ISO TS 10797:2012

Nanotechnologies - Characterization of single-wall carbon nanotubes using transmission electron microscopy

ISO/TS 10797:2012 establishes methods for characterizing the morphology of single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) and identifying the elemental composition of other materials in SWCNT samples, using transmission electron microscopy and chemical analysis by energy dispersive X-ray spectrometry.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 18-May-2012
• ICS: 01 - GENERALITIES. TERMINOLOGY. STANDARDIZATION. DOCUMENTATION
• ICS: 07.120 - Nanotechnologies
• Technical Committee: TC 113 - Nanotechnology for electrotechnical products and systems
• Drafting Committee: JWG 2 - TC 113/JWG 2
• Current Stage: PPUB - Publication issued
• Completion Date: 15-May-2011

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 10797
First edition
2012-06-01
Nanotechnologies — Characterization
of single-wall carbon nanotubes using
transmission electron microscopy
Nanotechnologies — Caractérisation des nanotubes de carbone
monofeuillet par microscopie électronique à transmission
Reference number
ISO/TS 10797:2012(E)
©
ISO 2012
ISO/TS 10797:2012(E)
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Published in Switzerland
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ISO/TS 10797:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 General principles . 3
4.1 TEM imaging and analysis . 3
4.2 EDS analysis . 3
4.3 Additional characterization methods . 3
4.4 Applicability to multiwall carbon nanotube analysis . 3
5 Sample preparation . 4
5.1 General principles . 4
5.2 Choice of TEM grid. 4
5.3 Powder and film samples . 5
5.4 Liquid suspension sample . 6
5.5 Composite sample . 6
6 Measurement procedures . 7
6.1 TEM examination of an SWCNT sample . 7
6.2 EDS analysis of an SWCNT sample . 7
7 Data analysis, interpretation and reporting of results . 9
7.1 General principles . 9
7.2 Data analysis and interpretation of TEM results . 9
7.3 Data analysis and interpretation of EDS results .13
Annex A (informative) Case studies .14
Annex B (informative) Additional information on sample preparation and experimental procedures .20
Annex C (informative) Additional information on observation of SWCNTs .26
Annex D (informative) Additional information on factors influencing the observation of SWCNTs .30
Bibliography .33
ISO/TS 10797:2012(E)
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 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 10797 was prepared by Technical Committee ISO/TC 229, Nanotechnologies.
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ISO/TS 10797:2012(E)
Introduction
Carbon nanotubes (CNTs) are nanomaterials composed of concentric layers of graphene sheets in the form
of cylindrical tubes placed along the longitudinal fibre axis. Single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) are
seamless cylinders derived from the honeycomb lattice representing just a single atomic layer of graphene
sheet. The transmission electron microscope (TEM), and especially its high-resolution version (HRTEM), were
the first instruments that revealed the unique structural features of carbon nanotubes. TEM/HRTEM has played
an essential role in the research and development of carbon nanotube materials. It has the advantage of being
a “direct” technique that avoids the imposition of physical or mathematical assumptions. At the same time, it
provides a variety of experimental results and information-rich images that make the investigation of a wide
variety of samples possible. Beyond imaging, TEM, along with other techniques described in this Technical
Specification, can provide qualitative purity assessment of SWCNT samples. In addition, it can also reveal
detailed morphological and structural features of carbon nanotubes such as graphene wall structure, defects,
[8]
diameter, length, bundle size and orientation, and the existence of materials and nanoparticles besides
SWCNTs. In other operational modes, it is also possible to study the chirality and thermal and mechanical
characteristics of individual nanotubes. It is important to develop a systematic protocol for using TEM in order
to acquire reliable and comprehensive information about a sample containing SWCNTs.
The transmission electron microscope operates on similar basic principles as the optical microscope but uses
electrons instead of light. A beam of electrons is focused onto a thin, electron-transparent sample, allowing an
enlarged version to appear on a fluorescent screen, a layer of photographic film, or on an array detector that
is sensitive to electrons. Modern instruments are equipped with a computer-linked digital imaging system that
can also record real-time images.
The HRTEM can investigate crystal structure by phase contrast imaging, where images are formed due to
differences in the phase of electron waves scattered through a thin sample. Resolution of the TEM is limited
by spherical and chromatic aberrations, but new generations of instruments with advanced electron-optical
columns have significantly lowered these aberrations. Software correction of spherical aberration has allowed
the production of meaningful images with sufficient resolution at magnifications of many millions times. The
ability to determine the positions of atoms within materials has made the HRTEM an indispensable tool for
nanotechnology research and development.
TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 10797:2012(E)
Nanotechnologies — Characterization of single-wall carbon
nanotubes using transmission electron microscopy
1 Scope
This Technical Specification establishes methods for characterizing the morphology of single-wall carbon
nanotubes (SWCNTs) and identifying the elemental composition of other materials in SWCNT samples, using
transmission electron microscopy and chemical analysis by energy dispersive X-ray spectrometry.
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, Microbeam analysis — Scanning electron microscopy — Vocabulary
ISO 29301, Microbeam analysis — Analytical transmission electron microscopy — Methods for calibrating
image magnification by using reference materials having periodic structures
ISO/TS 80004-3, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 3: Carbon nano-objects
ISO/IEC 17025, General requirements for the competence of testing and calibration laboratories
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 22493, ISO/TS 80004-3 and the
following apply.
3.1
aggregate of nanotubes
particle comprising strongly bonded or fused particles of individual nanotubes and/or bundles of nanotubes
NOTE 1 This is often the form of as-produced SWCNT material. The forces holding an aggregate together are strong
forces, for example, covalent bonds, or those resulting from sintering or complex physical entanglement.
NOTE 2 Aggregates are termed “secondary particles” and the original source particles are termed “primary particles”.
NOTE 3 Adapted from ISO/TS 27687:2008, definition 3.3.
3.2
bundle of nanotubes
single strand of two or more nanotubes held together by van der Waals forces
3.3
bright-field TEM
TEM technique of electron illumination and imaging in which the direct electron beam passes through the
sample and the image is formed only by the transmitted wave, by selecting the wave using an objective aperture
on the back focal plane
NOTE 1 Generally, the portions of the sample that are thicker or that have a higher atomic number (Z) appear darker
against a brighter background. In this mode the contrast, when considered classically, is formed directly by occlusion and
absorption of electrons in the sample. Thicker regions of the sample, or regions with a higher atomic number will appear
dark, while regions with no sample in the beam path will appear bright, hence the term “bright-field”.
ISO/TS 10797:2012(E)
NOTE 2 This will be included in a vocabulary on analytical electron microscopy, which is under preparation by
ISO/TC 202/SC 1.
3.4
dark-field TEM
TEM technique of electron illumination and imaging in which the direct electron beam passes through the
sample and the image is formed only by diffracted wave, by selecting the wave using an objective aperture on
the back focal plane
NOTE 1 Crystalline parts of the sample disperse the electrons of the direct beam into discrete locations in the back
focal plane. By the placement of apertures in the back focal plane, i.e. the objective aperture, desired portions of the
reflections can be selected, thus only those parts of the sample that are causing the electrons to scatter to the selected
reflections will be imaged. If the selected reflections do not include the unscattered beam, then the image will appear dark
wherever no sample scattering to the selected peak is present – hence the term “dark-field”.
NOTE 2 Modern TEMs are often equipped with sample holders that allow the user to tilt the sample to obtain specific
diffraction conditions. The wave that caused scattering and reflection (for example, Bragg reflection) in a crystalline sample
will form a dark-field image by selecting a specific diffraction wave through objectiv
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 10797
Première édition
2012-06-01
Nanotechnologies — Caractérisation des
nanotubes de carbone monofeuillet par
microscopie électronique à transmission
Nanotechnologies — Characterization of single-wall carbon nanotubes
using transmission electron microscopy
Numéro de référence
ISO/TS 10797:2012(F)
©
ISO 2012
ISO/TS 10797:2012(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous
quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit
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
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ISO/TS 10797:2012(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes généraux . 3
4.1 Imagerie et analyse par MET . 3
4.2 Analyse par EDS . 3
4.3 Méthodes de caractérisation supplémentaires . 4
4.4 Applicabilité à l’analyse des nanotubes de carbone multiparois . 4
5 Préparation des échantillons . 4
5.1 Principes généraux . 4
5.2 Choix de la grille de MET . 5
5.3 Échantillons sous forme de poudre et de film . 5
5.4 Échantillon sous forme de suspension en liquide . 6
5.5 Échantillon composite . 7
6 Modes opératoires de mesurage . 8
6.1 Examen par MET d’un échantillon de SWCNT . 8
6.2 Analyse d’un échantillon de SWCNT par EDS . 8
7 Analyse des données, interprétation et consignation des résultats .10
7.1 Principes généraux .10
7.2 Analyse des données et interprétation des résultats de MET .10
7.3 Analyse des données et interprétation des résultats d’EDS .14
Annexe A (informative) Études de cas .16
Annexe B (informative) Supplément d’information sur la préparation d’échantillon et les modes
opératoires expérimentaux .22
Annexe C (informative) Informations supplémentaires sur l’observation des SWCNT .29
Annexe D (informative) Informations supplémentaires sur les facteurs influant sur l’observation
des SWCNT .33
Bibliographie .36
ISO/TS 10797:2012(F)
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 normatifs:
— 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 10797 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 229, Nanotechnologies.
iv © ISO 2012 – Tous droits réservés

ISO/TS 10797:2012(F)
Introduction
Les nanotubes de carbone (NTC) sont des nanomatériaux composés de couches concentriques de feuillets
de graphène agencés en forme de tube cylindrique dans l’axe longitudinal de la fibre. Les nanotubes de
carbone monofeuillet (SWCNT) sont des cylindres sans soudure, obtenus à partir de la structure en nid
d’abeille d’une seule feuille de graphène épaisse d’un atome. La microscopie électronique à transmission
(MET) et, en particulier, sa version à haute résolution (MET-HR) a été la première technique à mettre en
évidence les caractéristiques structurales uniques des NTC. La MET/MET-HR a joué un rôle essentiel dans la
recherche et le développement des matériaux à base de NTC. Elle possède l’avantage d’être une technique
«directe» qui évite d’introduire des hypothèses physiques ou mathématiques. En même temps, elle fournit
toute une variété de résultats expérimentaux et d’images riches en informations qui rendent les recherches
possibles sur une grande diversité d’échantillons. Outre l’imagerie, la MET, et d’autres techniques décrites
dans la présente Spécification technique, permettent d’obtenir une évaluation qualitative de la pureté d’un
échantillon de SWCNT. Par ailleurs, elle peut également révéler des caractéristiques morphologiques et
structurales précises des NTC, telles que la structure des feuillets de graphène, les défauts, le diamètre, la
[8]
longueur, la taille et l’orientation des faisceaux, ainsi que l’existence de matériaux et nanoparticules autres
que les SWCNT. Dans d’autres modes opératoires, il est encore possible d’étudier la chiralité et les propriétés
thermiques et mécaniques de nanotubes pris individuellement. Il est donc important d’élaborer un protocole
systématique d’utilisation de la MET, afin d’obtenir des informations fiables et exhaustives sur un échantillon
contenant des SWCNT.
Le microscope électronique à transmission fonctionne sur des principes fondamentaux similaires à ceux du
microscope optique, mais emploie des électrons au lieu de la lumière. Un faisceau d’électrons traverse un
fin échantillon transparent aux électrons pour donner une image agrandie sur un écran fluorescent, un film
photographique ou un détecteur à barrettes de diodes sensible aux électrons. Les instruments modernes sont
équipés de systèmes d’imagerie numérique reliés à un ordinateur qui permettent en plus d’enregistrer des
images en temps réel.
La MET-HR permet d’étudier la structure cristalline par imagerie par contraste de phase qui forme des images
d’après les différences de phase des ondes électroniques diffractées par un échantillon traversé. La résolution
du MET est limitée par les aberrations sphériques et chromatiques, mais de nouvelles générations d’instruments
à colonnes électro-optiques perfectionnées ont nettement réduit ces aberrations. La correction informatique
de l’aberration sphérique a permis la production d’images exploitables, avec une résolution acceptable pour
des grossissements de plusieurs millions de fois. Ainsi, la capacité à déterminer les positions des atomes au
sein des matériaux a fait du MET-HR un outil indispensable en recherche et développement dans le domaine
des nanotechnologies.
SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 10797:2012(F)
Nanotechnologies — Caractérisation des nanotubes de carbone
monofeuillet par microscopie électronique à transmission
1 Domaine d’application
La présente Spécification technique établit les méthodes de caractérisation de la morphologie des nanotubes
de carbone monofeuillet (SWCNT) et d’identification de la composition chimique des autres matériaux des
échantillons de nanotubes de carbone, au moyen de la microscopie électronique à transmission et de l’analyse
chimique par spectrométrie X à dispersion d’énergie.
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 29301, Analyse par microfaisceaux — Microscopie électronique en transmission analytique — Méthodes
d’étalonnage du grandissement d’image au moyen de matériaux de référence de structures périodiques
ISO/TS 80004-3, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 3: Nano-objets en carbone
ISO/CEI 17025, Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d’étalonnages et d’essais
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 22493, l’ISO/TS 80004-3
ainsi que les suivants s’appliquent.
3.1
agrégat de nanotubes
particule composée de nano-objets fortement liés ou fusionnés de nanotubes de carbone isolés ou en faisceau
NOTE 1 Il s’agit d’une forme courante des SWCNT en sortie de production. Les forces maintenant un agrégat sont
puissantes. Elles peuvent être, par exemple, des liaisons covalentes ou des liaisons résultant d’un frittage ou d’un
enchevêtrement physique complexe.
NOTE 2 Les agrégats sont appelés «particules secondaires» et les particules de base sont appelées «particules primaires».
NOTE 3 Adaptée de l’ISO/TS 27687:2008, définition 3.3.
3.2
faisceau de nanotubes
brin réunissant plusieurs nanotubes maintenus entre eux par des forces de Van der Waals
ISO/TS 10797:2012(F)
3.3
MET à fond clair
technique de MET consistant en un bombardement d’électrons et en une imagerie dans laquelle un faisceau
électronique direct traverse l’échantillon et où l’image n’est formée que par l’onde transmise, en sélectionnant
l’onde grâce à un diaphragme objectif sur le plan focal arrière
NOTE 1 Généralement, les parties de l’échantillon plus épaisses ou ayant un numéro atomique (Z) supérieur
apparaissent plus sombres sur un fond clair. De cette façon, le contraste, tel qu’on l’entend habituellement, est formé
directement par occlusion et absorption des électrons par l’échantillon. Les régions de l’échantillon les plus épaisses ou
ayant un numéro atomique plus élevé apparaissent alors de couleur sombre, tandis que les régions de l’échantillon sans
obstacle sur le chemin des électrons apparaissent de couleur claire, d’où le terme de «fond clair».
NOTE 2 Ce terme sera inclus dans un vocabulaire relatif à la microscopie électronique à transmission, qui est en cours
de préparation par l’ISO/TC 202/
...