JP2008082753A - Photoluminescence measuring instrument - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily evaluate the uniformity/non-uniformity of the distribution of carbon nanotubes (CNT) of a specific structure with respect to a membrane like sample in which carbon nanotubes (CNT) are dispersed. <P>SOLUTION: A sample stage 12 for holding the sample 13 is made movable in two axial directions of an X-axis and a Y-axis and the intensities of the photoluminescence (PL) of respective sections are measured while stepwise altering an exciting light irradiation position over the whole of the sample 13. With respect to one section, data including an exciting wavelength, a PL wavelength and PL intensity as dimensions is collected to preserve the data of all sections by a five-dimensional data collection part 22. A chiral index conversion part 23 converts a combination of the exciting wavelength and the PL wavelength to a chiral index for characterizing CNT. A mapping image forming part 24 forms a mapping image for setting vertical and lateral axes as a measuring position and displaying the PL intensity as a contour line to display it on a display part 27. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、励起光の照射に応じて試料から放出されるフォトルミネッセンスを測定するフォトルミネッセンス測定装置に関し、さらに詳しくは、試料におけるカーボンナノチューブの存在や分布状態などを評価するために特に有用なフォトルミネッセンス測定装置に関する。   The present invention relates to a photoluminescence measuring apparatus that measures photoluminescence emitted from a sample in response to irradiation of excitation light, and more particularly, a photoluminescence that is particularly useful for evaluating the presence or distribution state of carbon nanotubes in a sample. The present invention relates to a luminescence measuring device.

シングルカーボンナノチューブは炭素六員環構造が連結した1枚の網目状のシート(グラフェンシート)が筒状に丸められた構造を有しているが、この丸まり方(カイラリティ)によって物性が大きく異なる。例えば炭素の六員環がチューブの軸に沿って並んでいる場合には金属としての特性を示し、炭素の六員環が軸の周りに螺旋状に並んでいる場合には半導体としての特性を示す。したがって、カーボンナノチューブを評価する上でカイラリティを調べることは重要であり、カーボンナノチューブを含む試料の特性を把握する上でカイラリティ分布を調べることが必要である。こうしたカイラリティ分布を測定することを目的の一つとして、従来、蛍光分光測定を利用した近赤外光フォトルミネッセンス測定装置が開発されている(例えば非特許文献1参照)。   Single carbon nanotubes have a structure in which a single net-like sheet (graphene sheet) connected with a carbon six-membered ring structure is rounded into a cylindrical shape, but the physical properties differ greatly depending on the roundness (chirality). For example, when carbon six-membered rings are arranged along the axis of the tube, it shows the characteristics as a metal, and when carbon six-membered rings are arranged in a spiral around the axis, the characteristics as a semiconductor are shown. Show. Therefore, it is important to examine the chirality in evaluating the carbon nanotube, and it is necessary to examine the chirality distribution in order to grasp the characteristics of the sample containing the carbon nanotube. For the purpose of measuring such chirality distribution, a near-infrared photoluminescence measuring device using fluorescence spectroscopy has been developed (see Non-Patent Document 1, for example).

こうした装置に利用される従来の蛍光分光測定光学系は、例えば特許文献1などに開示されている。即ち、光源であるキセノンランプから発せられる白色光を励起側分光器で波長分散して取り出した特定波長の励起光を、試料室内にセットされた液体試料入りのキュベットセルや試料ホルダに保持した固体試料の中心部に照射する。この励起光の照射により試料から発せられる蛍光、燐光などによるフォトルミネッセンスは、励起光の入射光軸に対し約90°の位置に配置された蛍光側分光器に入射され、波長分散された上で波長毎にその強度が検出される。   A conventional fluorescence spectroscopic measurement optical system used for such an apparatus is disclosed in, for example, Patent Document 1. That is, solid light in which white light emitted from a xenon lamp, which is a light source, is extracted by wavelength dispersion using an excitation-side spectroscope and held in a cuvette cell or sample holder containing a liquid sample set in a sample chamber. Irradiate the center of the sample. Photoluminescence by fluorescence, phosphorescence, etc. emitted from the sample by this excitation light irradiation is incident on a fluorescence side spectrograph disposed at a position of about 90 ° with respect to the incident optical axis of the excitation light, and is wavelength-dispersed. The intensity is detected for each wavelength.

しかしながら、こうした光学系では、試料の一部分のみを励起することにより得られるフォトルミネッセンスしか測定することができない。担体中にカーボンナノチューブを分散させた後に調製又は合成して形成した薄膜などのデバイスでは、構造の異なるカーボンナノチューブが片寄って分布している可能性があるため、試料の或る1個所のみを測定した結果に基づいてカイラリティ分布を評価すると正確性を欠くことになる。こうしたことから、デバイス上の分散したカーボンナノチューブの偏在を評価・確認できる装置が強く要望されている。   However, in such an optical system, only photoluminescence obtained by exciting only a part of the sample can be measured. In the case of a device such as a thin film prepared by synthesizing or synthesizing carbon nanotubes in a carrier, carbon nanotubes with different structures may be distributed side by side, so only one part of the sample is measured. If the chirality distribution is evaluated based on the result, accuracy will be lost. For these reasons, there is a strong demand for an apparatus that can evaluate and confirm the uneven distribution of dispersed carbon nanotubes on a device.

特開2001−83093号公報JP 2001-83093 A 渡邉、大隅、池田、篠山、中川、「デベロップメント・オブ・ニア−インフラレッド・フォトルミネッセンス・スペクトロメータ(Development of Near-Infrared Photoluminescence Spectrometer)」、フラーレン・ナノチューブ研究会、第29回フラーレン・ナノチューブ総合シンポジウム講演予稿集、平成17年7月25日Watanabe, Osumi, Ikeda, Sasayama, Nakagawa, “Development of Near-Infrared Photoluminescence Spectrometer”, Fullerene Nanotubes Study Group, 29th Fullerene Nanotubes General Symposium Lecture Proceedings, July 25, 2005

本発明はこうした課題に鑑みて成されたものであり、その主たる目的は、試料に含まれる物質の分布の均一性/不均一性を容易に評価することができるフォトルミネッセンス測定装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、そうした物質の分布の均一性/不均一性を目視上分かり易くユーザーに提示することができるフォトルミネッセンス測定装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of these problems, and its main object is to provide a photoluminescence measuring apparatus that can easily evaluate the uniformity / non-uniformity of the distribution of substances contained in a sample. It is in. Another object of the present invention is to provide a photoluminescence measuring apparatus capable of presenting the uniformity / non-uniformity of such a material distribution to a user in an easy-to-understand manner.

上記課題を解決するために成された本発明は、試料に所定波長の励起光を照射する照射手段と、その励起光の照射に応じて試料から放出されるフォトルミネッセンスの強度を検出する検出手段と、を具備するフォトルミネッセンス測定装置において、
a)試料上での励起光の照射位置が変更可能であるように該試料を二次元的に移動するための試料移動手段と、
b)該試料移動手段により試料上での励起光照射位置が変更される毎に前記検出手段により検出されるフォトルミネッセンス強度に基づいて、試料中の含有物質の二次元的な存在の均一性/不均一性を反映した情報を作成する処理手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an irradiation unit that irradiates a sample with excitation light having a predetermined wavelength, and a detection unit that detects the intensity of photoluminescence emitted from the sample in response to the excitation light irradiation. In a photoluminescence measuring device comprising:
a) sample moving means for moving the sample two-dimensionally so that the irradiation position of the excitation light on the sample can be changed;
b) Based on the photoluminescence intensity detected by the detecting means each time the excitation light irradiation position on the sample is changed by the sample moving means, the uniformity of the two-dimensional presence / absence of the contained substance in the sample / Processing means for creating information reflecting non-uniformity;
It is characterized by having.

本発明に係るフォトルミネッセンス測定装置において、例えば試料移動手段は平板状や薄膜状の試料を保持する試料保持部を、その試料の広がり面内で互いに直交する二軸方向(X軸方向、Y軸方向)にそれぞれ移動させる移動機構とすることができる。照射手段により試料上に照射される励起光のスポットがX軸方向、Y軸方向にそれぞれ所定長さd1、d2の略矩形状である場合、上記移動機構は試料保持部をX軸方向、Y軸方向にそれぞれd1、d2ずつステップ状に移動可能であるようにすれば、試料の二次元面全体についてのフォトルミネッセンス強度の測定を漏れなく行うようにすることができる。   In the photoluminescence measuring apparatus according to the present invention, for example, the sample moving means includes a sample holding unit for holding a flat or thin film sample in a biaxial direction (X-axis direction, Y-axis) orthogonal to each other within the spreading surface of the sample. It is possible to provide a moving mechanism that moves each in the direction). When the spot of excitation light irradiated on the sample by the irradiation means has a substantially rectangular shape with predetermined lengths d1 and d2 in the X-axis direction and the Y-axis direction, the moving mechanism moves the sample holder in the X-axis direction and Y If the d1 and d2 can be moved stepwise in the axial direction, the photoluminescence intensity can be measured for the entire two-dimensional surface of the sample without omission.

例えばシングルカーボンナノチューブを含む試料を測定対象とした場合、異なる構造や特性のカーボンナノチューブはそれぞれ特有の励起波長とフォトルミネッセンス波長との組み合わせにおいてフォトルミネッセンス強度ピークを持つことが知られている。そこで、励起光の波長を走査し、フォトルミネッセンス強度ピークが発生するような励起波長とフォトルミネッセンス波長との組み合わせを調べることで、その試料上の測定範囲(励起光照射範囲)に存在するカーボンナノチューブの種類を知ることができる。即ち、処理手段は、前述のように試料を試料移動手段により移動させて試料上での励起光照射位置を走査しながら上記測定を繰り返すことにより取得したデータに基づいて、試料上での特定の種類のカーボンナノチューブの分布状況、つまり均一性/不均一性を反映した情報を作成することができる。   For example, when a sample including a single carbon nanotube is used as a measurement object, it is known that carbon nanotubes having different structures and characteristics each have a photoluminescence intensity peak in a combination of a specific excitation wavelength and a photoluminescence wavelength. Therefore, by scanning the wavelength of the excitation light and examining the combination of the excitation wavelength and the photoluminescence wavelength at which a photoluminescence intensity peak occurs, the carbon nanotubes present in the measurement range (excitation light irradiation range) on the sample You can know the kind of. That is, the processing means moves the sample by the sample moving means as described above and, based on the data obtained by repeating the above measurement while scanning the excitation light irradiation position on the sample, the processing means It is possible to create information reflecting the distribution status of the types of carbon nanotubes, that is, uniformity / non-uniformity.

また一般にカーボンナノチューブの構造や特性はカイラル指数(n,m)で表現される。そこで、本発明に係るフォトルミネッセンス測定装置の一実施態様において、前記処理手段は、励起光の波長を走査することで、試料上の測定位置情報(例えばX軸方向及びY軸方向の位置)、励起波長、フォトルミネッセンス波長、フォトルミネッセンス強度、を組とするデータを収集し、励起波長とフォトルミネッセンス波長との組み合わせをカーボンナノチューブを特徴付けるカイラル指数に変換し、各カイラル指数毎に試料上でのフォトルミネッセンス強度の分布を示す画像情報を作成する構成とすることができる。   In general, the structure and characteristics of carbon nanotubes are represented by chiral indices (n, m). Therefore, in one embodiment of the photoluminescence measuring apparatus according to the present invention, the processing means scans the wavelength of the excitation light, thereby measuring position information on the sample (for example, positions in the X-axis direction and the Y-axis direction), Collects data that combines excitation wavelength, photoluminescence wavelength, and photoluminescence intensity, converts the combination of excitation wavelength and photoluminescence wavelength into a chiral index that characterizes carbon nanotubes, and creates a photo on the sample for each chiral index. It can be set as the structure which produces the image information which shows distribution of luminescence intensity | strength.

この構成では、処理手段において励起波長とフォトルミネッセンス波長との組み合わせを一義的に対応するカイラル指数に変換する。そして、カイラル指数毎につまりはカーボンナノチューブの種類(構造や特性の相違)毎に、試料上でのフォトルミネッセンス強度の分布そのもの、或いは該強度を変換した指標の分布を表す画像情報を作成し、これを例えば表示部の画面に表示することでユーザーに提示する。前述のようにカイラル指数はシングルカーボンナノチューブの構造を示すものであるから、ユーザーは上記表示情報に基づいて試料に分散しているシングルカーボンナノチューブの分布状況を容易に確認することができる。   In this configuration, the combination of the excitation wavelength and the photoluminescence wavelength is uniquely converted into a corresponding chiral index in the processing means. Then, for each chiral index, that is, for each type of carbon nanotube (difference in structure and characteristics), image information representing the distribution of the photoluminescence intensity on the sample itself or the distribution of the index converted from the intensity is created, This is displayed to the user by displaying it on the screen of the display unit, for example. As described above, since the chiral index indicates the structure of the single carbon nanotube, the user can easily confirm the distribution state of the single carbon nanotube dispersed in the sample based on the display information.

以上のように本発明に係るフォトルミネッセンス測定装置によれば、或る程度のサイズや広がりを有する試料の一部のみならず、その全体又は所望の範囲についてカーボンナノチューブなどの含有物質の分布状況を知ることができ、該物質が均一に分布しているか、特定の部位に片寄って分布しているか、などを容易に評価することができる。特に本発明の上記実施態様の構成によれば、シングルカーボンナノチューブの種類毎の分布状況を一目で確認することができるので、例えば作製したデバイスの評価を簡便に且つ効率的に行うことができる。   As described above, according to the photoluminescence measuring apparatus according to the present invention, not only a part of a sample having a certain size and spread, but also the distribution state of contained substances such as carbon nanotubes in the whole or a desired range. It is possible to know, and it is possible to easily evaluate whether the substance is distributed uniformly, whether it is distributed to a specific site, or the like. In particular, according to the configuration of the above-described embodiment of the present invention, the distribution state of each type of single carbon nanotube can be confirmed at a glance, and thus, for example, the fabricated device can be evaluated easily and efficiently.

以下、本発明に係るフォトルミネッセンス測定装置の一実施例について図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of a photoluminescence measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本実施例によるフォトルミネッセンス測定装置の要部の概略構成図である。キセノンランプを含む光源部10から出射した白色光は励起側分光器11で波長分散され、特定の波長を有する光が選択されて試料ステージ12に保持されている試料13に励起光として照射される(本発明における照射手段に相当)。励起側分光器11で取り出される光の波長は制御部25からの指令に応じて所定波長範囲λ1〜λ2内で走査可能となっている。ここでは試料13としてはシングルカーボンナノチューブが分散された薄膜状のデバイスを想定しているが、これに限るものではない。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of the photoluminescence measuring apparatus according to the present embodiment. White light emitted from the light source unit 10 including a xenon lamp is wavelength-dispersed by the excitation-side spectroscope 11, and light having a specific wavelength is selected and irradiated to the sample 13 held on the sample stage 12 as excitation light. (Corresponding to the irradiation means in the present invention). The wavelength of the light extracted by the excitation-side spectroscope 11 can be scanned within a predetermined wavelength range λ1 to λ2 in accordance with a command from the control unit 25. Here, the sample 13 is assumed to be a thin film device in which single carbon nanotubes are dispersed, but is not limited thereto.

励起光の照射に応じて試料13から発生する蛍光や燐光などによるフォトルミネッセンスは蛍光側分光器14に導入され、波長分散されて検出器15に入射される。ここで検出器15は多数の受光素子がアレイ状に配列された構造のものであり、フォトルミネッセンスに由来する所定波長範囲の分散光は一斉に検出されて波長毎の強度に応じた検出信号が出力される。   Photoluminescence generated by fluorescence or phosphorescence generated from the sample 13 in response to the excitation light irradiation is introduced into the fluorescence-side spectroscope 14, wavelength-dispersed, and incident on the detector 15. Here, the detector 15 has a structure in which a large number of light receiving elements are arranged in an array. Dispersed light in a predetermined wavelength range derived from photoluminescence is detected all at once, and a detection signal corresponding to the intensity for each wavelength is generated. Is output.

試料ステージ12は互いに直交するX軸、Y軸の2軸方向にそれぞれ移動可能な構造となっており、それぞれステッピングモータ等の駆動源を含むステージX軸駆動部16、ステージY軸駆動部17(本発明における試料移動手段に相当)により制御部25の指令に応じて移動される。励起側分光器11の位置は固定されており励起光の照射位置は決まっているから、試料ステージ12がX軸、Y軸方向に移動されることで試料13上で励起光が当たる領域は二次元的に移動する。   The sample stage 12 has a structure that can move in two directions, ie, an X axis and a Y axis that are orthogonal to each other. The stage X axis drive unit 16 and the stage Y axis drive unit 17 (including a drive source such as a stepping motor) It corresponds to the sample moving means in the present invention) and is moved according to the command of the control unit 25. Since the position of the excitation side spectroscope 11 is fixed and the irradiation position of the excitation light is determined, there are two regions where the excitation light hits the sample 13 by moving the sample stage 12 in the X-axis and Y-axis directions. Move dimensionally.

検出器15による検出信号はA/D変換器20によりデジタルデータに変換され、データ処理部21に入力される。データ処理部21は、機能として、5次元データ収集部22、カイラル指数変換部23、マッピング画像作成部24を含み、これら各部で得られたデータや結果は必要に応じて表示部27の画面上に表示される。このデータ処理部21及び全体の制御を司る制御部25はパーソナルコンピュータ(PC)28で具現化することができ、このPC28にインストールされた専用の制御/処理ソフトウエアを実行することでその機能を実現することができる。   A detection signal from the detector 15 is converted into digital data by the A / D converter 20 and input to the data processing unit 21. The data processing unit 21 includes, as functions, a five-dimensional data collection unit 22, a chiral index conversion unit 23, and a mapping image creation unit 24. Data and results obtained by these units are displayed on the screen of the display unit 27 as necessary. Is displayed. The data processing unit 21 and the control unit 25 that controls the entire system can be realized by a personal computer (PC) 28, and the function is executed by executing dedicated control / processing software installed in the PC 28. Can be realized.

図2は励起側分光器11及び蛍光側分光器14を含む測光系の詳細な光路構成図である。図示しないキセノンランプからの出射光はコリメートレンズによりコリメートされた状態で図2の右方から導入され、レンズ30で集光され、スリット31を通過して、ミラー32、第1回折格子33、トロイダル鏡34、スリット35、第2回折格子36から成るダブルモノクロメータで波長分散される。そして特定の波長を有する光がスリット37を通過し、ミラー38及びトロイダル鏡39を経て試料ステージ12にセットされた試料13に励起光として照射される。スリット37の開口像が試料13上に投影され、励起光の照射領域は矩形状となる。第2回折格子36は回動可能となっており、この回動によってスリット37の開口に到達する光の波長が変化し、それにより励起光の波長走査が達成される。   FIG. 2 is a detailed optical path configuration diagram of the photometry system including the excitation side spectroscope 11 and the fluorescence side spectroscope 14. Light emitted from a xenon lamp (not shown) is collimated by a collimating lens and is introduced from the right side of FIG. 2, collected by the lens 30, passes through the slit 31, passes through the mirror 32, the first diffraction grating 33, and the toroidal. Wavelength dispersion is performed by a double monochromator comprising a mirror 34, a slit 35, and a second diffraction grating 36. Then, light having a specific wavelength passes through the slit 37 and is irradiated as excitation light to the sample 13 set on the sample stage 12 through the mirror 38 and the toroidal mirror 39. An opening image of the slit 37 is projected onto the sample 13, and the irradiation area of the excitation light is rectangular. The second diffraction grating 36 can be rotated, and the wavelength of the light reaching the opening of the slit 37 is changed by this rotation, whereby the wavelength scanning of the excitation light is achieved.

この励起光の照射を受けて試料13から発せられたフォトルミネッセンスはトロイダル鏡40で集光され、2つのミラー41、42を経て、トロイダル鏡43、ミラー44、スリット45、ミラー46、回折格子47、ミラー48から成るポリクロメータにより波長分散される。分散光はシリンドリカルレンズ49で紙面に直交する方向に集光され、分散状態を維持して検出器15に入射する。検出器15は例えばインジウムガリウムヒ素(InGaAs)アレイ検出器を利用することができる。   Photoluminescence emitted from the sample 13 upon irradiation with the excitation light is collected by the toroidal mirror 40, passes through the two mirrors 41 and 42, and then the toroidal mirror 43, mirror 44, slit 45, mirror 46, and diffraction grating 47. And wavelength dispersion by a polychromator comprising a mirror 48. The dispersed light is condensed in a direction orthogonal to the paper surface by the cylindrical lens 49 and is incident on the detector 15 while maintaining the dispersed state. For example, an indium gallium arsenide (InGaAs) array detector can be used as the detector 15.

図3は試料ステージ12の概略斜視図である。試料13を保持する可動部121は固定部122に対し、図示しないガイドなどに沿ってX軸、Y軸の2軸方向にそれぞれ直線的に移動可能となっている。薄膜状の試料13は可動部121に対し板バネ123による付勢力で押圧されることにより保持され、この試料13の表面にほぼ垂直に励起光が照射される。   FIG. 3 is a schematic perspective view of the sample stage 12. The movable part 121 that holds the sample 13 can move linearly with respect to the fixed part 122 in two axial directions of the X axis and the Y axis along a guide (not shown). The thin film sample 13 is held by being pressed against the movable portion 121 by the urging force of the leaf spring 123, and the surface of the sample 13 is irradiated with excitation light substantially perpendicularly.

図4は試料13の測定範囲全体を示す平面図である。試料13上での励起光照射範囲はd1×d2の矩形状であり、このd1×d2を1区画のサイズとして試料13上を格子状に区画して考える。即ち、この区画毎に励起光が照射されるように試料ステージ12の可動部121をX軸方向及びY軸方向にステップ状に移動させることで、測定範囲全体を漏れなくカバーしながら各区画のフォトルミネッセンスを測定することができる。なお、各区画は〔x,y〕のアドレス座標で表現するものとする。   FIG. 4 is a plan view showing the entire measurement range of the sample 13. The excitation light irradiation range on the sample 13 is a rectangular shape of d1 × d2, and the sample 13 is considered to be partitioned in a lattice shape with this d1 × d2 as the size of one partition. That is, the movable part 121 of the sample stage 12 is moved stepwise in the X-axis direction and the Y-axis direction so that excitation light is irradiated for each section, so that the entire measurement range is covered without omission. Photoluminescence can be measured. Each section is expressed by address coordinates [x, y].

次に、本装置において試料全体のフォトルミネッセンスの測定の手順を図5のフローチャートに従って説明する。   Next, the procedure for measuring the photoluminescence of the entire sample in this apparatus will be described with reference to the flowchart of FIG.

測定が開始されると、制御部25は試料13が初期位置にセットされるように駆動部16、17に指令を送り、これに応じて試料13上の区画〔0,0〕に励起光が当たるように試料ステージ12の可動部121は移動される(ステップS1)。その状態で励起側分光器11は制御部25の指令に基づいて、励起波長範囲λ1〜λ2の下限波長λ1(又は上限波長λ2でもよい)の光が取り出されるように設定を行い励起光を試料13に照射する(ステップS2)。励起光は試料13上の区画〔0,0〕に当たり(図4参照)、その範囲からフォトルミネッセンスが発せられてその強度スペクトル(フォトルミネッセンス波長(以下PL波長という)−フォトルミネッセンス強度(以下PL強度という))が検出器15で検出される。実際には、1つの励起波長毎に指定された積算時間だけ励起光を当て続け、それに対応して得られるフォトルミネッセンスによる電荷信号を蓄積することでPL強度を得る(ステップS3)。   When the measurement is started, the control unit 25 sends a command to the drive units 16 and 17 so that the sample 13 is set at the initial position, and in response to this, the excitation light is sent to the section [0, 0] on the sample 13. The movable part 121 of the sample stage 12 is moved so as to hit (step S1). In this state, the excitation-side spectroscope 11 is set so that light of the lower limit wavelength λ1 (or may be the upper limit wavelength λ2) of the excitation wavelength range λ1 to λ2 is extracted based on the command of the control unit 25 and the excitation light is sampled. 13 is irradiated (step S2). The excitation light hits the section [0, 0] on the sample 13 (see FIG. 4), and photoluminescence is emitted from the range, and its intensity spectrum (photoluminescence wavelength (hereinafter referred to as PL wavelength) -photoluminescence intensity (hereinafter referred to as PL intensity). Is detected by the detector 15. In practice, the PL intensity is obtained by continuing to apply excitation light for the integration time designated for each excitation wavelength and accumulating charge signals by photoluminescence obtained correspondingly (step S3).

1つの励起波長についての測定を終えたら、励起波長が上限波長λ2(ステップS2で上限波長λ2とした場合には下限波長λ1)であるか否かを判定し(ステップS4)、上限波長λ2でなければ励起波長を所定の波長ステップ幅Δλだけ変更して(ステップS5)ステップS3へと戻る。そして、上述のように試料13上の区画〔0,0〕に励起光を照射して、励起波長変更後のPL強度を測定する。ステップS3→S4→S5の処理を繰り返し、励起波長が上限波長λ2に達するとステップS4からS5へと進み、今度は試料13が最終位置にあるか否かを判定する。   When the measurement for one excitation wavelength is completed, it is determined whether or not the excitation wavelength is the upper limit wavelength λ2 (the lower limit wavelength λ1 when the upper limit wavelength λ2 is set in step S2) (step S4), and the upper limit wavelength λ2 is set. If not, the excitation wavelength is changed by a predetermined wavelength step width Δλ (step S5), and the process returns to step S3. Then, as described above, the section [0, 0] on the sample 13 is irradiated with excitation light, and the PL intensity after changing the excitation wavelength is measured. Steps S3 → S4 → S5 are repeated, and when the excitation wavelength reaches the upper limit wavelength λ2, the process proceeds from step S4 to S5, and it is determined whether or not the sample 13 is at the final position.

ここでは、図4における試料13上の区画〔xp,yq〕を最終位置とし、この区画のフォトルミネッセンスの測定が終了したならば全測定終了とする。試料13上での測定位置が最終位置に達していなければ、上述したように駆動部16、17に指令を与えることで試料ステージ12の可動部121をX軸方向、Y軸方向又はその両方に移動させることで、試料13上の励起光照射位置を次の区画に移動させ(ステップS7)ステップS2へ戻る。図4に示した全ての区画についてそれぞれフォトルミネッセンス測定を行いさえすれば、各区画の移動手順は任意である。いずれにしてもステップS2〜S7の処理を繰り返すことで、各区画で上述したようなフォトルミネッセンスの測定を行うことができる。   Here, the section [xp, yq] on the sample 13 in FIG. 4 is set as the final position, and when the measurement of the photoluminescence in this section is completed, the entire measurement is completed. If the measurement position on the sample 13 has not reached the final position, the movable unit 121 of the sample stage 12 is moved in the X-axis direction, the Y-axis direction, or both by giving commands to the drive units 16 and 17 as described above. By moving, the excitation light irradiation position on the sample 13 is moved to the next section (step S7), and the process returns to step S2. As long as the photoluminescence measurement is performed for all the sections shown in FIG. 4, the moving procedure of each section is arbitrary. In any case, by repeating the processes of steps S2 to S7, the photoluminescence as described above can be measured in each section.

上述したステップS3〜S5の繰り返しにより得られるデータは、励起波長、PL波長、及びPL強度の3つのディメンジョンを持つデータであるが、これに測定対象の区画を示すX軸方向アドレス0〜xp、Y軸方向アドレス0〜yq(又はX軸座標、Y軸座標)が加わるから、5つのディメンジョンを持つデータとなる。即ち、上述のようなフォトルミネッセンス測定により、データ処理部21において5次元データ収集部22によりこうした5つのディメンジョンを持つデータが収集されて保存される。   Data obtained by repeating steps S3 to S5 described above is data having three dimensions of an excitation wavelength, a PL wavelength, and a PL intensity. Since Y-axis direction addresses 0 to yq (or X-axis coordinates, Y-axis coordinates) are added, the data has five dimensions. That is, by the photoluminescence measurement as described above, the data processing unit 21 collects and stores data having these five dimensions by the five-dimensional data collection unit 22.

測定対象である試料13に含まれるシングルカーボンナノチューブにはカイラリティが相違する幾つもの種類が存在し、それぞれ特有の励起波長とPL波長との組み合わせにおいてPL強度ピークが観測できることが知られている。したがって、例えば図6(a)に示すように、縦軸に励起波長、横軸にPL波長、紙面に垂直な軸にPL強度をとった3次元グラフを、各区画毎に作成することができる。また、特定の励起波長に着目して、図6(b)に示すように、縦軸にPL強度、横軸にPL波長をとった2次元グラフを作成することもできる。   It is known that there are several types of single carbon nanotubes included in the sample 13 to be measured, which have different chiralities, and a PL intensity peak can be observed in each combination of a specific excitation wavelength and a PL wavelength. Therefore, for example, as shown in FIG. 6 (a), a three-dimensional graph having the excitation wavelength on the vertical axis, the PL wavelength on the horizontal axis, and the PL intensity on the axis perpendicular to the paper surface can be created for each section. . Further, focusing on a specific excitation wavelength, as shown in FIG. 6B, a two-dimensional graph can be created with the PL intensity on the vertical axis and the PL wavelength on the horizontal axis.

またシングルカーボンナノチューブの構造や特性の相違はカイラリティの指標であるカイラル指数(n,m)で以て定義される。つまり、励起波長とPL波長との組み合わせとカイラル指数とは一対一に対応している。例えば図7は図6(a)のような3次元グラフを実測結果に基づいて作成したものであるが、図中で特定のシングルカーボンナノチューブが存在する場合に○印で示す座標にPL強度ピークが存在することを示している。こうしたことから、励起波長とPL波長との組み合わせはカイラル指数に置き換えることができ、カイラル指数変換部23ではこのような変換を行って、カイラル指数、X軸方向アドレス、Y軸方向アドレス、PL強度、というディメンジョンを持つデータに変換する。シングルカーボンナノチューブの評価の場合には、カイラル指数を用いたほうがデータを取り扱い易いため、このように変換したデータを改めて保存するようにするとよい。   The difference in structure and characteristics of single carbon nanotubes is defined by the chiral index (n, m) which is an index of chirality. That is, the combination of the excitation wavelength and the PL wavelength and the chiral index have a one-to-one correspondence. For example, FIG. 7 shows a three-dimensional graph as shown in FIG. 6 (a) created based on the actual measurement results. When a specific single carbon nanotube is present in the figure, the PL intensity peak is indicated at the coordinates indicated by a circle. Indicates that exists. For this reason, the combination of the excitation wavelength and the PL wavelength can be replaced with a chiral index, and the chiral index conversion unit 23 performs such conversion to obtain the chiral index, the X-axis direction address, the Y-axis direction address, and the PL intensity. , It is converted to data with the dimension. In the case of evaluation of single carbon nanotubes, it is easier to handle the data using the chiral index, so it is preferable to store the converted data again.

マッピング画像作成部24は、カイラル指数毎に、X軸方向アドレス、Y軸方向アドレス、PL強度、のディメンジョンを持つデータを整理し、横軸にX軸方向アドレス、縦軸にY軸方向アドレスをとり、PL強度を等高線表示、濃淡表示、又は色違い表示するような、試料13の測定範囲に対応したマッピング画像を作成する。図8はこうして作成されるマッピング画像の一例である。このマッピング画像によれば、任意のカイラル指数を持つシングルカーボンナノチューブが、試料13の測定範囲全体でどのように分布しているのか、を一目で確認することができ、特定の構造のシングルカーボンナノチューブの偏在や均一性を容易に評価することができる。   The mapping image creation unit 24 organizes data having dimensions of the X-axis direction address, the Y-axis direction address, and the PL intensity for each chiral index, and the horizontal axis indicates the X-axis direction address and the vertical axis indicates the Y-axis direction address. Then, a mapping image corresponding to the measurement range of the sample 13 is created so that the PL intensity is displayed in contour lines, shades, or different colors. FIG. 8 is an example of the mapping image created in this way. According to this mapping image, it is possible to confirm at a glance how single carbon nanotubes having an arbitrary chiral index are distributed over the entire measurement range of the sample 13, and single carbon nanotubes having a specific structure can be confirmed. Can be easily evaluated.

具体的には、表示部27の画面上に表示する操作ウインドウ上に、表示したいカイラル指数を入力又は選択できる操作子を設けておき、ユーザーが操作部26よりカイラル指数を設定すると、マッピング画像作成部24はカイラル指数変換部23で変換されたデータに基づいて指定されたカイラル指数のマッピング画像を作成する。その際に、PL強度をそれぞれ正規化し、その強度の最大値を赤色、最小値を青色として、強度の中間値を赤色と青色との中間色で等高線表示するようにするとよい。この場合、全体が同一色で表示されればシングルカーボンナノチューブの分散が均一であることになり、部分的に色が相違すると分散にむらがあることが分かる。特に薄膜などのデバイスの欠陥を評価する際に、上記表示は一目でその確認が可能であるために非常に有用である。   Specifically, an operator that can input or select a chiral index to be displayed is provided on an operation window displayed on the screen of the display unit 27, and when the user sets a chiral index from the operation unit 26, a mapping image is created. The unit 24 creates a mapping image of the designated chiral index based on the data converted by the chiral index conversion unit 23. At that time, the PL intensity is normalized, and the maximum value of the intensity is set to red, the minimum value is set to blue, and the intermediate value of the intensity is displayed in a contour line with an intermediate color between red and blue. In this case, if the whole is displayed in the same color, the dispersion of the single carbon nanotubes is uniform, and if the colors are partially different, it can be seen that the dispersion is uneven. In particular, when evaluating a defect of a device such as a thin film, the above display is very useful because it can be confirmed at a glance.

なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更、修正、追加を行えることは明らかである。   The above-described embodiment is merely an example of the present invention, and it is apparent that changes, modifications, and additions can be made as appropriate within the scope of the present invention.

本発明の一実施例によるフォトルミネッセンス測定装置の要部の概略構成図。The schematic block diagram of the principal part of the photo-luminescence measuring apparatus by one Example of this invention. 励起側分光器及び蛍光側分光器を含む測光系の詳細な光路構成図。The detailed optical path block diagram of the photometry system containing an excitation side spectroscope and a fluorescence side spectroscope. 試料ステージの概略斜視図。The schematic perspective view of a sample stage. 試料の測定範囲全体を示す平面図。The top view which shows the whole measurement range of a sample. 試料全体のフォトルミネッセンスの測定の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of the measurement of the photoluminescence of the whole sample. 励起波長、PL波長、PL強度をディメンジョンとする3次元グラフ(a)、特定の励起波長におけるPL波長、PL強度をディメンジョンとする2次元グラフ(b)。A three-dimensional graph (a) with dimensions of excitation wavelength, PL wavelength, and PL intensity, and a two-dimensional graph (b) with dimensions of PL wavelength and PL intensity at a specific excitation wavelength. 実測結果に基づく励起波長、PL波長、PL強度の3次元グラフの一例を示す図。The figure which shows an example of the three-dimensional graph of the excitation wavelength, PL wavelength, and PL intensity based on a measurement result. 或るカイラル指数における強度分布を示すマッピング画像の一例を示す図。The figure which shows an example of the mapping image which shows intensity distribution in a certain chiral index.

符号の説明Explanation of symbols

10…光源部
11…励起側分光器
12…試料ステージ
121…可動部
122…固定部
123…板バネ
13…試料
14…蛍光側分光器
15…検出器
16…ステージX軸駆動部
17…ステージY軸駆動部
20…A/D変換器
21…データ処理部
22…5次元データ収集部
23…カイラル指数変換部
24…マッピング画像作成部
25…制御部
26…操作部
27…表示部
28…パーソナルコンピュータ(PC)
30…レンズ
31、35、37、45…スリット
32、38、41、44、46、48…ミラー
33、36、47…回折格子
34、39、40、43…トロイダル鏡
49…シリンドリカルレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light source part 11 ... Excitation side spectroscope 12 ... Sample stage 121 ... Movable part 122 ... Fixed part 123 ... Plate spring 13 ... Sample 14 ... Fluorescence side spectroscope 15 ... Detector 16 ... Stage X-axis drive part 17 ... Stage Y Axis drive unit 20 ... A / D converter 21 ... data processing unit 22 ... 5-dimensional data collection unit 23 ... chiral index conversion unit 24 ... mapping image creation unit 25 ... control unit 26 ... operation unit 27 ... display unit 28 ... personal computer (PC)
30 ... Lens 31, 35, 37, 45 ... Slit 32, 38, 41, 44, 46, 48 ... Mirror 33, 36, 47 ... Diffraction grating 34, 39, 40, 43 ... Toroidal mirror 49 ... Cylindrical lens

Claims (2)

試料に所定波長の励起光を照射する照射手段と、その励起光の照射に応じて試料から放出されるフォトルミネッセンスの強度を検出する検出手段と、を具備するフォトルミネッセンス測定装置において、
a)試料上での励起光の照射位置が変更可能であるように該試料を二次元的に移動するための試料移動手段と、
b)該試料移動手段により試料上での励起光照射位置が変更される毎に前記検出手段により検出されるフォトルミネッセンス強度に基づいて、試料中の含有物質の二次元的な存在の均一性/不均一性を反映した情報を作成する処理手段と、
を備えることを特徴とするフォトルミネッセンス測定装置。
In a photoluminescence measuring apparatus comprising: an irradiating unit that irradiates a sample with excitation light of a predetermined wavelength; and a detecting unit that detects the intensity of photoluminescence emitted from the sample in response to the irradiation of the excitation light.
a) sample moving means for moving the sample two-dimensionally so that the irradiation position of the excitation light on the sample can be changed;
b) Based on the photoluminescence intensity detected by the detecting means each time the excitation light irradiation position on the sample is changed by the sample moving means, the uniformity of the two-dimensional presence / absence of the contained substance in the sample / Processing means for creating information reflecting non-uniformity;
A photoluminescence measuring device comprising:
カーボンナノチューブを含む試料を測定対象とし、前記処理手段は、励起光の波長を走査することで、試料上の測定位置情報、励起波長、フォトルミネッセンス波長、フォトルミネッセンス強度、を組とするデータを収集し、励起波長とフォトルミネッセンス波長の組み合わせをカーボンナノチューブを特徴付けるカイラル指数に変換し、各カイラル指数毎に試料上でのフォトルミネッセンス強度の分布を示す画像情報を作成することを特徴とする請求項1に記載のフォトルミネッセンス測定装置。   A sample containing carbon nanotubes is a measurement target, and the processing means collects data including a set of measurement position information, excitation wavelength, photoluminescence wavelength, and photoluminescence intensity on the sample by scanning the wavelength of excitation light. The combination of the excitation wavelength and the photoluminescence wavelength is converted into a chiral index characterizing the carbon nanotube, and image information indicating the distribution of the photoluminescence intensity on the sample is created for each chiral index. The photoluminescence measuring device according to 1.
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