ISO/TS 10798:2011
(Main)Nanotechnologies — Charaterization of single-wall carbon nanotubes using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectrometry analysis
Nanotechnologies — Charaterization of single-wall carbon nanotubes using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectrometry analysis
ISO/TS 10798:2011 establishes methods to characterize the morphology, and to identify the elemental composition of catalysts and other inorganic impurities in raw and purified single-wall carbon nanotube (SWCNT) powders and films, using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectrometry analysis. The methods described in ISO/TS 10798:2011 for SWCNTs can also be applied to the analysis of multiwall carbon nanotubes (MWCNTs).
Nanotechnologies — Caractérisation des nanotubes de carbone à simple paroi par microscopie électronique à balayage et spectroscopie à dispersion d'énergie
L'ISO/TS 10798:2011 définit les méthodes permettant de caractériser la morphologie et d'identifier la composition élémentaire des catalyseurs et d'autres impuretés inorganiques dans les poudres et films de nanotubes de carbone à simple paroi (SWCNT) bruts et purifiés, en utilisant pour cela l'analyse par microscopie électronique à balayage et par spectrométrie à rayons X à sélection d'énergie. Les méthodes décrites pour les SWCNT dans l'ISO/TS 10798:2011 peuvent être également appliquées à l'analyse des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT).
General Information
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 10798
First edition
2011-07-15
Nanotechnologies — Characterization of
single-wall carbon nanotubes using
scanning electron microscopy and
energy dispersive X-ray spectrometry
analysis
Nanotechnologies — Caractérisation des nanotubes de carbone à
simple paroi par microscopie électronique à balayage et spectroscopie
à dispersion d'énergie
Reference number
©
ISO 2011
© ISO 2011
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Published in Switzerland
ii © ISO 2011 – All rights reserved
Contents Page
Foreword . iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
3.1 Terms related to scanning electron microscope . 1
3.2 Terms related to electron probe microanalysis . 2
3.3 Terms related to sampling . 3
4 General principles . 4
4.1 SEM analysis . 4
4.2 EDX analysis . 4
4.3 Applicability to MWCNT analysis . 4
4.4 Other supportive analytical methods . 5
5 Sample preparation methods . 5
5.1 Precautions and safety concerns . 5
5.2 Preparing samples for SEM/EDX analysis . 5
5.3 SEM sample preparation/attachment techniques . 6
6 Measurement procedures . 7
6.1 EDX analysis . 8
7 Data analysis and results interpretation . 9
7.1 SEM results . 9
7.2 EDX results . 9
8 Measurement uncertainty . 9
8.1 SEM analysis . 9
8.2 EDX analysis . 10
Annex A (normative) SEM sampling methods . 11
Annex B (informative) Supportive information on EDX characterization of CNT materials . 13
Annex C (informative) Case study for the analysis of as-synthesized and purified SWCNT
samples . 15
Annex D (informative) Examples of SEM/EDX analysis of SWCNTs . 22
Bibliography . 26
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75% of the member bodies casting a vote.
In other circumstances, particularly when there is an urgent market requirement for such documents, a
technical committee may decide to publish other types of normative document:
an ISO Publicly Available Specification (ISO/PAS) represents an agreement between technical experts in
an ISO working group and is accepted for publication if it is approved by more than 50% of the members
of the parent committee casting a vote;
an ISO Technical Specification (ISO/TS) represents an agreement between the members of a technical
committee and is accepted for publication if it is approved by 2/3 of the members of the committee casting
a vote.
An ISO/PAS or ISO/TS is reviewed after three years in order to decide whether it will be confirmed for a
further three years, revised to become an International Standard, or withdrawn. If the ISO/PAS or ISO/TS is
confirmed, it is reviewed again after a further three years, at which time it must either be transformed into an
International Standard or be withdrawn.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO/TS 10798 was prepared by Technical Committee ISO/TC 229, Nanotechnologies.
iv © ISO 2011 – All rights reserved
Introduction
Single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) are made from a unique form of carbon that has desirable
mechanical, thermal and electronic properties. They are composed of carbon atoms arrayed in a hexagonal
network in the shape of a hollow tube. SWCNT diameters are in the order of 0,5 nm to 3 nm, while SWCNT
lengths can range from less than one m into the millimetre range.
Possible applications for SWCNTs range from composite reinforcing materials, drug delivery systems and
electronic devices, to mention a few. SWCNTs can be grown in situ as part of an electronic or
electromechanical device, or produced in bulk through electric arc, laser or chemical vapour deposition
methods. Details on the structure and manufacturing methods for SWCNTs can be found in relevant
[12][18]
literature .
The production of SWCNTs is driven by a catalyst-based growth mechanism, with metallic nanoparticles as
the catalyst material. These nanoparticles can be found in the raw, as produced SWCNT material. The raw
material can also contain other impurities in the form of inorganic oxides, along with different nanocarbon
structures such as fullerenes, nanocrystalline carbon and amorphous carbon. Solvents, acids and other
chemical agents are used to purify the raw SWCNT materials. Impurities are reduced or removed during the
[17]
purification process. Some of the purification methods include oxidation by acid reflux , gas phase
[14] [11] [15]
oxidation , microfiltration , and column chromatography . However, depending on the purification
method, the SWCNTs can be shortened in length, functionalized with acid groups, bundled (many SWCNTs
adhered together), or damaged (defects in the wall structure that can affect the properties of the material).
High resolution scanning electron microscopy is an extremely useful technique for characterizing both raw and
purified SWCNT materials. The high resolution scanning electron microscope (HRSEM) is used here to
differentiate features that are consistent with high-aspect ratio carbon nanotubes from other non-filamentous
carbon impurities. SEM-based energy dispersive X-ray spectrometry (EDX) analysis is also used to identify
the elemental composition of catalysts and other inorganic impurities in the material.
TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 10798:2011(E)
Nanotechnologies — Characterization of single-wall carbon
nanotubes using scanning electron microscopy and energy
dispersive X-ray spectrometry analysis
1 Scope
This Technical Specification establishes methods to characterize the morphology, and to identify the
elemental composition of, catalysts and other inorganic impurities in raw and purified single-wall carbon
nanotube (SWCNT) powders and films, using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray
spectrometry analysis.
The methods described here for SWCNTs can also be applied to the analysis of multiwall carbon nanotubes
(MWCNTs).
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 22493:2008, Microbeam analysis — Scanning electron microscopy — Vocabulary
ISO/TS 80004-3, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 3: Carbon nano-objects
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 22493:2008 and ISO/TS 80004-3
and the following apply.
3.1 Terms related to scanning electron microscope
3.1.1
SEM
scanning electron microscope
instrument that produces magnified images of a specimen by scanning its surface with a well-focused electron
beam
NOTE 1 See Reference [16] for details of the instrumentation, the SEM process and the different types of SEMs.
NOTE 2 A conventional SEM utilizes an electron source filament either made from W or LaB materials that are heated
to produce a source of electrons by thermionic emission. The electron beam probe sizes (d ) are between 3 nm and 4 nm,
p
which is not sufficient to resolve individual SWCNTs. The range of useful analysis is generally under 100 000
magnification and can be considerably less in non-conducting materials. Conventional SEMs typically operate at high
accelerating voltages (5 kV to 30 kV) and often require the samples to be coated. These SEMs can be used for EDX
analysis.
NOTE 3 A field emission scanning electron microscope (FESEM) has an extremely fine cathode tip that generates a
smaller diameter probe size compared to a conventional SEM, even at very low accelerating voltages (0,5 kV to 5 kV). In
FESEMs, electron beam probe sizes can be 1 nm or less, expanding the useful magnification range an order of magnitude
higher. Non-conducting materials can be imaged without applying a conductive coating through the use of low accelerating
voltages. An FESEM is sometimes referred to as a high resolution SEM (HRSEM). This can also be used for EDX analysis
and offers better spatial resolution when low accelerating voltages are used.
NOTE 4 Variable pressure SEM (VPSEM) is another type of SEM where the pressure around the specimen can be
controlled from a few Pa to hundreds of Pa, to eliminate surface charging and to minimize surface damage to the
specimen. Although currently outside the scope of this specification, this method is included here to provide the basis for
possible future VPSEM characterization of SWCNTs that might be present in biological tissue or in a fluid environment. In
this case, EDX analysis is possible but electron beam scattering in the residual gas means that results from point analysis
are contaminated by spurious contributions from all over the specimen stub.
3.2 Terms related to electron probe microanalysis
3.2.1
accelerating voltage
potential difference applied between the filament and the anode to accelerate the electrons emitted from the
source
[ISO 23833:2006, definition 4.1]
3.2.2
analysis depth
maximum depth from which a defined fraction (e.g. 95% of the total) of the X-rays are emitted from the
interaction volume after absorption
[ISO 23833:2006, definition 4.7.1.2]
3.2.3
analysis volume
volume from which a defined fraction (e.g. 95% of the total) of the X-rays are emitted after generation and
absorption
[ISO 23833:2006, definition 4.7.1.3]
3.2.4
BE
backs
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 10798
Première édition
2011-07-15
Nanotechnologies — Caractérisation des
nanotubes de carbone à simple paroi par
microscopie électronique à balayage et
spectroscopie à dispersion d'énergie
Nanotechnologies — Charaterization of single-wall carbon nanotubes
using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray
spectrometry analysis
Numéro de référence
©
ISO 2011
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de l'ISO à l'adresse ci-après ou du comité membre de l'ISO dans le pays du demandeur.
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Publié en Suisse
ii © ISO 2011 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos . iv
Introduction . v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
3.1 Microscopie électronique à balayage . 1
3.2 Termes relatifs à l'analyse par microsonde électronique . 2
3.3 Termes relatifs à l'échantillonnage . 4
4 Principes généraux . 4
4.1 Analyse MEB . 4
4.2 Analyse EDX . 5
4.3 Applicabilité à l'analyse de MWCNT . 5
4.4 Autres méthodes d'analyse auxiliaires . 5
5 Méthodes de préparation de l'échantillon . 5
5.1 Consignes et mesures de sécurité . 5
5.2 Préparation des échantillons pour les analyses par MEB/EDX . 6
5.3 Préparation de l'échantillon MEB/techniques de fixation . 6
6 Modes opératoires de mesure . 8
6.1 Analyse MEB . 8
6.2 Analyse EDX . 9
7 Analyse des données et interprétation des résultats . 10
7.1 Résultats obtenus par MEB . 10
7.2 Résultats obtenus par EDX . 10
8 Incertitude de mesure . 10
8.1 Analyse MEB . 10
8.2 Analyse EDX . 10
Annexe A (normative) Méthodes d'échantillonnage pour MEB . 12
Annexe B (informative) Informations auxiliaires sur la caractérisation par EDX des matériaux
de NTC . 14
Annexe C (informative) Étude de cas pour l'analyse d'échantillons de SWCNT synthétisés et
purifiés . 16
Annexe D (informative) Exemples d'analyse MEB/EDX de SWCNT . 23
Bibliographie . 27
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Dans d'autres circonstances, en particulier lorsqu'il existe une demande urgente du marché, un comité
technique peut décider de publier d'autres types de documents:
— une Spécification publiquement disponible ISO (ISO/PAS) représente un accord entre les experts dans
un groupe de travail ISO et est acceptée pour publication si elle est approuvée par plus de 50 % des
membres votants du comité dont relève le groupe de travail;
— une Spécification technique ISO (ISO/TS) représente un accord entre les membres d'un comité technique
et est acceptée pour publication si elle est approuvée par 2/3 des membres votants du comité.
Une ISO/PAS ou ISO/TS fait l'objet d'un examen après trois ans afin de décider si elle est confirmée pour trois
nouvelles années, révisée pour devenir une Norme internationale, ou annulée. Lorsqu'une ISO/PAS ou
ISO/TS a été confirmée, elle fait l'objet d'un nouvel examen après trois ans qui décidera soit de sa
transformation en Norme internationale soit de son annulation.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO/TS 10798 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 229, Nanotechnologies.
iv © ISO 2011 – Tous droits réservés
Introduction
Les nanotubes de carbone à simple paroi (SWCNT) sont fabriqués à partir d'une forme unique de carbone
dotée de propriétés mécaniques, thermiques et électroniques optimales. Ils sont constitués d'atomes de
carbone disposés en réseau hexagonal sous forme de tube creux. Les diamètres de SWCNT vont de 0,5 nm
à 3 nm, alors que leurs longueurs peuvent être inférieures à 1 µm dans la plage millimétrique.
Les applications possibles des SWCNT couvrent, entre autres, les matériaux composites renforcés, les
systèmes de délivrance de médicaments et les dispositifs électroniques. La croissance des SWCNT peut être
réalisée in situ, comme partie intégrée d'un dispositif électronique ou électromécanique ou sur substrat au
moyen d'un arc électrique, un laser ou des méthodes de dépôt chimique en phase vapeur. Des détails sur la
structure et sur les méthodes de fabrication des SWCNT peuvent être trouvés dans la littérature
[12][18]
pertinente .
La production des SWCNT résulte d’un mécanisme de croissance catalytique, utilisant des nanoparticules
métalliques comme matériau catalytique. Ces nanoparticules peuvent être trouvées dans le matériau brut
SWCNT à l'état de production. Les matériaux bruts peuvent également comprendre d'autres impuretés sous
forme d'oxydes inorganiques, ainsi que différentes structures de nanocarbone telles que les fullerènes, le
carbone nanocristallin et le carbone amorphe. Des solvants, des acides et d'autres agents chimiques sont
utilisés pour purifier les matériaux bruts du SWCNT. Les impuretés seront réduites ou retirées au cours du
[17]
processus de purification. Certaines méthodes de purification comportent l'oxydation par reflux à l'acide ,
[14] [11] [15]
l'oxydation en phase gazeuse , la microfiltration et la chromatographie sur colonne . Toutefois, en
fonction de la méthode de purification, les SWCNT risquent d'être raccourcis, fonctionnalisés avec des
groupes acides, regroupés (plusieurs SWCNT agglomérés) ou endommagés (défauts dans la structure de la
paroi pouvant affecter les propriétés du matériau.)
La microscopie électronique à balayage haute résolution est une technique extrêmement utile pour
caractériser les matériaux bruts et purifiés du SWCNT. Le microscope électronique à balayage haute
résolution (MEB-HR) est utilisé pour faire la distinction entre des caractéristiques qui correspondent à des
nanotubes de carbone à rapport de forme élevé et d'autres impuretés de carbone non filamenteux. L'analyse
par spectrométrie à rayons X à sélection d'énergie (EDX) à base de MEB est également utilisée pour identifier
la composition élémentaire de catalyseurs et autres impuretés inorganiques présentes dans le matériau.
SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 10798:2011(F)
Nanotechnologies — Caractérisation des nanotubes de carbone
à simple paroi par microscopie électronique à balayage et
spectroscopie à dispersion d'énergie
1 Domaine d'application
La présente Spécification technique définit les méthodes permettant de caractériser la morphologie et
d'identifier la composition élémentaire des catalyseurs et d'autres impuretés inorganiques dans les poudres et
films de nanotubes de carbone à simple paroi (SWCNT) bruts et purifiés, en utilisant pour cela l'analyse par
microscopie électronique à balayage et par spectrométrie à rayons X à sélection d'énergie.
Les méthodes décrites pour les SWCNT dans la présente Spécification technique peuvent être également
appliquées à l'analyse des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT).
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 22493, Analyse par microfaisceaux — Microscopie électronique à balayage — Vocabulaire
ISO/TS 80004-3, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 3: Nano-objets en carbone
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 22493 et l'ISO/TS 80004-3,
ainsi que les suivants s'appliquent.
3.1 Microscopie électronique à balayage
microscope électronique à balayage
MEB
instrument qui génère des images agrandies d'un échantillon en balayant sa surface au moyen d'un faisceau
d'électrons bien focalisé
NOTE 1 Voir la Référence [16] pour des détails relatifs à l'instrumentation, au processus MEB et aux différents types
de MEB.
NOTE 2 Un MEB conventionnel utilise comme source d'électrons un filament en matériaux de W ou de LaB qui sont
chauffés pour générer une source d'électrons par émission thermoélectronique. Les sondes à faisceau d'électrons ont des
dimensions, d , comprises entre 3 nm et 4 nm, ce qui est insuffisant pour résoudre les SWCNT individuels. La gamme
p
utile d'analyse est généralement effectuée à un grossissement de 100 000 et peut être beaucoup plus faible dans des
matériaux non conducteurs. Les MEB conventionnels fonctionnent généralement à une tension d'accélération élevée (de
5 KV à 30 KV) et exigent souvent que les échantillons soient revêtus. Ces MEB peuvent être utilisés pour l'analyse par
EDX.
NOTE 3 Un microscope électronique à balayage à émission de champ (MEB-EC) est doté d'une pointe de cathode
extrêmement fine qui génère un plus petit diamètre de sonde par rapport à un MEB conventionnel, même à très basse
tension d'accélération (de 0,5 KV à 5 KV). Dans les MEB-EC, les dimensions de la sonde du faisceau d'électrons peuvent
être inférieures ou égales à 1 nm, ce qui permet d'élargir la gamme utile de grossissement d'un ordre de grandeur
supérieur. Les matériaux non conducteurs peuvent former une image sans application d'un revêtement conducteur par
l'utilisation d'une faible tension d'accélération. Un MEB-EC est parfois appelé MEB haute résolution (MEB-HR). Il est
également possible de l'utiliser pour l'analyse par EDX et obtenir ainsi une meil
...
Questions, Comments and Discussion
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