JP7061765B2 - Thin film measuring method and measuring device - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 小泉智、岡隆史、一和多広子「膜厚方向のミクロ構造と物質移動を計測する斜入射中性子散乱法」第24回燃料電池シンポジウム、平成29年5月26日発表Application of
本発明は、薄膜の測定に関し、特に中性子小角散乱法を用いた薄膜測定に関する。 The present invention relates to the measurement of a thin film, and particularly to the measurement of a thin film using a small-angle neutron scattering method.
物質の非破壊検査に、X線、γ線、中性子線等の放射線が用いられている。X線は原子の持つ電子によって散乱されるのに対し、中性子線は原子核によって散乱される。X線小角散乱法は原子番号の大きい原子ほど感度が高くなるが、各原子の中性子に対する散乱能はほぼ同じオーダーの大きさである。一方、中性子による構造解析は、水素原子をはじめとする質量の軽い元素の観察に有効である。また、中性子は水素と重水素などの同位体を区別して評価することができる。 Radiation such as X-rays, γ-rays, and neutrons is used for non-destructive inspection of substances. X-rays are scattered by the electrons of the atom, while neutrons are scattered by the atomic nucleus. The small-angle X-ray scattering method has higher sensitivity for atoms with a larger atomic number, but the scattering ability of each atom to neutrons is on the order of magnitude. On the other hand, structural analysis using neutrons is effective for observing light-mass elements such as hydrogen atoms. In addition, neutrons can be evaluated by distinguishing isotopes such as hydrogen and deuterium.
中性子散乱法を用いたタンパク質の形態変化に起因する疾患の診断方法が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。この方法は、重水中に溶解または分散した披検タンパク質に冷中性子を照射し、冷中性子の散乱から被検タンパク質の形態を測定する。 A method for diagnosing a disease caused by a change in protein morphology using a neutron scattering method has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this method, the test protein dissolved or dispersed in heavy water is irradiated with cold neutrons, and the morphology of the test protein is measured from the scattering of the cold neutrons.
皮膚等の生体薄膜の表面特性の評価は、様々な分野で有用である。たとえば、皮膚の水分状態を測定することで、肌のうるおいの程度を評価することができる。皮膚の最外層にある角層は、生命活動の維持に必要なバリア機能や保湿機能を備えており、角層の正確な測定は美容・化粧品の分野だけでなく、医療、製薬の分野でも重要な課題である。 Evaluation of the surface properties of biological thin films such as skin is useful in various fields. For example, by measuring the water content of the skin, the degree of moisture of the skin can be evaluated. The outermost layer of the skin, the stratum corneum, has barrier and moisturizing functions necessary for maintaining vital activity, and accurate measurement of the stratum corneum is important not only in the fields of beauty and cosmetics, but also in the fields of medicine and pharmaceuticals. Is a challenge.
非生体の有機または無機の薄膜は、再生医療、燃料電池、光学ディスプレイ等、多様な分野に用いられている。これらの薄膜の表面構造は、適用される治療の効果やデバイスの性能に影響する。非生体の薄膜においても、生体薄膜と同様に、表面状態の正確な測定・評価が求められている。 Non-living organic or inorganic thin films are used in various fields such as regenerative medicine, fuel cells, and optical displays. The surface structure of these thin films affects the effectiveness of the treatment applied and the performance of the device. Similar to the biological thin film, the non-living thin film is also required to accurately measure and evaluate the surface state.
薄膜表面の組成、物質濃度等の状態を定量化して正確に測定することができれば、様々な分野で有用である。特に、水素のような軽元素を含む薄膜の表面状態を非破壊で精度良く測定、評価できる手法が望まれる。 It is useful in various fields if the state such as the composition of the thin film surface and the substance concentration can be quantified and accurately measured. In particular, a method capable of non-destructively and accurately measuring and evaluating the surface state of a thin film containing a light element such as hydrogen is desired.
本発明は、薄膜の表面の状態を精度良く測定し定量化することのできる手法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method capable of accurately measuring and quantifying the state of the surface of a thin film.
上記課題を解決するために、中性子線の小角散乱を利用して薄膜の表面の状態を測定する。具体的には、薄膜測定方法は、
シリコンの第1基板と、1以上の貫通開口を有する第2基板の間に薄膜試料を配置し、
前記第2基板で、前記薄膜試料の第1の面を前記第1基板に対して押圧し、
前記貫通開口から前記薄膜試料の前記第1の面と反対側の第2の面に少なくとも1種類の物質を含む気体または液体を供給しながら、前記第1基板を介して前記薄膜試料に中性子ビームを照射し、
前記薄膜試料からの反射ビームを検出して、前記薄膜試料の前記第1の面の表面の状態を測定する。
In order to solve the above problems, the state of the surface of the thin film is measured by using small-angle scattering of neutron rays. Specifically, the thin film measurement method is
A thin film sample is placed between the first substrate of silicon and the second substrate with one or more through openings.
With the second substrate, the first surface of the thin film sample is pressed against the first substrate.
A neutron beam is supplied to the thin film sample through the first substrate while supplying a gas or liquid containing at least one substance to the second surface of the thin film sample opposite to the first surface through the through opening. Irradiate and
The reflected beam from the thin film sample is detected, and the state of the surface of the first surface of the thin film sample is measured.
上記手法により、薄膜の表面の状態を精度良く測定し定量化することができる。 By the above method, the state of the surface of the thin film can be accurately measured and quantified.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態で行う斜入射中性子小角散乱(GSANS:Grazing Incidence Small Angle Neutron Scattering)測定を説明する図である。中性子小角散乱測定は、測定装置10に試料60をセットし、試料60の表面に中性子ビームを照射して、試料60からの反射光を検出することで試料60の表面の状態(特性)を測定し、評価する。試料60からの反射光に加えて、透過光を検出してもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating a Grazing Incidence Small Angle Neutron Scattering (GSANS) measurement performed in the first embodiment. In the small-angle neutron scattering measurement, the
第1の実施形態では、試料60を薄膜測定キット50で保持した状態で測定装置10にセットする。詳細は後述するが、試料60は、薄膜測定キット50の2枚の基板の間に平坦に保持される。一方の基板には1以上の貫通開口が形成されており、貫通開口から試料60に液体や気体を供給しながら試料60の表面で散乱された中性子ビームを検出する。中性子ビームは、試料60の表面に対して浅い角度で斜入射される。
In the first embodiment, the
中性子ビームは、図示しない中性子源から出力される。中性子源として、たとえば加速器による核破砕を利用したパルス中性子源を用いる。試料60への入射中性子ビームNBinは、光学系30のスリット31で整形され、たとえば鏡面反射が起きる0.1°~1.0°の入射角で試料60に入射する。光学系30のスリット31の位置と幅は調整可能である。入射中性子ビームNBinは試料60の表面で散乱され、散乱中性子ビームNBoutが検出器で検出される。
The neutron beam is output from a neutron source (not shown). As the neutron source, for example, a pulsed neutron source using spallation by an accelerator is used. The neutron beam NBin incident on the
ここでは、飛行時間法を用いて散乱強度を測定する。飛行時間法は、入射角度を固定して広い波長範囲の中性子ビームを試料60に入射して散乱強度を測定するものである。入射中性子は、単色化されずに白色のまま試料60に入射し、散乱される。散乱強度は、波数qの関数として計測される。波数qは式(1)で表され、入射角度θに比例し、中性子の波長λに反比例する。
Here, the scattering intensity is measured using the flight time method. In the flight time method, a neutron beam having a wide wavelength range is incident on the
q=4π×sinθ/λ (1)
飛行時間法では検出器で検出された時間、すなわち中性子が検出器に到達した時間により波長を選別することができる。複数の検出器を広い散乱角にわたって配置することで、広範な波数qの範囲で散乱強度を測定することができる。
q = 4π × sinθ / λ (1)
In the flight time method, the wavelength can be selected by the time detected by the detector, that is, the time when the neutron reaches the detector. By arranging a plurality of detectors over a wide scattering angle, it is possible to measure the scattering intensity in a wide range of wavenumber q.
GSANS測定の間、薄膜測定キット50に保持された試料60に、重水素または軽水素を含む気体または液体を供給する。これを実現するため、測定装置10は、供給口15と排出口16を有する。測定装置10に試料60または薄膜測定キット50がセットされると、測定装置10の内部に大気環境チャンバが形成され、大気環境チャンバ内に所望の物質(重水素、軽水素、酸素等)を含む液体または気体を供給することができる。
During the GSANS measurement, the
図2は、測定装置10の側断面図(A)と正面図(B)である。測定装置10の本体17の前面に支持部12が設けられており、支持部12に薄膜測定キット50をセットすることができる。支持部12は、試料設置部101の両側にスリットを形成して、縦方向に薄膜測定キット50を挿入して定位置に支持する構成でもよいし、試料設置部101の上下にスリットを形成して、横方向に薄膜測定キット50を挿入して定位置に支持する構成でもよい。あるいは薄膜測定キット50の4隅を留める留め具で支持部12を構成してもよい。
2A and 2B are a side sectional view (A) and a front view (B) of the
薄膜測定支持部12に薄膜測定キット50がセットされると、測定装置10の内部にチャンバ11が形成される。チャンバ11は、供給口15及び排出口16と連通している。薄膜測定キット50が測定装置10にセットされた状態で、薄膜測定キット50の裏面はチャンバ11内を向いている。支持部12とチャンバ11を含む試料設置部101の高さhはたとえば50mm、幅Wは、たとえば50mmである。
When the thin
使用時には、図1に示すように、供給口15と排出口16にチューブ18等を接続して外部から所望の液体または気体をチャンバ11内に導入し、排出する。チャンバ内11に気体または液体を導入しながら、SANS測定を行う。中性子ビームは、図1のスリット31を介して、試料設置部101の照射領域Rに照射される。測定装置10の内部に薄膜測定キット50の角度を制御する回転ゴニオメータを配置してもよい。
At the time of use, as shown in FIG. 1, a
図3は、薄膜測定キット50の模式図である。図3(A)に示すように、薄膜測定キット50は、シリコン(Si)の第1基板51と、1つ以上の貫通孔55を有する第2基板52を有する。第1基板51と第2基板52は、第1基板51と第2基板52の間に試料60を挟み込んだ状態で、ホルダ53で保持される。ホルダ53は、図3のようなラッチホルダでもよいし、測定装置10の支持部12に形成されたスリットまたは留め具をホルダ53として使用してもよい。
FIG. 3 is a schematic diagram of the thin
第1基板51は、第1基板51に接触した薄膜の試料60の表面に平滑面を形成することができれば、任意の厚さとすることができる。第1基板として、たとえば厚さ5mmのシリコン基板を用いる。第2基板52は、シリコン、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)など、中性子ビームに対して質量減衰係数が小さい材料で形成されている。第2基板52の厚さは、試料60を第1基板51に対して押圧して試料60の表面に平滑面を形成することができ、かつ貫通開口を形成できる厚さであれば、任意の厚さとすることができる。一例として、第2基板52の厚さは2~5mmである。
The
第2基板52としてシリコン基板を用いる場合は、YAGレーザ、フェムト秒レーザ等を用いたレーザ加工、深堀RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)、光アシスト電解エッチングなどで貫通孔55を形成することができる。第2基板としてアルミニウム基板を用いる場合は、YAGレーザ等を用いたレーザ加工で貫通孔55を形成することができる。
When a silicon substrate is used as the
試料60は、皮膚、人工生体膜、高分子膜、電解質膜などの薄膜試料である。図3(B)に示すように、第1基板51と第2基板52の間に試料60を挟み込んでホルダ53で保持し、中性子ビームを照射する。入射中性子ビームNBinは、第1基板51を介して浅い角度で試料60の表面に入射する。中性子ビームの入射角度が0.1~1.0°程度に設定される場合は、中性子ビームを第1基板51のエッジから試料60の表面に入射させてもよい。
The
入射中性子ビームNBinは、試料60の表面で入射角度とほぼ同じ角度で反射される。異なる波長(λ)の中性子を照射して測定されたデータは、試料60の表面または界面の組成、構造、状態等の情報を含んでいる。実施形態では、測定結果から試料60の表面のミクロ構造の平衡状態を観測する手法を「静的観測」と呼ぶ。一方で、試料60の薄膜の厚さ方向の水分子やプロトンの移動を観測する場合を「動的観測」と呼ぶ。これら2種類の計測は、中性子ビームの入射角度を制御するだけで、測定装置10で実施することができる。
The incident neutron beam NBin is reflected on the surface of the
図4は、実施例1の薄膜測定の模式図である。実施例1では薄膜の試料60Aとして、たとえば50mm×50mmの大きさの角層を用いる。角層は皮膚の最表面の層であり、その厚さは20μm程度である。角層の表面は、皮溝と皮丘により細かい凹凸が形成されている。角層の表面側をシリコンの第1基板51に接触させて第2基板52で押圧し、角層の表面に平滑な面を形成する。これにより、角層の凹凸面は平滑な基板面上に再構築される。
(a)試料裏面への重水蒸気の供給
試料60Aとして用いる角層の表面側を第1基板51側に配置する場合、第2基板52の貫通孔55から、角層の裏面に気体または液体が供給される。この例では、測定装置10の供給口15から重水(D2O)の蒸気をチャンバ11内に導入し、第2基板52の貫通孔55から角層の裏面に重水の蒸気をあてる。重水の蒸気は角層の裏側から表面側へマイグレーションまたは拡散する。測定装置10を用いたGSANS測定により、角層の表面の組成(静的観測)と、湿潤過程(動的観測)を測定することができる。
FIG. 4 is a schematic diagram of the thin film measurement of Example 1. In Example 1, as the
(A) Supply of heavy water vapor to the back surface of the sample When the front surface side of the stratum corneum used as the
図5は、GSANS測定結果を示す図である。入射角0.5°で角層(試料60A)に中性子ビームを照射し、反射中性子ビームNBrefを検出器で検出して反射方向の散乱プロファイルを得る。図5の横軸は0.1nm当たりの波数q(Å-1)、縦軸は散乱強度(任意単位)である。
FIG. 5 is a diagram showing a GSANS measurement result. A neutron beam is irradiated to the stratum corneum (
散乱強度プロファイルで、一定のレベルから強度変化(傾斜)が始まる地点の波数が、臨界反射波数qcである。図5では、臨界反射波数qcは0.016(Å-1)である。実施例1では、中性子ビームの入射角を一定にして波長λを変えているが(白色ビームの使用)、波長λを一定にして入射角を変えたときにも、同様の散乱強度プロファイルを得ることができる。この場合は、散乱強度の変化が始まるときの角度が、臨界反射角θcになる。臨界反射波数qcまたは臨界反射角θcは、試料60Aの表面の組成と相関があり、試料60Aの表面状態を評価することができる。
In the scattering intensity profile, the wave number at the point where the intensity change (gradient) starts from a certain level is the critical reflected wave number q c . In FIG. 5, the critical reflected wavenumber q c is 0.016 (Å -1 ). In Example 1, the incident angle of the neutron beam is constant and the wavelength λ is changed (using a white beam), but the same scattering intensity profile is obtained even when the wavelength λ is constant and the incident angle is changed. be able to. In this case, the angle at which the change in the scattering intensity starts becomes the critical reflection angle θ c . The critical reflected wavenumber q c or the critical reflection angle θ c correlates with the composition of the surface of the
臨界反射角θc(または臨界反射波数qc)よりも小さい領域であるθ<θc(またはq<qc)では、反射率が1になる(全反射)。臨界反射角θcと組成の関係は、式(2)で与えられる。 In the region where the critical reflection angle θ c (or the critical reflected wavenumber q c ) is smaller than θ <θ c (or q <q c ), the reflectance becomes 1 (total reflection). The relationship between the critical reflection angle θ c and the composition is given by Eq. (2).
θc=λ(ρbav/π)1/2 (2)
ここで、ρは密度、bavはフレネル界面における膜表面の組成で平均化された干渉散乱長である。
θ c = λ (ρb av / π) 1/2 (2)
Here, ρ is the density and bav is the interference scattering length averaged by the composition of the film surface at the Fresnel interface.
上述した例では、試料60Aとして用いた角層の裏面から重水素(デュウテロン)が拡散し、フレネル界面に到達する。そうすると角層表面の組成が変わり、干渉性散乱長bavが変化してθcが変化する。臨界反射角θcまたは臨界反射波数qcを特定することで、そのときの膜表面の組成を識別することができる。
In the above example, deuterium diffuses from the back surface of the stratum corneum used as
フレネル界面の組成で平均化された干渉性散乱長bavは、式(3)で定義される。 The coherent scattering length bav averaged by the composition of the Fresnel interface is defined by Eq. (3).
bav(t)=(1-Φ)bM+Φ[φ(t)bD+(1-φ(t))bH] (3)
ここで、
bM: 膜の平均散乱長
bH: 水素(プロトン)の平均散乱長
bD: 重水素(デュウテロン)の平均散乱長
Φ : 膜表面における含水率
φ(t):時間依存重水置換率
である。
b av (t) = (1-Φ) b M + Φ [φ (t) b D + (1-φ (t)) b H ] (3)
here,
b M : Average scattering length of the film b H : Average scattering length of hydrogen (proton) b D : Average scattering length of deuterium (duteron) Φ: Water content on the film surface φ (t): Time-dependent heavy water replacement rate ..
薄膜のφ(t)を求めることで、フィックの法則によるモデル解析を行い拡散係数(cm2/sec)を定量的に評価することができる。 By obtaining φ (t) of the thin film, it is possible to quantitatively evaluate the diffusion coefficient (cm 2 / sec) by performing model analysis according to Fick's law.
図5に戻って、散乱強度プロファイルのピーク位置も試料60Aの表面の状態の評価に用いることができる。図5では、波数q=0.05とq=0.1にピークが観察される。波数qは、式(4)で実空間位置dに変換することができる。
Returning to FIG. 5, the peak position of the scattering intensity profile can also be used to evaluate the surface condition of the
d=2π/q (4)
0.05(Å-1)は12.5nmの実空間位置に対応し、0.1(Å-1)は6.2nmの実空間位置に対応する。
d = 2π / q (4)
0.05 (Å -1 ) corresponds to a real space position of 12.5 nm and 0.1 (Å -1 ) corresponds to a real space position of 6.2 nm.
これらのピークは、角層細胞間資質のラメラ構造(層状構造体)における13nmの長周期ラメラ構造と、6nmの短周期ラメラ構造にプールされた重水由来のピークと考えられる。すなわち、ラメラ構造に含まれている水(軽水)の水素(H)が、角層(試料60A)の裏面から供給された重水に含まれる重水素(D)に置換されたものであると考えられる。
These peaks are considered to be peaks derived from heavy water pooled in a 13 nm long-period lamellar structure and a 6 nm short-period lamellar structure in the lamellar structure (layered structure) of the intercellular qualities of the stratum corneum. That is, it is considered that the hydrogen (H) of the water (light water) contained in the lamellar structure is replaced with the deuterium (D) contained in the heavy water supplied from the back surface of the stratum corneum (
短周期ラメラでのピークの方が大きいのは、短周期ラメラに含まれる水分量が長周期ラメラに含まれる水分量よりも多く、水分子は短周期ラメラ構造に優先的に入っていくことを示唆している。この現象は既報と一致している。
(b)試料の表面への重水蒸気の供給
図4の薄膜測定キット50で、角層の裏面を第1基板51に接触させ、第2基板52の貫通孔55から角層の表面側に重水の蒸気を供給してGSANS測定することもできる。中性子ビームは、シリコンの第1基板51を介して、角層の裏面で散乱される。角層の裏面で反射された中性子の反射強度を検出することで、角層の裏面の組成、構造などの情報を取得することができる。
The reason why the peak in the short-period lamellar is larger is that the amount of water contained in the short-period lamellar is larger than the amount of water contained in the long-period lamellar, and the water molecules preferentially enter the short-period lamellar structure. Suggests. This phenomenon is consistent with the previous report.
(B) Supply of heavy water vapor to the surface of the sample In the thin
反射強度プロファイルから臨界反射波数qcまたは臨界反射角θcを特定することで、式(2)及び式(3)に基づいて、角層の裏面の組成を評価することができる。また、散乱強度プロファイルのピーク位置とピークの大きさから、短周期ラメラと長周期ラメラに存在する水分量を推定し、皮膚の表面から加湿したときの角層内部への水分の浸透を評価することができる。
(c)透過ビームの利用
図3(B)に示すように、中性子ビームの試料60への入射角を臨界反射角よりも大きく設定し、反射位置と透過位置に検出器を配置することで、反射中性子ビームNBrefと透過中性子ビームNBtrを同時に検出してもよい。中性子はシリコン、アルミ等の第2基板52を透過する。反射中性子ビームNBrefは、試料60の表面の組成、構造等の情報を載せている。透過中性子ビームNBtrは、試料60の内部構造の情報を載せている。試料60で反射された中性子と試料60を透過した中性子をそれぞれ個別の検出器で検出することで、一度の測定で、試料60の表面情報と内部情報の両方を検出することができる。
(d)臨界反射の時間変化
図6は、臨界反射領域q<qcにおける反射強度の時間変化を示す図である。室温でフル加湿(100%)して、図5の臨界反射波数qc=0.016(Å-1)の反射強度を一定時間にわたって測定したものである。図の上側の曲線は、角膜の表面から重水で加湿したときの測定結果、下側の曲線は角層の裏面から加湿したときの反射強度の測定結果である。
By specifying the critical reflected wave number q c or the critical reflection angle θ c from the reflection intensity profile, the composition of the back surface of the stratum corneum can be evaluated based on the equations (2) and (3). In addition, the amount of water present in the short-period lamella and long-period lamella is estimated from the peak position and peak size of the scattering intensity profile, and the penetration of water into the stratum corneum when humidified from the surface of the skin is evaluated. be able to.
(C) Utilization of transmitted beam As shown in Fig. 3 (B), the angle of incidence of the neutron beam on the
(D) Time change of critical reflection FIG. 6 is a diagram showing a time change of reflection intensity in the critical reflection region q <qc. It was fully humidified (100%) at room temperature, and the reflection intensity of the critical reflected wave number q c = 0.016 (Å -1 ) in FIG. 5 was measured over a certain period of time. The upper curve of the figure is the measurement result when humidified from the front surface of the cornea with heavy water, and the lower curve is the measurement result of the reflection intensity when humidified from the back surface of the cornea.
表面から加湿したときは、反射強度変化が緩やかであるが、裏面から加湿したときは飽和状態に至るまでの変化が急峻である。この測定結果は、角層中における水分浸透速度は、表面から裏面と比較して、裏面から表面の方がより速いと考えられる。即ち、角層の内側から表面への水分蒸散速度の方が、表面から内側への水分供給速度より速いことが示唆される。 When humidified from the front surface, the change in reflection intensity is gradual, but when humidified from the back surface, the change to the saturated state is steep. From this measurement result, it is considered that the water permeation rate in the stratum corneum is faster from the back surface to the front surface as compared with the front surface to the back surface. That is, it is suggested that the rate of water evaporation from the inside to the surface of the stratum corneum is faster than the rate of water supply from the surface to the inside.
図7は、角層の表面から加湿したときの温度と湿度の時間変化を示す図、図8は、角層の裏面から加湿したときの温度と湿度の時間変化を示す図である。図7と図8の双方で、湿度は数パーセント範囲でほぼフル加湿(100%)である。温度も2℃の誤差範囲で一定である。温度と湿度からは、角層の表裏の差を見いだすことはできない。 FIG. 7 is a diagram showing the time change of temperature and humidity when humidified from the front surface of the stratum corneum, and FIG. 8 is a diagram showing the time change of temperature and humidity when humidifying from the back surface of the stratum corneum. In both FIGS. 7 and 8, the humidity is almost full humidification (100%) in the range of a few percent. The temperature is also constant within an error range of 2 ° C. From the temperature and humidity, we cannot find the difference between the front and back of the stratum corneum.
これに対し、図6で角層の表側から加湿するか裏側から加湿するかで反射強度の時間変化に差が生じるのは、角層の裏面と表面での組成または構造の差によるものである。角層構造の表裏の差は、図6の時間変化で示される水の拡散挙動で捉えることができる。 On the other hand, in FIG. 6, the difference in the time change of the reflection intensity depending on whether the humidification is performed from the front side or the back side of the stratum corneum is due to the difference in the composition or structure between the back surface and the front surface of the stratum corneum. .. The difference between the front and back of the stratum corneum structure can be grasped by the diffusion behavior of water shown by the time change in FIG.
薄膜の試料60Aの裏面から重水素を供給し、表面で中性子の散乱強度の時間変化を観測することで、重水素の表面への浸潤状態を追跡することができる(同位体を用いたトレーサ法)。
(e)角層の測定の変形例
実施例1では、試料60Aとして通常の(乾燥した)角層を試料60に用い、角層に重水の蒸気を供給して角層に存在する軽水素(プロトン)を重水素(デュウテロン)で置換して中性子反射率を測定した。試料60Aの裏面に重水の蒸気を供給する替わりに、軽水の蒸気を供給しながら、GSANS測定を行ってもよい。この場合は、試料60Aに含まれる重水素(デュウテロン)が軽水素(プロトン)に置換されることで表面の組成が変化する。臨界反射角(または臨界反射波数)での反射率の時間変化を観測することで、試料60Aへの軽水の浸潤状態を評価することができる。
By supplying deuterium from the back surface of the
(E) Modification example of measurement of the stratum corneum In Example 1, a normal (dried) stratum corneum was used as the
さらに別の変形例として、角層をあらかじめ重水または軽水に浸漬した試料60Aを薄膜測定キット50の第1基板51と第2基板52の間に挟み、第2基板52の貫通孔55から試料の裏面に乾燥気流を供給し、重水素と軽水素の同位体置換に基づいて試料60の表面の組成と、膜厚方向への水分子の挙動を評価してもよい。
As yet another modification, a
以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した例に限定されない。たとえば、薄膜試料として電解質膜を第1基板51と第2基板52の間に挟み、第2基板52の貫通孔55から電解液を供給しながら電解質膜に前記中性子ビームを斜め照射し、電解質膜への電解液の浸潤挙動を測定してもよい。
Although the present invention has been described above based on the specific examples, the present invention is not limited to the above-mentioned examples. For example, as a thin film sample, an electrolyte membrane is sandwiched between a
10 測定装置
11 チャンバ
12 支持部
15 供給口
16 排出口
17 本体
50 薄膜測定キット
51 第1基板
52 第2基板
53 ホルダ
55 貫通孔(貫通開口)
60、60A 試料
101 試料設置部
10
60,
Claims (10)
前記第2基板で、前記薄膜試料の第1の面を前記第1基板に対して押圧し、前記貫通開口から前記薄膜試料の前記第1の面と反対側の第2の面に少なくとも1種類の物質を含む気体または液体を供給しながら、前記第1基板を介して前記薄膜試料に中性子ビームを照射し、
前記薄膜試料からの反射ビームを検出して、前記薄膜試料の前記第1の面の表面の状態を測定する
ことを特徴とする測定方法。 A thin film sample is placed between the first substrate of silicon and the second substrate with one or more through openings.
With the second substrate, the first surface of the thin film sample is pressed against the first substrate, and at least one kind is applied to the second surface of the thin film sample opposite to the first surface from the through opening. While supplying a gas or liquid containing the substance of the above, the thin film sample is irradiated with a neutron beam through the first substrate.
A measuring method comprising detecting a reflected beam from the thin film sample and measuring the state of the surface of the first surface of the thin film sample.
前記第1の面における水の濃度の時間変化を追跡して拡散係数を定量的に評価することを特徴とする請求項1に記載の測定方法。 Measure the time change of critical reflection evaluated by neutron reflectance,
The measuring method according to claim 1, wherein the diffusion coefficient is quantitatively evaluated by tracking the time change of the water concentration in the first surface.
前記貫通開口から重水または軽水の蒸気を前記第2の面に供給し、
軽水素と重水素の同位体置換に基づいて前記第1の面における軽水素または重水素の組成を測定することを特徴とする請求項1または2に記載の測定方法。 The thin film sample is a dry thin film sample.
Heavy water or light water vapor is supplied to the second surface from the through opening.
The measuring method according to claim 1 or 2, wherein the composition of the light hydrogen or the deuterium in the first surface is measured based on the isotope substitution of the light hydrogen and the deuterium.
前記貫通開口から、乾燥気流を前記第2の面に供給し、軽水素と重水素の同位体置換に基づいて前記第1の面における軽水素または重水素の組成を測定することを特徴とする請求項1または2に記載の測定方法。 The thin film sample is a sample obtained by immersing a dry thin film sample in light water or heavy water in advance.
A dry air stream is supplied to the second surface from the through opening, and the composition of the light hydrogen or deuterium in the first surface is measured based on the isotope substitution of light hydrogen and deuterium. The measuring method according to claim 1 or 2.
前記反射ビームと前記透過ビームの検出結果から、前記薄膜試料の前記第1の面の表面の組成に関する情報と、前記薄膜試料の内部の情報を同時に取得することを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の測定方法。 At the same time as the reflected beam from the thin film sample, the transmitted beam of the thin film sample is detected.
Claims 1 to 4 are characterized in that information on the surface composition of the first surface of the thin film sample and information on the inside of the thin film sample are simultaneously acquired from the detection results of the reflected beam and the transmitted beam. The measuring method according to any one of the above items.
前記貫通開口から重水の蒸気を供給しながら前記薄膜試料の前記第1の面に前記中性子ビームを照射し、
前記薄膜試料への水分子の浸透状態を測定する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の測定方法。 The thin film sample is a skin or artificial biological membrane.
The first surface of the thin film sample is irradiated with the neutron beam while supplying heavy water vapor from the through opening.
The measuring method according to claim 1 or 2, wherein the state of permeation of water molecules into the thin film sample is measured.
前記角層の表面を前記第1基板に押圧し、
前記貫通開口から前記角層の裏面に前記重水の蒸気を供給しながら、前記第1基板を介して前記角層の表面に前記中性子ビームを照射して、前記角層の表面の組成と水分子の浸透状態を測定することを特徴とする請求項6に記載の測定方法。 The thin film sample is a stratum corneum.
The surface of the stratum corneum is pressed against the first substrate,
While supplying the vapor of the heavy water to the back surface of the stratum corneum from the through opening, the surface of the stratum corneum is irradiated with the neutron beam through the first substrate to obtain the composition of the surface of the stratum corneum and water molecules. The measuring method according to claim 6, wherein the permeation state of the water is measured.
前記貫通開口から電解液を供給しながら前記電解質膜に前記中性子ビームを照射し、
前記電解質膜への前記電解液の浸潤挙動を測定する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の測定方法。 The thin film sample is an electrolyte membrane.
The electrolyte membrane is irradiated with the neutron beam while supplying the electrolytic solution from the through opening.
Measuring the infiltration behavior of the electrolyte solution into the electrolyte membrane,
The measuring method according to claim 1 or 2.
前記本体の前面の中性子照射領域で試料を支持可能な試料設置部と、
前記試料設置部に前記試料がセットされたときに、前記本体の内部に空間を形成するチャンバと、
前記チャンバと連通する供給口及び排出口と、
を有し、
前記チャンバから前記試料に気体または液体を供給しながら鏡面反射が起きる入射角で前記試料の界面に中性子線を入射し、臨界反射角の近傍で前記入射角または波長を変えながら前記試料の表面状態を測定する中性子散乱測定を可能にする測定装置。 With the main body
A sample installation unit that can support the sample in the neutron irradiation area on the front of the main body,
A chamber that forms a space inside the main body when the sample is set in the sample setting portion.
The supply port and the discharge port communicating with the chamber,
Have,
A neutron beam is incident on the interface of the sample at an incident angle where mirror reflection occurs while supplying gas or liquid from the chamber to the sample, and the surface state of the sample is changed while changing the incident angle or wavelength in the vicinity of the critical reflection angle. A measuring device that enables neutron scattering measurement.
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