JP2006242591A - Method and device for measuring outer diameter and refractive index of nano fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノカーボンチューブ、極細繊維編素、金属系超電導線編素などの極めて細いナノファイバー状物体、特に外径が200nm以下の細径円柱体の外径、およびその屈折率の両者を同時に測定する方法およびその測定装置に関するものである。 The present invention relates to both the outer diameter and the refractive index of an extremely thin nanofibrous object such as a nanocarbon tube, an ultrafine fiber knitted fabric, and a metallic superconducting wire knitted fabric, particularly a thin cylindrical body having an outer diameter of 200 nm or less The present invention relates to a method for measuring simultaneously and a measuring apparatus therefor.
ナノカーボンチューブ、極細径繊維、金属系超電導線などの製造、或いはその特性に関して、これらの外径は大きな影響を与えることが知られている。そこで、その外径の測定方法が開発されてきている。
特許文献1では、繊維製造時の外径測定を、レーザ光の回折強度の比率を基に求める方法により行い、外径10μm程度の繊維が測定できることが示されている。
又、特許文献2、3では、レーザ光による被測定細線のフラウンフォーファ回折像の回折パターンからその外径を算出する方法によって、外径17.5μmの細線の測定ができることが開示されている。
It is known that these outer diameters have a great influence on the production of nanocarbon tubes, ultrafine fibers, metallic superconducting wires, etc., or their characteristics. Accordingly, methods for measuring the outer diameter have been developed.
しかしながら、nmオーダーのナノファイバーの外径測定となると有効な測定方法がなかった。
そこで、本発明者らは非特許文献1に示すようにレーザ光を被測定物に対して垂直、或いは水平に偏光したレーザ光を用いて、被測定物による散乱強度を測定し、ある式の基に計算した計算値との偏差から、その外径および屈折率を測定する方法を開発した。この方法によれば、外径240nm程度の細い円柱体を測定できることを示した。
However, there was no effective measurement method for measuring the outer diameter of nanofibers in the order of nm.
Therefore, as shown in
前記、本発明者らによる外径測定方法では、240nmと先の特許文献1から3で示された測定方法に比べて、より細径の円柱体の外径測定が可能であったが、ナノカーボンチューブなどの数nmから200nm程度のより細いナノファイバーの外径を精度良く測定することは難しかった。
そこで、本発明では数nmから数10nm程度の外径を有するナノカーボンチューブや外径200nm以下のより細いナノファイバーの外径を精度良く測定する方法およびその測定装置を提供するものである。
In the outer diameter measuring method by the present inventors, it was possible to measure the outer diameter of a columnar body having a smaller diameter as compared with the measuring method shown in
Therefore, the present invention provides a method and a measuring apparatus for accurately measuring the outer diameter of a nanocarbon tube having an outer diameter of several nanometers to several tens of nanometers or a thinner nanofiber having an outer diameter of 200 nm or less.
請求項1記載の発明は、ナノファイバーの長さ方向に対して垂直に偏向された垂直偏光を、前記ナノファイバーに投射して得られる所定散乱角度の散乱光による測定散乱光強度と、前記散乱角度から算出した計算散乱光強度とから、前記ナノファイバーの外径及び屈折率の関数で表される偏差指標を算出し、この偏差指標を最小とする前記ナノファイバーの外径および屈折率の組み合わせを求めることで、前記ナノファイバーの外径および屈折率を求めることを特徴とするナノファイバーの外径及び屈折率の測定方法である。 According to the first aspect of the present invention, the measured scattered light intensity by the scattered light having a predetermined scattering angle obtained by projecting the vertically polarized light, which is deflected perpendicularly to the length direction of the nanofiber, onto the nanofiber, and the scattering From the calculated scattered light intensity calculated from the angle, a deviation index represented by a function of the outer diameter and refractive index of the nanofiber is calculated, and the combination of the outer diameter and refractive index of the nanofiber that minimizes the deviation index By determining the outer diameter and refractive index of the nanofiber, the outer diameter and refractive index of the nanofiber are measured.
請求項2記載の発明は、ナノファイバーの長さ方向に対して平行に偏向された平行偏光を、前記ナノファイバーに投射して得られる所定散乱角度の散乱光による測定散乱光強度と、前記散乱角度から算出した計算散乱光強度とから、前記ナノファイバーの外径及び屈折率の関数で表される偏差指標を算出し、この偏差指標を最小とする前記ナノファイバーの外径および屈折率の組み合わせを求めることで、前記ナノファイバーの外径および屈折率を求めることを特徴とするナノファイバーの外径及び屈折率の測定方法である。 According to the second aspect of the present invention, the measured scattered light intensity by the scattered light having a predetermined scattering angle obtained by projecting parallel polarized light deflected parallel to the length direction of the nanofiber onto the nanofiber, and the scattering From the calculated scattered light intensity calculated from the angle, a deviation index represented by a function of the outer diameter and refractive index of the nanofiber is calculated, and the combination of the outer diameter and refractive index of the nanofiber that minimizes the deviation index By determining the outer diameter and refractive index of the nanofiber, the outer diameter and refractive index of the nanofiber are measured.
請求項3記載の発明は、外径および屈折率を測定する前記ナノファイバーの外径が200nm以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のナノファイバーの外径および屈折率の測定方法である。
The invention according to
請求項4記載の発明は、レーザ光を発光する光源部と、レーザ光を被測定物長さ方向に対して垂直な垂直偏光、若しくは水平な水平偏光とする光偏向部と、レーザ光の光軸上に、固定状態で備わる被測定物を支持固定する支持台と、被測定物により散乱されたレーザ光の散乱光強度を検出して外部に出力する検出器を有し、この検出器が所定散乱角度になるように回転し、その散乱角度を外部に出力する検出部と、前記検出部より出力される散乱角度および散乱光強度から計算散乱光強度と偏差指標を算出して被測定物の外径及び屈折率を算出する演算部とで、構成されることを特徴とするナノファイバーの外径および屈折率の測定装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a light source unit that emits laser light, a light deflecting unit that converts the laser light into vertical polarization or horizontal horizontal polarization perpendicular to the length direction of the object to be measured, and light of the laser light. On the shaft, there is a support base for supporting and fixing the object to be measured provided in a fixed state, and a detector for detecting the scattered light intensity of the laser light scattered by the object to be measured and outputting it to the outside. A detection unit that rotates to a predetermined scattering angle and outputs the scattering angle to the outside, and calculates the scattered light intensity and deviation index from the scattering angle and scattered light intensity output from the detection unit, and the object to be measured It is the measuring part comprised by the calculating part which calculates the outer diameter and refractive index of nanofiber, It is the measuring apparatus of the outer diameter and refractive index of nanofiber characterized by the above-mentioned.
請求項5記載の発明は、レーザ光を発光する光源部と、レーザ光を被測定物長さ方向に対して垂直な垂直偏光、若しくは水平な水平偏光とする光偏向部と、レーザ光の光軸上に、固定状態で備わる被測定物を支持固定する支持台と、被測定物により散乱されたレーザ光の散乱光強度を検出して外部に出力する検出器が前記支持台の周囲に円周上に、散乱角度となる所定角度で少なくとも2基以上備えられる検出部と、前記検出部より出力される散乱角度および散乱光強度から計算散乱光強度と偏差指標を算出して被測定物の外径及び屈折率を算出する演算部とで、構成されることを特徴とするナノファイバーの外径および屈折率の測定装置である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a light source unit that emits laser light, a light deflecting unit that converts the laser light into vertical polarization or horizontal horizontal polarization perpendicular to the length direction of the object to be measured, and light of the laser light. A support base for supporting and fixing the measurement object provided in a fixed state on the axis, and a detector for detecting the scattered light intensity of the laser light scattered by the measurement object and outputting it to the outside are circled around the support base. On the circumference, at least two detection units provided at a predetermined angle as the scattering angle, and the calculated scattered light intensity and deviation index are calculated from the scattering angle and scattered light intensity output from the detection unit, and the measured object An apparatus for measuring an outer diameter and a refractive index of a nanofiber, characterized in that it is configured with a calculation unit that calculates an outer diameter and a refractive index.
本発明によれば、200nm以下の外径を有するナノファイバーの外径およびその屈折率を効率良く且つ精度良く測定することを可能とするもので、工業上顕著な効果を奏するものである。 According to the present invention, it is possible to efficiently and accurately measure the outer diameter of a nanofiber having an outer diameter of 200 nm or less and its refractive index, and this has a remarkable industrial effect.
本発明に係る外径および屈折率の測定方法は、図1のフローチャートに示すように進められる。
先ず、図2に示す外径・屈折率測定装置1で、被測定物2に対して、光源3から波長λnm(543.5nm)のレーザ光3aを発光し、そのレーザ光3aが偏向装置4で被測定物に対して垂直偏光、或いは水平偏光とされ、検出部5上面に支持台5bで支持された被測定物2に投射される。レーザ光3aは、被測定物2により一部が反射され、レーザ光3aの光軸に対して散乱角度θに配置された検出器6で、その測定散乱光強度Iが測定される。この手順で、散乱角度θi(i=0・・・n)を変化させてその時の測定散乱光強度Ii(i=0・・・n)を順次測定していく。
又は、図3のように複数の検出器6(図3の場合は28基)を、被測定物2を支持する支持台5bの円周上に配置し、各々の検出器6の散乱角度θiで測定散乱光強度Iiを測定することでも良い。
The outer diameter and refractive index measurement method according to the present invention proceeds as shown in the flowchart of FIG.
First, the outer diameter / refractive
Alternatively, as shown in FIG. 3, a plurality of detectors 6 (28 in the case of FIG. 3) are arranged on the circumference of the support 5 b that supports the
これらの検出角度θiと測定散乱光強度Iiは、図1に記した外径・屈折率同時解析プログラムを搭載したパーソナルコンピュータのような演算部7に送られる。
この演算部7内で計算散乱光強度σiが計算される。
本発明では、この計算散乱光強度を求める式として、種々検討を重ねた結果、第1種と第3種ベッセル関数を用いて表すことにより、これ以降の外径、屈折率の算出において精度の良い値が得られることを見出したものである。
その計算散乱光強度σiの算出に際しては、垂直偏光で散乱させた場合は、数1を用いて計算し、水平偏光を散乱させた場合は、数2を用いて計算を行う。
These detection angles θ i and measured scattered light intensity I i are sent to a
The calculated scattered light intensity σ i is calculated in the
In the present invention, as a result of various studies as a formula for calculating the calculated scattered light intensity, by using the first type and the third type Bessel function, the accuracy of the calculation of the outer diameter and the refractive index can be improved. It has been found that a good value can be obtained.
When calculating the calculated scattered light intensity σ i , calculation is performed using
ところで、数1、数2で示した計算散乱光強度の式は、繊維編素や蜘蛛の糸のような透明性の高い材質の外径、屈折率の測定に有効であるが、金属系超伝導線のような反射の強い金属などの場合や、カーボンナノチューブなどのような中空試料では、この計算散乱光強度式をより適した式に変えることで、本発明の外径、屈折率の同時測定を行うことができる。
By the way, the calculated scattered light intensity formulas shown in
次に、測定した測定散乱光強度Iiと検出角度θiから算出した計算散乱光強度計算σiを用いて、数3で示す外径Dと屈折率nを包含する形式の偏差指標U(n,D)を作成する。この偏差指標を外径Dと屈折率nの関数として、偏差指標が最小となる点(n0,D0)を求め、その場合の外径Dと屈折率nの組み合わせを被測定物の外径および屈折率とする。
Next, using the measured scattered light intensity calculation σ i calculated from the measured measured scattered light intensity I i and the detected angle θ i , the deviation index U (including the outer diameter D and the refractive index n shown in
先ず、この計算は、偏差指標が外径D0及び屈折率n0の時、Ii (opt)=bσi(n0,D0)の場合に最適分布を示し、この最適分布における最適偏差指標UT (opt)(n,D)を数3のように表す。
First, this calculation shows an optimal distribution when I i (opt) = bσ i (n 0 , D 0 ) when the deviation index is the outer diameter D 0 and the refractive index n 0 , and the optimal deviation in this optimal distribution The index U T (opt) (n, D) is expressed as in
次いで、外径Dおよび屈折率nの関数としての偏差指標の集合Gを、G={n,D|UT (opt)(n,D)≦UT(n0,D0)}として、その範囲内において、数4からnmin、nmax、Dmin、Dmaxを求める。求めた各値とn0、D0との差、外径に関しては、(Dmin−D0,D0−D0)、屈折率に関しては、(nmin−n0,nmax−n0)を不確実さと定義し、この値を最小とする点(n0、D0)を求めることにより、被測定物の外径、屈折率を算出する。 Then, a set G of deviation indices as a function of the outer diameter D and the refractive index n is set as G = {n, D | U T (opt) (n, D) ≦ U T (n 0 , D 0 )}. Within that range, n min , n max , D min , and D max are determined from Equation 4. The difference between the obtained values and n 0 , D 0 , the outer diameter is (D min −D 0 , D 0 −D 0 ), and the refractive index is (n min −n 0 , n max −n 0). ) Is defined as uncertain, and the point (n 0 , D 0 ) that minimizes this value is calculated to calculate the outer diameter and refractive index of the object to be measured.
このようにして計算した一例として、外径500nmの繊維編素の偏差指標U(n,D
)を図4(a)、図4(b)に外径Dと屈折率nの関数として示す。図4(a)は、グローバル座標で示したもので、図4(b)は、U(n,D)が最小点を示す座標(n0、D0)近傍を拡大して示したものである。
As an example calculated in this manner, a deviation index U (n, D) of a fiber braid having an outer diameter of 500 nm.
) Are shown as a function of the outer diameter D and the refractive index n in FIGS. 4 (a) and 4 (b). FIG. 4A shows the global coordinates, and FIG. 4B shows an enlarged view of the vicinity of coordinates (n 0 , D 0 ) where U (n, D) indicates the minimum point. is there.
以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
先ず、被測定物として、外径250nm、200nmの繊維編素、外径150nm、100nm、90nmの蜘蛛の糸を用いた。これらの外径は、予め走査電子顕微鏡(SEM)を用いて実測している。
これらの試料を図2の外径・屈折率測定装置1の支持台5bにセットして、波長λ=534.5nmのレーザ光を投射し、散乱角度θiを0度から150度の間で、2度刻みに順次変化させ、その散乱強度を測定し、測定散乱光強度Iiとした。
Hereinafter, the present invention will be described using examples.
First, fiber knitting elements having outer diameters of 250 nm and 200 nm, and warp yarns having outer diameters of 150 nm, 100 nm, and 90 nm were used as objects to be measured. These outer diameters are measured in advance using a scanning electron microscope (SEM).
These samples are set on the support 5b of the outer diameter / refractive
次にパーソナルコンピュータに先の散乱角度θiと測定散乱光強度Iiを入力し、散乱角度θiから計算散乱光強度σiを求め、測定散乱光強度Iiと求めた計算散乱光強度σiから偏差指標U(n,D)を計算し、U(n,D)を最小とする値を最適値として求め、その時のDとnを各々外径及び屈折率とした。その結果を表1に実測値と共に記した。なお、測定は、垂直偏光及び水平偏光の両者で行なった。 Next, the previous scattering angle θ i and the measured scattered light intensity I i are input to a personal computer, the calculated scattered light intensity σ i is obtained from the scattered angle θ i, and the calculated scattered light intensity I i is obtained as the calculated scattered light intensity σ. A deviation index U (n, D) is calculated from i , a value that minimizes U (n, D) is obtained as an optimum value, and D and n at that time are taken as an outer diameter and a refractive index, respectively. The results are shown in Table 1 together with the actual measurement values. The measurement was performed with both vertically polarized light and horizontally polarized light.
表1から明らかなように、本発明により求められた外径は、90nmの細径のナノファイバーにおいても走査電子顕微鏡による実測値と数%以内の値が得られていることがわかる。 As is apparent from Table 1, it can be seen that the outer diameter obtained by the present invention is a value measured by a scanning electron microscope and a value within several percent even in a nanofiber having a small diameter of 90 nm.
1 外径・屈折率測定装置
2 被測定物(ナノファイバー)
3 光源
3a レーザ光
3b 散乱光
4 偏向装置
5a 検出部
5b 支持台
6 検出器
7 演算部
θi 散乱角度
Ii 測定光散乱強度
σi 計算散乱光強度
D 外径
n 屈折率
1 Outer diameter / refractive
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記散乱角度から算出した計算散乱光強度とから、
前記ナノファイバーの外径及び屈折率の関数で表される偏差指標を算出し、この偏差指標を最小とする前記ナノファイバーの外径および屈折率の組み合わせを求めることで、前記ナノファイバーの外径および屈折率を求めることを特徴とするナノファイバーの外径及び屈折率の測定方法。 The measured scattered light intensity by the scattered light at a predetermined scattering angle obtained by projecting the vertically polarized light, which is deflected perpendicularly to the length direction of the nanofiber, onto the nanofiber, and
From the calculated scattered light intensity calculated from the scattering angle,
By calculating a deviation index represented by a function of the outer diameter and refractive index of the nanofiber, and obtaining a combination of the outer diameter and refractive index of the nanofiber that minimizes the deviation index, the outer diameter of the nanofiber And a method of measuring the outer diameter and refractive index of the nanofiber, wherein the refractive index is obtained.
前記散乱角度から算出した計算散乱光強度とから、
前記ナノファイバーの外径及び屈折率の関数で表される偏差指標を算出し、この偏差指標を最小とする前記ナノファイバーの外径および屈折率の組み合わせを求めることで、前記ナノファイバーの外径および屈折率を求めることを特徴とするナノファイバーの外径及び屈折率の測定方法。 Measured scattered light intensity by scattered light of a predetermined scattering angle obtained by projecting parallel polarized light deflected parallel to the length direction of the nanofiber onto the nanofiber, and
From the calculated scattered light intensity calculated from the scattering angle,
By calculating a deviation index represented by a function of the outer diameter and refractive index of the nanofiber, and obtaining a combination of the outer diameter and refractive index of the nanofiber that minimizes the deviation index, the outer diameter of the nanofiber And a method of measuring the outer diameter and refractive index of the nanofiber, wherein the refractive index is obtained.
レーザ光を被測定物長さ方向に対して垂直な垂直偏光、若しくは水平な水平偏光とする光偏向部と、
レーザ光の光軸上に、固定状態で備わる被測定物を支持固定する支持台と、
被測定物により散乱されたレーザ光の散乱光強度を検出して外部に出力する検出器を有し、この検出器が所定散乱角度になるように回転し、その散乱角度を外部に出力する検出部と、
前記試料回転ステージと前記検出器より出力される散乱角度および散乱光強度から計算散乱光強度と偏差指標を算出して被測定物の外径及び屈折率を算出する演算部とで、
構成されることを特徴とするナノファイバーの外径および屈折率の測定装置。 A light source that emits laser light;
An optical deflector that converts laser light into vertical polarization or horizontal horizontal polarization perpendicular to the length direction of the object to be measured;
A support base for supporting and fixing a measurement object provided in a fixed state on the optical axis of the laser beam;
A detector that detects the scattered light intensity of the laser light scattered by the object to be measured and outputs it to the outside. The detector rotates to reach a predetermined scattering angle, and the scattering angle is output to the outside. And
With the calculation unit that calculates the calculated scattered light intensity and deviation index from the scattering angle and scattered light intensity output from the sample rotation stage and the detector, and calculates the outer diameter and refractive index of the object to be measured,
An apparatus for measuring the outer diameter and refractive index of a nanofiber, characterized in that it is configured.
レーザ光を被測定物長さ方向に対して垂直な垂直偏光、若しくは水平な水平偏光とする光偏向部と、
レーザ光の光軸上に、固定状態で備わる被測定物を支持固定する支持台と、
被測定物により散乱されたレーザ光の散乱光強度を検出して外部に出力する検出器が前記支持台の周囲に円周上に、散乱角度となる所定角度で少なくとも2基以上備えられる検出部と、
前記検出器より出力される散乱角度および散乱光強度から計算散乱光強度と偏差指標を算出して被測定物の外径及び屈折率を算出する演算部とで、
構成されることを特徴とするナノファイバーの外径および屈折率の測定装置。
A light source that emits laser light;
An optical deflector that converts laser light into vertical polarization or horizontal horizontal polarization perpendicular to the length direction of the object to be measured;
A support base for supporting and fixing a measurement object provided in a fixed state on the optical axis of the laser beam;
At least two detectors that detect the scattered light intensity of the laser light scattered by the object to be measured and output it to the outside are provided around the support base on the circumference at a predetermined angle as a scattering angle. When,
With a calculation unit that calculates the calculated scattered light intensity and deviation index from the scattering angle and scattered light intensity output from the detector to calculate the outer diameter and refractive index of the object to be measured,
An apparatus for measuring the outer diameter and refractive index of a nanofiber, characterized in that it is configured.
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CN102207375A (en) * | 2010-03-31 | 2011-10-05 | 梁红 | Novel device for measuring diameter of optical fiber |
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