu khác nhau. So với những hình ảnh trong Pha 1, các hình ảnh SE được báo cáo cho thấy sự kết tụ của các hạt TiO₂ đã được ngăn chặn đáng kể. Một số người tham gia đã thành công trong đặt các hạt độc lập trên đế. Do đó, việc đưa thực hành tốt nhất về phương pháp chuẩn bị mẫu trong Pha 1 vào quy trình ở Pha 2, chất lượng mẫu đã được cải thiện rất tốt.

Các điều kiện để phân tích ảnh được tóm tắt trong Bảng D.8. Tương tự như Pha 1, năm người tham gia phân tích hình ảnh thủ công và bốn người sử dụng phân tích hình ảnh tự động. Dữ liệu được báo cáo trên các hạt TiO₂ riêng lẻ được thu nhỏ thành biểu đồ như trong Hình D.4, a). Các giá trị trung bình cho 10 tập dữ liệu được vẽ trong Hình D.4, b). Giá trị trung bình của các trung vị đường kính tương đương hình tròn là 37,7 nm ± 6,5 nm (1 σ).

Như trong Hình D.4, a), sự phân bố cỡ đối với bảy người tham gia (N, O, P, Q, R, V và W) cho thấy hình dạng tương tự, có píc ở đường kính tương đương hình tròn khoảng 40 nm. Bằng cách so sánh biểu đồ trong Pha 1 Hình D.2, a) và những biểu đồ trong Pha 2 Hình D.4, a), cả sự rải rác của giá trị trung bình và sự tập trung trong các phân bố cỡ báo cáo đã được cải thiện.

Biểu đồ đối với những người tham gia T và U có các mục nhập ở cỡ hạt vài nanomet, đó là một ảnh giả do nhiễu. Vì hai người tham gia này đã sử dụng tính năng phát hiện cạnh tự động, nên có thể cài đặt bộ lọc cỡ không phù hợp. Mặc dù hình dạng phân phối đã bị biến dạng bởi độ nhiễu này, píc khác có thể nhận biết ở đường kính khoảng 40 nm cho thấy rằng các hạt nano cũng đã được phát hiện. Bằng cách chọn điều kiện bộ lọc thích hợp để loại bỏ nhiễu, những kết quả này có thể được cải thiện. Để có được kết quả đo đáng tin cậy, không chỉ chuẩn bị mẫu tốt mà còn phải cẩn thận xem xét điều kiện phân tích hình ảnh là quan trọng.

Hình D.3 - Ảnh điển hình SE (khung bên trái) và ảnh được phân tích (khung bên phải) trong Pha 1

Bảng D.8 - Các điều kiện phân tích ảnh

CHÚ DẪN:

CHÚ THÍCH: Đường chuỗi và các đường chấm trong Hình C.4 b) thể hiện các giá trị trung bình của ECD và ± 1 σ.

Hình D.4 - Các phân bố cỡ được báo cáo (a), biểu đồ các giá trị trung bình cho đường kính Feret lớn nhất, đường kính Feret nhỏ nhất và đường kính tương đương hình tròn (b), và biểu đồ tần số tương đối tích lũy, so với đường kính tương đương hình tròn (c)

D.10  Nhận xét

Trong ILC hai pha này, quy trình đối với phép đo phân bố cỡ của TiO₂ bằng SEM đã được phát triển. Pha 1 xác định một thực hành tốt trong việc chuẩn bị mẫu để ngăn chặn sự kết tụ của các hạt TiO₂. Bằng cách đưa kỹ thuật này vào quy trình, các kết quả được báo cáo đã được trình bày tập trung trong Pha 2.

Vì bản chất của phương pháp hình ảnh, nên việc chuẩn bị mẫu là một quá trình rất quan trọng trong phép đo phân phối cỡ bằng SEM. Các thực hành được báo cáo ở đây có thể hữu ích trong việc chuẩn bị cho không chỉ các hạt nano TiO₂, mà còn các vật liệu nano khác. Thông qua các nghiên cứu điển hình, để đạt được phép đo phân bố cỡ và hình dạng tốt bằng SEM, thì việc tích lũy “các thực hành tốt nhất” và từng tài liệu một là rất quan trọng.

Phụ lục E

(tham khảo)

Ví dụ về kết quả cỡ hạt trích ra của phép đo hạt nano trên cơ sở SEM sử dụng ImageJ

Macro ví dụ này cho ImageJ hoặc Fiji là một ví dụ với các chi tiết từng bước về các hàm khác nhau.

Phụ lục F

(tham khảo)

Ảnh hưởng của các thông số thu nhận ảnh và ngưỡng phương pháp của các phép đo cỡ hạt SEM

F.1  Yêu cầu chung

Sự lựa chọn của các tham số hình ảnh khác nhau trong việc thu nhận hình ảnh SEM của các hạt nano và lựa chọn các thủ tục đánh giá hoặc phân tích, đặc biệt là các thuật toán ngưỡng, là điều cần thiết trong thu được kết quả tốt trong các phép đo cỡ và hình dạng hạt. Một số tham số thiết bị nhất định hoặc các thuật toán ngưỡng, hoặc cả hai - tùy thuộc vào mẫu - có thể có tác động ít nhiều đến chất lượng của kết quả. Người thao tác SEM và giải pháp phân tích để lựa chọn phù hợp các thông số và thuật toán của thiết bị và để đánh giá tác động của những điều này và lựa chọn điều kiện đo lường. Một số ví dụ được đưa ra trong phụ lục này bằng cách sử dụng một tập hợp các thông số SEM và hai các thuật toán ngưỡng miền công cộng hữu ích để minh họa loại biến thể nào phát sinh và mức độ.

F.2  Ảnh hưởng của sự nhiễm bẩn nhẹ do chùm tia điện tử gây ra

Tùy thuộc vào sự lựa chọn của thuật toán ngưỡng được sử dụng để chuyển hình ảnh thang đen-trắng thành nhị phân để xác định ranh giới của các hạt nano, thậm chí một lượng nhiễm bẩn nhỏ tương đối không dẫn đến sự phát triển rõ ràng của cỡ hạt, có thể thay đổi cỡ đo được của hạt nano. Điều này xảy ra bởi vì sự nhiễm bẩn làm thay đổi cường độ điện tử thứ cấp, và do đó hạt và màu xám nền ngang bằng nhau. Hình F.1 cho thấy phiên bản nhị phân của cùng một khu vực các hạt nano Au cơ danh nghĩa 60-nm trên chip Si không có và có lượng nhiễm bẩn nhỏ. Ngưỡng entropy lớn nhất (ME) (xem ISO/TS 80004-3) dẫn đến giảm 1,7 % cỡ hạt ở trung tâm, trong khi ngưỡng Otsu (xem ISO/TS 80004-3) trên cùng hình ảnh không tạo ra sự khác biệt có thể đo được về cỡ hạt ở đó.

CHÚ THÍCH: 2,54 μM HFW.

Hình F.1 - Phiên bản nhị phân của cùng khu vực các hạt nano Au trên mẫu chip Si không có và có lượng nhiễm bẩn ở trung tâm

F.3  Các tham số SEM có thể ảnh hưởng đến các phép đo cỡ hạt

Với độ tuyến tính tốt, sẽ không quan trọng hạt được hiển thị ở đâu trên hình ảnh nhưng trong một số trường hợp đây không phải là vấn đề. Thông thường, trong SEM, phần tuyến tính nhất của hình ảnh là trung tâm, vì tính phi tuyến tính có thể xảy ra ở xung quanh các cạnh của hình ảnh thu được. Có thể cần thiết để hạn chế các phép đo đối với phần tuyến tính nhất này của các hình ảnh thu được.

Độ phóng đại hình ảnh của SEM thường được đặt trong các dải, vì vậy, ngay cả khi thay đổi nhỏ cũng có thể dẫn đến bước nhảy ở độ phóng đại thực tế. Khuyến nghị kiểm tra xem đây có phải là vấn đề của SEM hay không và sử dụng cài đặt cùng độ phóng đại cho toàn bộ nghiên cứu và sử dụng CRM hiệu chuẩn độ phóng đại (tỷ lệ).

Khuyến nghị sử dụng cài đặt khoảng cách làm việc giống nhau cho toàn bộ nghiên cứu và sử dụng CRM hiệu chuẩn độ phóng đại (tỷ lệ) được đặt tại khoảng cách làm việc giống nhau, không cần thay đổi tiêu điểm vào việc chuyển từ mẫu sang CRM trong tiêu điểm.

Lấy nét hình ảnh, các hình ảnh không nét cho thấy các hạt lớn hơn một chút so với hình ảnh nét, xem Hình F.2.

Hình F.2 - Các hình ảnh nét (ảnh trên) và không nét (ảnh dưới) điển hình của các hạt Au cùng cỡ danh nghĩa 60 nm

Kết quả cỡ hạt lớn hơn 7 % khi sử dụng ME và lớn hơn 2,1 % với thuật toán ngưỡng Otsu với các hình ảnh không nét hơn với các hình ảnh nét trên cùng các hạt. Độ lệch chuẩn của độ không đảm bảo lấy nét được ước tính là nhỏ hơn nanomet.

Sự thay đổi chùm tia điện tử sơ cấp yêu cầu sự bù trừ độ phóng đại. Thay đổi năng lượng giải thoát (điện áp gia tăng) ảnh điện tử thứ cấp từ 5 keV và 15 keV trên mẫu hạt nano Au cỡ danh nghĩa 60 nm, kết quả cỡ hạt lớn hơn 5 % khi sử dụng ME và lớn hơn 0,2 % với các thuật toán ngưỡng Otsu.

Thay đổi dòng điện chùm tia điện tử sơ cấp cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả cỡ vì SEM không thể tập trung dòng điện cao hơn vào cùng một điểm cỡ như dòng điện tháp hơn. Qua nghiên cứu, khuyến khích sử dụng dòng điện đủ cao, đặc biệt đối với các phép đo thiết lập tỷ lệ với CRM.

Trong trường hợp ngưỡng ME, ảnh hưởng của số lượng pixel bao phủ hạt trung bình là đáng kể dưới độ phóng đại 50.000x. Nhưng nó nhỏ tương đối đối với ngưỡng Otsu, nghĩa là sai số vẫn dưới nanomet thậm chí tại 3-pixel x 3-pixel bao phủ các hạt cỡ 60-nm. Điều quan trọng nhấn mạnh rằng kết quả này chỉ áp dụng đối với cỡ trung bình và không cho các hạt nano riêng lẻ.

Các kết quả ngưỡng Otsu bắt đầu thay đổi đáng kể dưới độ phóng đại 25.000x (144-pixel là bao phủ hạt 60-nm). Thuật toán ngưỡng ME kém hơn.

Đối với các phép đo cỡ trên cơ sở diện tích đáng tin cậy sử dụng ngưỡng Otsu, độ phóng đại hình ảnh cần được giữ ở mức không ít hơn 15 pixel trên hạt, lớn hơn độ phóng đại 25.000x trong trường hợp các hạt nano vàng 60-nm và các ảnh 1024-pixel x 884-pixel. Nếu sử dụng ngưỡng ME, độ phóng đại cần được cài đặt tại 50.000x hoặc cao hơn cho chùng các hạt nano và các ảnh 1024-pixel x 884-pixel.

F.4  Ảnh hưởng của số lượng pixel đại diện cho các hạt

Số lượng pixel đại diện cho một hạt có thể có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả của phép đo cỡ hạt

Sử dụng mẫu được chuẩn bị với các hạt vàng 60-nm, hình ảnh thu được ở độ phóng đại 100 000 x (1,27 μm HFW), độ phóng đại 50.000x (2,54 μm HFW), khảo sát hiệu ứng độ phóng đại trên các phép đo cỡ hạt được thực hiện với độ phóng đại 25.000x (5,08 μm HFW), độ phóng đại 13.000x (9,77 μm HFW), độ phóng đại 7.000 x (18,1 μm HFW) và 4.000x độ phóng đại (31,7 μm HFW), xem Bảng F.1.

Bảng F.1 - Độ phóng đại tương ứng, cỡ pixel, HFW và số lượng pixel trên hạt

CHÚ THÍCH: Số lượng pixel đại diện cho hạt có cỡ trung bình được tính bình phương, tức là đối với 1,27 μm HFW, nó là 1936 pixel, trong khi đối với 31,7 μm HFW, nó chỉ là 4 pixel.

Tất cả các hình ảnh được chụp ở độ phân giải 1024 pixel x 884 pixel. Cỡ trung bình của các hạt nano giống nhau thu được từ các hình ảnh được chụp ở các độ phóng đại khác nhau và chênh lệch cỡ tương đối được tính toán theo dữ liệu (1,27 μm HFW) độ phóng đại 100 nghìn lần. Kết quả cho bốn bộ hình ảnh được hiển thị dưới dạng hàm của HFW và số lượng pixel qua hạt 60-nm trong Hình F.3.

CHÚ DẪN:

CHÚ THÍCH: Các giá trị cỡ thu được bằng cả thuật toán ngưỡng ME và Otsu.

Hình F.3 - Chênh lệch tương đối của trung bình cỡ hạt ở các độ phóng đại khác nhau với đối với dữ liệu phóng đại 100 nghìn lần

Phụ lục G

(tham khảo)

Ví dụ về báo cáo kết quả của phép đo hạt nano trên cơ sở SEM

Các mẫu hạt nano SiO₂ cỡ danh nghĩa 18 nm và 82 nm, hai vật liệu chuẩn được chứng nhận (CRM) để thu được kết quả cỡ hạt có thể truy nguyên được.