JPS6058820B2 - Surface analysis method for transparent materials - Google Patents

Surface analysis method for transparent materials

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JPS6058820B2
JPS6058820B2 JP9837579A JP9837579A JPS6058820B2 JP S6058820 B2 JPS6058820 B2 JP S6058820B2 JP 9837579 A JP9837579 A JP 9837579A JP 9837579 A JP9837579 A JP 9837579A JP S6058820 B2 JPS6058820 B2 JP S6058820B2
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JP
Japan
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internal reflection
polystyrene
sapphire
raman
element plate
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JP9837579A
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令吉 岩本
浩二 太田
勝 見矢
精一 美馬
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は屈折率の異なる、透明な二つの物質の境界面
における光の全反射現象を利用した全反射ラマン法にお
ける表面分析方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a surface analysis method in a total reflection Raman method that utilizes the phenomenon of total reflection of light at the interface between two transparent materials having different refractive indexes.

第1図は全反射を示す原理図てあり、従来から二つの
透明物質の境界面において、屈折率の大きい物質Aから
、屈折率の小さい物質Bへ光線が入射する場合、臨界角
より大きい角度で界面に入射した光は屈折せすに全反射
することが知られている。
Figure 1 is a diagram showing the principle of total internal reflection. Conventionally, when a ray of light enters a substance A with a large refractive index into a substance B with a small refractive index at the interface between two transparent substances, the angle is larger than the critical angle. It is known that light incident on an interface is totally reflected without being refracted.

更にこの全反射の際、ミクロ的には、入射光が完全に
二つの物質の界面で全反射するのではなく、界面からあ
る深さだけ屈折率の小さい物質Bへ入り込むことも知ら
れている。
Furthermore, during this total reflection, from a microscopic perspective, it is also known that the incident light is not completely reflected at the interface between two materials, but enters material B, which has a lower refractive index, by a certain depth from the interface. .

そして物質Bを通過する光線(第1図の点線で示す部
分)が物質Bを構成する分子、あるいは分子集合体に由
来する散乱光を生ずるから、この散乱光を分光測定すれ
ば、物質Bの種類あるいは構造に応じたラマンスペクト
ルが測定され、物質Bのほぼ表面に近い部分の分子種あ
るいは分子状態を知ることができる。
The light beam that passes through substance B (the part shown by the dotted line in Figure 1) generates scattered light originating from the molecules or molecular aggregates that constitute substance B, so if this scattered light is spectrally measured, it is possible to A Raman spectrum is measured depending on the type or structure, and the molecular type or molecular state of the portion near the surface of substance B can be determined.

ここで密着によつて物質Bとの接触界面での光の全反
射を可能にする高屈折率物質Aを内部反射エレメント板
と呼ぶが、上記の現象を利用する方法において内部反射
エレメント板中での光の通過距離が分析の対象となる物
質B中でのそれよりはるかに大きい。
Here, the high refractive index material A that enables total reflection of light at the contact interface with material B due to close contact is called an internal reflection element plate. The distance that light passes through is much larger than that in substance B, which is the object of analysis.

それ故、内部反射エレメント板が障害とならないため
には、ラマン分光法の場合には内部反射エレメント板の
ラマン散乱及びそのバックグラウンドが、充分に小さく
なければならない。
Therefore, in the case of Raman spectroscopy, the Raman scattering of the internal reflective element plate and its background must be sufficiently small in order for the internal reflective element plate to not become a hindrance.

かかる原理を利用した透明物質の表面分析方法として
は、従来法全反射ラマン法がある。
A conventional total internal reflection Raman method is a surface analysis method for transparent materials that utilizes this principle.

この従来法全反射ラマン法については、たとえばアプ
ライド・オプテイクス(AppliedOptics)
、第ト巻、197奔の第2236頁に記載がある。
Regarding this conventional total internal reflection Raman method, for example, Applied Optics
, Vol. T, page 197, page 2236.

この記載によると、光源に波長632.8nm(7)
He一Neレーザを、内部反射エレメント板に屈折率1
.713のフリントガラスを夫々用いて、二硫化炭素の
全反射ラマンスペクトルの測定が報告されている。
According to this description, the light source has a wavelength of 632.8 nm (7)
A He-Ne laser is placed on an internal reflection element plate with a refractive index of 1.
.. Measurements of total reflection Raman spectra of carbon disulfide have been reported using No. 713 flint glasses.

この報告は、光の全反射現象によつて物質Bのラマンス
ペクトルが測定できるか否かを調べることを研究目的と
しており、試料に液体である二硫化炭素を用いている。
The purpose of this report is to investigate whether the Raman spectrum of substance B can be measured by the total reflection phenomenon of light, and carbon disulfide, which is a liquid, is used as a sample.

しかしながら、この報告では後述する比較例で述べるよ
うに、試料によるラマンピークがスペクトル処理の後、
やつとシグナルとして認められる程度であり、この結果
は全反射ラマン法が表面測定法として使用できないこと
を予想させる内容であつた。この主な原因は、バックグ
ラウンド散乱の比較的強いフリントガラスを内部反射エ
レメント板に用いたことによると考えられる。
However, in this report, as described in the comparative example below, the Raman peak due to the sample is
This result was at a level that could be recognized as a signal, and the results suggested that the total internal reflection Raman method could not be used as a surface measurement method. The main reason for this is thought to be that flint glass, which has relatively strong background scattering, was used for the internal reflection element plate.

そこで、かかる従来の欠点を改善すべく本発明者等は鋭
意検討を行ない、サファイアを高屈折率物質として使用
することに着目して本発明を完成した。
Therefore, in order to improve such conventional drawbacks, the present inventors conducted extensive studies and completed the present invention by focusing on the use of sapphire as a high refractive index material.

本発明は広範囲の透明物質に適用てきる、精度の良い物
質表面の分析方法を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide an accurate method for analyzing the surface of a material that can be applied to a wide range of transparent materials.

かかる目的を達成するための本発明の方法は、透明物質
にサファイア製の内部反射エレメント板を密着し、前記
内部反射エレメント板と前記透明物質との接触界面でレ
ーザ光を全反射せしめる角度で前記内部反射エレメント
板にレーザ光を入射して、前記接触界面でレーザ光を全
反射せしめ、この際前記透明物質中に入り込むレーザ光
によつて生じた散乱光を分光して前記透明物質のラマン
スペクトルを記録することを特徴とする透明物質の表面
分析方法である。
The method of the present invention for achieving such an object includes: closely contacting an internal reflection element plate made of sapphire to a transparent material; A laser beam is incident on the internal reflection element plate, and the laser beam is totally reflected at the contact interface. At this time, the scattered light generated by the laser beam that enters the transparent material is separated to obtain the Raman spectrum of the transparent material. This is a method for analyzing the surface of a transparent material, which is characterized by recording.

以下、図面により本発明の方法を具体的に説明一する。Hereinafter, the method of the present invention will be specifically explained with reference to the drawings.

第2図は本発明の方法の概要図である。まず、透明物質
1にサファイア製の内部反射エレメント板2を密着し、
内部反射エレメント板2にレーザ光3を入射する。
FIG. 2 is a schematic diagram of the method of the invention. First, an internal reflection element plate 2 made of sapphire is closely attached to a transparent substance 1,
Laser light 3 is incident on internal reflection element plate 2.

このとき、レーザ光を・内部反射エレメント板2と透明
物質1との界面で全反射する入射角で入射する。レーザ
光3は入射すると、屈折して内部反射エレメント板2と
透明物質1との接触界面4に臨界角よりも大きい角度で
到達し、Cの点で全反射する。
At this time, the laser beam is incident at an angle of incidence such that it is totally reflected at the interface between the internal reflection element plate 2 and the transparent material 1. When the laser beam 3 is incident, it is refracted and reaches the contact interface 4 between the internal reflection element plate 2 and the transparent material 1 at an angle larger than the critical angle, and is totally reflected at point C.

前記第1図で示したように、C点はミクロ的には透明物
質1にある深さだけ入り込んでいるので、透明物質1を
通過するレーザ光によつて、透明物質1を構成する分子
あるいは分子集合体のラマン光を含む散乱光5を生ずる
As shown in FIG. 1, since the point C penetrates the transparent material 1 to a certain depth microscopically, the molecules constituting the transparent material 1 or Scattered light 5 containing Raman light from molecular aggregates is generated.

この散乱光5を集光レンズ6を経てラマン分光器7で分
光し、透明物質1のラマンスペクトルをノ記録すれば、
このスペクトルから透明物質1のほぼ表面に近い部分の
分子種あるいは分子状態を知ることができる。
This scattered light 5 is separated by a Raman spectrometer 7 through a condensing lens 6, and the Raman spectrum of the transparent material 1 is recorded.
From this spectrum, it is possible to know the molecular species or molecular state of the portion of the transparent material 1 that is close to the surface.

本発明者らは二酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、
種々のフリントガラスなどを含む多くの素材を内部反射
エレメント板の材質として検討したが、これらは約15
00c『1以下の波数域に強いラマン散乱を持つという
欠点があり、充分でなかつた。
The present inventors have discovered that titanium dioxide, strontium titanate,
Many materials, including various types of flint glass, were considered for the internal reflective element plate, but these were approximately 15
00c "It had the drawback of having strong Raman scattering in the wave number region below 1, and was not sufficient.

ひき続き鋭意検討した結果、サファイアは、760cm
−1以上に殆んどラマン散乱を持たず、またそのバック
グラウンドが非常に弱い事を見出し、これを内部反射エ
レメント板とすることによつて本発明が初めて成功した
。すなわち本発明の方法の特徴はサファイア製の内部反
射エレメント板の使用にある。
As a result of continued careful consideration, the sapphire was determined to be 760 cm.
It was discovered that there was almost no Raman scattering above -1, and the background was very weak, and the present invention was succeeded for the first time by using this as an internal reflection element plate. A feature of the method of the invention is therefore the use of internal reflective element plates made of sapphire.

サファイアは第3図に示すように六方晶系に属する単結
晶アルミナであり、無色透明で屈折率が1.76〜1.
78の範囲である。また、サファイア自身のラマンスペ
クトルの偏光性、サファイアのラマンピークを標準とし
て利用できること等のために、内部反射エレメント板は
特定の結晶軸の方向で切り出されたサファイア板である
ことが望ましい。サファイア製の内部反射エレメント板
の形状は特に限定されないが、その一例を示すと、第4
図A,Bのように一端を特定角でカットし、側面以外の
L,M,N及びP面を光学研磨した平板、又は第4図C
,DのようにQ及びR面を光学研磨した半円柱形がある
As shown in Figure 3, sapphire is a single-crystal alumina belonging to a hexagonal crystal system, is colorless and transparent, and has a refractive index of 1.76-1.
The range is 78. Furthermore, because of the polarization of sapphire's own Raman spectrum and the ability to use the Raman peak of sapphire as a standard, it is desirable that the internal reflection element plate be a sapphire plate cut in the direction of a specific crystal axis. The shape of the internal reflection element plate made of sapphire is not particularly limited, but to give an example, the fourth
A flat plate with one end cut at a specific angle as shown in Figures A and B, and the L, M, N, and P surfaces other than the side surfaces optically polished, or Figure 4 C
, D has a semi-cylindrical shape with optically polished Q and R surfaces.

軸及び面の切出しは、例えば、第4図の2つの例りおけ
る長軸方向を結晶のC軸に平行あるいは垂直に、Mある
いはQ面を結晶のA面とすることができるが(第3図参
照)、これだけに限定されるものではない。試料と密着
させるMあるいはQ面の平滑さは特に重要である。平板
状の内部反射エレメント板の一端のカット角は一特定値
に限定されるのではなく、分析用透明物質の屈折率によ
つて適当な角度を選ぶことができる。
For cutting out the axes and planes, for example, the major axis direction in the two examples shown in FIG. (see figure), but is not limited to this. The smoothness of the M or Q surface that is brought into close contact with the sample is particularly important. The cut angle at one end of the flat internal reflection element plate is not limited to a specific value, but can be selected as an appropriate angle depending on the refractive index of the transparent material for analysis.

通常、本発明の方法で測定した全反射ラマンスペクトル
には、内部反射エレメント板の材質、す.なわちサファ
イアのラマンスペクトルが重なつて測定される。
Usually, total reflection Raman spectra measured by the method of the present invention include the material of the internal reflection element plate, and the like. In other words, the Raman spectra of sapphire are measured in an overlapping manner.

しかし、サファイアは主なラマンピークを760cm−
1以下に持ち、通常の透明物質の測定に当り重要な80
0〜3100cm−1領域には殆んどラマンピークを持
たない。またこの領域におけるバ、ツクグラウンドは非
常に弱いので、サファイア自身のバックグラウンドは測
定上殆んど障害にならない。しかし、全反射ラマン法を
表面測定法として用いるためには、内部反射エレメント
としてのサファイアのバックグラウンド散乱が実際の試
料のシグナルよりも十分に小さくしなければならない。
However, sapphire has its main Raman peak at 760 cm
80, which is important for measuring normal transparent materials.
There are almost no Raman peaks in the 0 to 3100 cm-1 region. In addition, the background in this region is very weak, so the background of sapphire itself hardly poses any problem in measurement. However, in order to use the total internal reflection Raman method as a surface measurement method, the background scattering of sapphire as an internal reflection element must be made sufficiently smaller than the signal of the actual sample.

試料のラマンシグナルと、バックグラウンド散乱との相
対比較によつて内部反射エレメント適否が判定される。
実際には後述する実施例1〜5に述べるように、800
〜4000cm−1領域において、60A厚さのポリス
チレン薄膜からのシグナルが十分に分離測定される程度
(実施例3、第10図)に、サファイアのバックグラウ
ンド散乱は小さく、表面測定を目的とした内部反射エレ
メントの材質として十分に適していることが認められた
Suitability of the internal reflection element is determined by relative comparison of the Raman signal of the sample and background scattering.
Actually, as described in Examples 1 to 5 described later, 800
In the ~4000 cm region, the background scattering of sapphire is so small that the signal from the 60A thick polystyrene thin film can be sufficiently separated and measured (Example 3, Figure 10), and the internal scattering for surface measurement is small. It was recognized that it is fully suitable as a material for reflective elements.

また、Ar5l4.5nmの!ノーザ光では約1700
cm−1以上、Ar′488.0nmのレーザ光ては約
3100cm−1以上にサファイアに由来する蛍光によ
るバックグラウンドがあるが、レーザ光の波長を更に短
くすることによつて、4000cm−1までの波数域の
測定が可能になる。
Also, Ar5l4.5nm! Approximately 1700 in Noza Hikari
cm-1 or more, Ar'488.0 nm laser light has a background due to fluorescence originating from sapphire at about 3100 cm-1 or more, but by further shortening the wavelength of the laser light, it can be reduced to 4000 cm-1. It becomes possible to measure the wavenumber range of .

また、前述の如く、内部反射エレメント板の切り出し軸
の方向と、光源としてのレーザ光の偏光方向を明確に規
定しておけば、サファイアのラマンピークを全反射ラマ
ンスペクトルにおける標準ピーク(強度、波数)として
利用することがてきる。
In addition, as mentioned above, if the direction of the cutting axis of the internal reflection element plate and the polarization direction of the laser beam as a light source are clearly defined, the Raman peak of sapphire can be adjusted to the standard peak (intensity, wave number) in the total reflection Raman spectrum. ) can be used as

かつ、サファイアの屈折率1.76〜1.78は大部分
の有機物質および無機物質よりも大きいので、サファイ
アとこれら有機物質および無機物質との屈折率とから決
定される臨界角よりも大きい入射角で両者の界面にレー
ザ光を入射し、全反射を起すことができる。
In addition, since the refractive index of sapphire is 1.76 to 1.78, which is larger than that of most organic and inorganic substances, the incident angle is larger than the critical angle determined from the refractive index of sapphire and these organic and inorganic substances. Laser light can be incident on the interface between the two at the corner, causing total internal reflection.

更に本発明の方法における透明物質とは測定対象となる
分析用試料であり、その屈折率がサファイアのそれより
0.部程度以上小さく、かつ透明な物質であれば、固体
、液体のいずれであつても良いが、着色成分、特に蛍光
物質を含まない物質が好ましい。
Furthermore, the transparent substance in the method of the present invention is an analytical sample to be measured, and its refractive index is 0. The material may be either solid or liquid as long as it is small in size and transparent, but a material that does not contain a coloring component, especially a fluorescent material, is preferable.

透明物質が液体の場合は、サファイア製の内部反射エレ
メント板を液体セルに利用すれば、固一液界面のラマン
スペクトルを測定することができる。本発明の方法にお
いて内部反射エレメント板と分析試料との密着は特に重
要である。
When the transparent substance is a liquid, the Raman spectrum of the solid-liquid interface can be measured by using a sapphire internal reflection element plate in the liquid cell. In the method of the present invention, close contact between the internal reflection element plate and the analysis sample is particularly important.

しかし、サファイアは硬度が高く、また優れた機械的強
度を持つため、たとえば固体透明物質をサファイア製の
内部反射エレメント板の光学研磨した面と接触させ、こ
れを適宜しめつければ、エレメント板と透明物質とを完
全に密着することができる。また、レーザ光のビーム径
が小さいため(4).3mfn以下)、比較的小さい密
着面積(10己以下)て充分であり、密着度に原因する
測定上の困難さはない。前述した如く、レーザ光は全反
射の際に透明物質に入り込むが、その入り込む深さはレ
ーザ光が透明物質と内部反射エレメント板との界面に入
射する入射角および使用するレーザ光の波長に依存する
However, since sapphire has high hardness and excellent mechanical strength, for example, if a solid transparent substance is brought into contact with the optically polished surface of an internal reflection element plate made of sapphire, and this is appropriately tightened, the element plate and the transparent Can be in complete contact with substances. In addition, since the beam diameter of the laser beam is small (4). 3 mfn or less), a relatively small adhesion area (10 mfn or less) is sufficient, and there are no measurement difficulties caused by the degree of adhesion. As mentioned above, the laser light enters the transparent material during total reflection, but the depth of penetration depends on the incident angle at which the laser light enters the interface between the transparent material and the internal reflection element plate and the wavelength of the laser light used. do.

従つて、この入射角を変化させれば、表面からの深さの
異なる層までのラマンスペクトルを測定でき、透明物質
の表面から0.01μm〜数0.1μmノの深さまでの
分析が可能である。
Therefore, by changing this angle of incidence, it is possible to measure Raman spectra from the surface to layers at different depths, and it is possible to analyze from the surface of a transparent material to a depth of 0.01 μm to several 0.1 μm. be.

さらに、レーザ光の拡がり角を小さくして入射角を精度
良く設定すれば表面からの深さをより明確に定義するこ
とができ、また各入射角に対するスペクトルの間で差ス
ペクトルを取ることによつて、表面からの深5さの異る
種々の層についてスペクトルを得ることができる。光の
全反射の理論によれば、内部反射エレメント板(屈折率
n1)中て分析用透明物質(屈折率Rl2)との界面に
波長λのレーザ光が入射角θで入O射して全反射を起す
とき、分析用透明物質側に入り込むレーザ光の強さIは
、界面からの深さzの位置において、1=IOe−2γ
7 )(1)
2赤γ=27rn1〔Sin2θ−(N
2/n1)〕 /λにより与えられる。
Furthermore, by reducing the spread angle of the laser beam and setting the incident angle accurately, the depth from the surface can be defined more clearly, and by taking the difference spectrum between the spectra for each incident angle. Thus, spectra can be obtained for various layers at different depths from the surface. According to the theory of total reflection of light, a laser beam of wavelength λ is incident at an angle of incidence θ at the interface with a transparent substance for analysis (refractive index Rl2) in an internal reflection element plate (refractive index n1), and total reflection occurs. When reflection occurs, the intensity I of the laser light entering the transparent material for analysis is 1=IOe-2γ at the depth z from the interface.
7)(1)
2 red γ = 27rn1 [Sin2θ-(N
2/n1)] /λ.

散乱光の強度は励起光としてのレーザ光の強度及び通過
した光路長に比例する。したがつて、界面から深さZ1
までの層のラマン散乱光の強度の全ラマン散乱光の強度
に対する寄与はによつて与えられる。
The intensity of the scattered light is proportional to the intensity of the laser beam as excitation light and the length of the optical path passed through it. Therefore, the depth Z1 from the interface
The contribution of the intensity of the Raman scattered light of the layers up to the intensity of the total Raman scattered light is given by.

これらの関係より深さの異なる層までのラマン散乱強度
の入射角およびレーザ光の波長に対する依存性を定量的
に求めることができる。特に、分析用透明物質の表層に
そのラマンスペクトルによつて識別できる非常に薄い層
が存在するとき、(2)式はR=2γZ1となり、相対
強度が厚さに比例するので全反射ラマンスペクトルを測
定すれば、表層の厚さZ1を容易に求めることができる
From these relationships, it is possible to quantitatively determine the dependence of the Raman scattering intensity on the incident angle and the wavelength of the laser beam up to layers of different depths. In particular, when there is a very thin layer on the surface of a transparent material for analysis that can be identified by its Raman spectrum, equation (2) becomes R = 2γZ1, and since the relative intensity is proportional to the thickness, the total reflection Raman spectrum is By measuring, the thickness Z1 of the surface layer can be easily determined.

光源としてのレーザ光には、通常のラマン測定に使用す
るレーザ、Ar,Krなどいずれも使用できるが、成反
射ラマンスペクトルの各シグナルはいずれも本来微弱で
あり、散乱強度が波長の四乗に逆比例すること、波長の
短い程表面に近い位置からのスペクトルを測定できるこ
と等のために、短波長のレーザ光を使用することが望ま
しい。
The laser beam used as a light source can be any of the lasers used for normal Raman measurements, Ar, Kr, etc. However, each signal in the pre-reflection Raman spectrum is inherently weak, and the scattering intensity increases as the fourth power of the wavelength. It is desirable to use a laser beam with a short wavelength because it is inversely proportional and the spectrum from a position closer to the surface can be measured with a shorter wavelength.

本発明の方法て使用するラマン分光計は通常の,装置を
そのまま使用することができるが、試料室に全反射ラマ
ンスペクトルを測定できるように設計した特製の付属装
置が設けられている。この付属装置は、内部反射エレメ
ント板に分析用試料の透明物質を密着させ、内部反射エ
レメン!ト板の方向と面を入射レーザ光に一定角度で保
持し、さらに試料面へのレーザ光の入射角を高精度で変
化させることが可能であり、全反射に伴う散乱光を有効
に集光てきる機能を有している。
Although a normal Raman spectrometer used in the method of the present invention can be used as is, a special accessory device designed to measure total internal reflection Raman spectra is provided in the sample chamber. This accessory device brings the transparent substance of the analysis sample into close contact with the internal reflection element plate. It is possible to maintain the direction and surface of the top plate at a constant angle to the incident laser beam, and to change the incident angle of the laser beam to the sample surface with high precision, effectively concentrating scattered light due to total internal reflection. It has the ability to

かかる本発明の分析方法によれば、ラマンスペ5クトル
のほぼ全波数域において、測定用試料の表面から同じ深
さまでの層のスペクトル測定することができ、かつ光源
としてのレーザ光が完全偏光なので、入射するレーザ光
の偏光方向および内部反射エレメント板の切出し結晶軸
および面を適当4に選べば、反射用エレメント板である
サファイアへの入射時の偏光の影響を受けない、解析の
容易なスペクトルを得ることができる。レーザビーム径
をしぼれば、表面ミクロ分析も可能になる。
According to the analysis method of the present invention, the spectrum of the layer from the surface of the measurement sample to the same depth can be measured in almost the entire wave number range of the Raman spectrum, and since the laser beam as the light source is completely polarized, By appropriately selecting the polarization direction of the incident laser beam and the cut-out crystal axis and plane of the internal reflection element plate, an easy-to-analyze spectrum that is not affected by the polarization of the incident laser beam on the sapphire reflection element plate can be obtained. Obtainable. By narrowing down the laser beam diameter, surface microanalysis becomes possible.

更に、本発明の方法で内部反射エレメント板として使用
するサファイアは、合成サファイアとして工業的製造方
法が確立されているので入手が容易であり、硬度、機械
的強度に優れているので研磨面を傷つけることがなく、
特に光透過性にすぐれ、かつ、水、有機溶剤に侵される
ことがない。
Furthermore, the sapphire used as the internal reflection element plate in the method of the present invention is easy to obtain as it has an established industrial manufacturing method as a synthetic sapphire, and has excellent hardness and mechanical strength, so it does not scratch the polished surface. Without a doubt,
It has particularly excellent light transmittance and is not attacked by water or organic solvents.

サファイアの内部反射エレメント板を液体セルに利用す
れば固一液界面のラマンスペクトルを測定フすることが
できる。また、高圧セルに利用すれは、高圧下での固体
あるいは液体の界面現象の解明に利用することもできる
If a sapphire internal reflection element plate is used in a liquid cell, it is possible to measure the Raman spectrum at the solid-liquid interface. In addition, when used in high-pressure cells, it can also be used to elucidate interfacial phenomena between solids or liquids under high pressure.

次に本発明の実施例を述べる。Next, examples of the present invention will be described.

j実施例1 第5図に内部反射エレメント板の1例を具体的に示す。jExample 1 FIG. 5 specifically shows one example of the internal reflection element plate.

サファイア(京都セラミック(株)製)を第5図に示す
C,aの結晶軸方向、形状および大きさに力”ツトし、
L,M,NおよびP面を光学研磨した。次に、ポリスチ
レンの濃度0.3および33%のトルエン溶液を調製し
、これを厚さ30μmのポリエチレンフィルム上に一様
に、可能な限り薄く拡げ、蒸発して2種類のポリスチレ
ン/ポリエチレンの2重層試料を調製した。ここで、ポ
リスチレン皮膜の厚さは触針式膜厚計で測定したところ
前者では0.05μm1後者では1.1μmであつた。
第6図に示したごとく、ポリスチレン皮膜A側を内部反
射エレメント板Sに密着させて全反射ラマンスペクトル
測定した。第6図においてAはポリスチレン皮膜、Bは
ポリエチレンフィルムである。なお、ポリエチレンの裏
にはシリコンゴム板C1さらにステンレス板Dを置き、
ある程度の力でしめつけて内部反射エレメント板とポリ
スチレン皮膜面を密着させた。
Sapphire (manufactured by Kyoto Ceramic Co., Ltd.) is subjected to force in the crystal axis direction, shape and size of C and a shown in Fig. 5,
The L, M, N and P surfaces were optically polished. Next, toluene solutions with polystyrene concentrations of 0.3 and 33% were prepared, spread uniformly on a 30 μm thick polyethylene film as thinly as possible, and evaporated to form two types of polystyrene/polyethylene. A layered sample was prepared. Here, the thickness of the polystyrene film was measured using a stylus-type film thickness meter and was found to be 0.05 μm for the former and 1.1 μm for the latter.
As shown in FIG. 6, the total reflection Raman spectrum was measured with the polystyrene film A side in close contact with the internal reflection element plate S. In FIG. 6, A is a polystyrene film and B is a polyethylene film. In addition, a silicone rubber plate C1 and a stainless steel plate D are placed on the back of the polyethylene.
The inner reflective element plate and the polystyrene film surface were brought into close contact by tightening with a certain amount of force.

ラマン分光計にはSpex社製RamalOg5(光電
子増倍管RCAC3lO34)を、レーザ光源にはCO
herentRadiatiOn社製CR−3アルゴン
イオンレーザを使用し、Ar″488.0r1mレーザ
光を用いて測定した。ポリスチレン皮膜の厚さが、それ
ぞれ、0.05μm及び1.1μmの二層試料の皮膜側
の全反射ラマンスペクトルを第7図Aおよび第8図Aに
示す。
The Raman spectrometer is Spex's RamalOg5 (photomultiplier tube RCAC3lO34), and the laser light source is CO2.
The measurement was carried out using a CR-3 argon ion laser manufactured by herentRadiatiOn, Inc., and an Ar''488.0r1m laser beam. The total reflection Raman spectra are shown in FIG. 7A and FIG. 8A.

入射角は共に臨界角+3.7めに、通常のようにレーザ
光をこれらの二層試料に透過して測定したラマンスペク
トルを第7図Bおよび第8図Bに示す。
Figures 7B and 8B show Raman spectra measured by transmitting a laser beam through these two-layer samples as usual, with both incident angles being critical angle +3.7.

これらの図においてSはポリスチレン、SPはサファイ
ア、Rはシリコンゴムに由来するピークである。第7図
および第8図Bのマークのないピークは全てポリエチレ
ンに、第8図Aのピークは全てポリスチレンに由来する
。0.05μm厚さの皮膜の試料に対する第7図AとB
、また1.1μm厚さの皮膜の試料に対する第8図Aと
Bの比較より、本発明の方法が極めて有力な表面分析法
であることが明白である。
In these figures, S is a peak derived from polystyrene, SP is a peak derived from sapphire, and R is a peak derived from silicone rubber. All unmarked peaks in FIGS. 7 and 8B originate from polyethylene, and all peaks in FIG. 8A originate from polystyrene. Figure 7 A and B for a 0.05 μm thick film sample
, and from a comparison of FIGS. 8A and 8B for a sample of a film with a thickness of 1.1 μm, it is clear that the method of the present invention is an extremely effective surface analysis method.

実施例2 ポリスチレンの濃度0.2,0.3,0.6,1.0お
よび1.7%のトルエン溶液を調製し、これらの溶液を
サファイアの内部反射エレメント板のM面(第5図参照
)にそれぞれ塗布し、適当な厚さに拡げてトルエンを蒸
発させ、皮膜を作つた。
Example 2 Toluene solutions with polystyrene concentrations of 0.2, 0.3, 0.6, 1.0 and 1.7% were prepared, and these solutions were applied to the M side of a sapphire internal reflection element plate (Fig. 5). (see ), spread it to an appropriate thickness, and evaporated the toluene to form a film.

皮膜の厚さはスペクトル測定後、実施例1と同様に触針
式膜厚計を用いて測定した。皮膜厚さは、それぞれ、0
.013,0.034,0.064,0.16および0
.35μmであつた。
After the spectrum measurement, the thickness of the film was measured using a stylus-type film thickness meter in the same manner as in Example 1. The film thickness is 0, respectively.
.. 013, 0.034, 0.064, 0.16 and 0
.. It was 35 μm.

次にポリスチレン皮膜にポリカーボネートフィルム(厚
さ11.5μm)を密着させてポリスチレン/ポリカー
ボネートの2重層試料とし、実施例1と同様にポリスチ
レン皮膜の厚さを種々変化させて全反射ラマンスペクト
ル測定し、分析可能な表面からの深さを実測した。
Next, a polycarbonate film (thickness 11.5 μm) was closely attached to the polystyrene film to form a polystyrene/polycarbonate double layer sample, and the total reflection Raman spectrum was measured by varying the thickness of the polystyrene film in the same manner as in Example 1. The depth from the surface that can be analyzed was actually measured.

本測定では0.1実の精度で設定可能なゴニオメーター
を用いて内部反射エレメント板へのレーザ光の入射角を
設定した。
In this measurement, the incident angle of the laser beam to the internal reflection element plate was set using a goniometer that can be set with an accuracy of 0.1 real.

試料へのレーザ光の入射角68.5板(臨界角十3.7
の)の場合の860〜1160cm−1波数域の全反射
ラマンスペクトルを第9図A上に示す。
The incident angle of the laser beam on the sample is 68.5 plates (critical angle 13.7
FIG. 9A shows the total reflection Raman spectrum in the 860 to 1160 cm −1 wave number region in the case of .

ここで、第9図Aはポリスチレン皮膜厚さ0.013μ
M..Bは0.034μM..Cは0.064μM..
Dは0.16pm..Eは0.35μmの場合をそれぞ
れ示す。
Here, in Figure 9A, the polystyrene film thickness is 0.013 μm.
M. .. B is 0.034 μM. .. C is 0.064 μM. ..
D is 0.16pm. .. E indicates the case of 0.35 μm.

スペクトル中、1002an−1ピークはポリスチレン
に、890および1112crfi−1ピークはポリカ
ーボネートに由来する。第9図A上から明かなように、
ポリスチレン皮膜の厚さが減少するにつれて(E→A)
、ポリスチレンの1002C77!−1ピークポリカー
ボネートの二つのピークの強度に比較して弱くなる。
In the spectrum, the 1002an-1 peak originates from polystyrene, and the 890 and 1112crfi-1 peaks originate from polycarbonate. As is clear from the top of Figure 9A,
As the thickness of the polystyrene film decreases (E→A)
, polystyrene 1002C77! -1 peak The intensity is weaker than the two peaks of polycarbonate.

そして、第9図Aのポリスチレン厚さが0.013μm
にいても1002C7I−1のポリスチレンピークがポ
リカーボネートのピークと同程度の強度を持ち、しかも
明瞭であることは本発明の方法が100人程度の薄い表
層の分析にも十分適用できることを示している。
The polystyrene thickness in Figure 9A is 0.013 μm.
The fact that the polystyrene peak of 1002C7I-1 has an intensity comparable to that of polycarbonate and is clear even in the case of 1002C7I-1 indicates that the method of the present invention is sufficiently applicable to the analysis of the thin surface layer of about 100 people.

実施例3 分析可能な最小の厚さをポリスチレン/ポリカーボネー
ト2重層をモデルとして測定した。
Example 3 The minimum analyzable thickness was determined using a polystyrene/polycarbonate bilayer as a model.

ポリスチレンの0.1%トルエン溶液を実施例2と同様
に内部反射エレメント板上に可能な限り薄く拡げてトル
エンを蒸発させ、皮膜を形成した。皮膜の厚さは測定困
難であつたが、ポリスチレンの0.2%トルエン溶液か
ら同様にして作つた皮膜の厚さが0.013μmである
ことから、0.006μm1すなわち60Aと推定した
。この皮膜と11.5μmポリカーボネートフィルムと
の2重層試料について全反射ラマンスペクトルを実施例
2と同様に測定した。
Similar to Example 2, a 0.1% toluene solution of polystyrene was spread as thinly as possible on the internal reflection element plate, and the toluene was evaporated to form a film. Although it was difficult to measure the thickness of the film, it was estimated to be 0.006 μm1, or 60A, since the thickness of a film made in the same manner from a 0.2% toluene solution of polystyrene was 0.013 μm. The total reflection Raman spectrum was measured in the same manner as in Example 2 for a double layer sample of this film and a 11.5 μm polycarbonate film.

その結果を第10図Aに示す。また、ポリカーボネート
単層の全反射ラマンスペクトルを第10図Bに示す。
The results are shown in FIG. 10A. Further, the total reflection Raman spectrum of the polycarbonate single layer is shown in FIG. 10B.

第10図AおよびBにおいて、1002cm−1ピーク
とポリカーボネートに由来する890および1112c
m一1ピークとの相対強度を比較すれは、第10図Aの
1002cm−1ピークがポリスチレンに由来すること
が明らかである。
In Figures 10A and B, the 1002cm-1 peak and 890 and 1112c derived from polycarbonate.
Comparing the relative intensity with the m-1 peak, it is clear that the 1002 cm-1 peak in FIG. 10A originates from polystyrene.

次に、このポリスチレン皮膜の推定厚さの妥当性を、皮
膜の厚さとポリスチレンの1002cm−1ピークの強
度との相関性から検討した。
Next, the validity of the estimated thickness of this polystyrene film was examined from the correlation between the thickness of the film and the intensity of the 1002 cm-1 peak of polystyrene.

結果を第11図に示す。1002cm−1ピーク強度は
、サファイアの576CTfL−1ピークに対する相対
強度て表わした。
The results are shown in FIG. The 1002 cm-1 peak intensity was expressed as the relative intensity to the 576CTfL-1 peak of sapphire.

また、実施例2における厚さ0.013,0.034お
よび0.064μmのポリスチレン皮膜に対する100
2Crfi一1ピークの相対強度を用いた。
In addition, the 100
The relative intensity of the 2Crfi-1 peak was used.

かつ、1002cjn−1ピーク強度は、ポリカーボネ
ートおよびサファイアの寄与を補正した。
In addition, the 1002cjn-1 peak intensity was corrected for the contribution of polycarbonate and sapphire.

l 第11図から明らかなように、0〜0.1μmの厚
さ範囲では全反射ラマンスペクトルのポリスチレンピー
クの相対強度と厚さとの間には、良好な直線関係が成立
し、かつこのことは本文中で述べたように理論的にも推
定されることから、推定厚さ0.006μmは妥当と考
えられる。
l As is clear from Figure 11, there is a good linear relationship between the relative intensity of the polystyrene peak in the total reflection Raman spectrum and the thickness in the thickness range of 0 to 0.1 μm, and this Since it can be estimated theoretically as described in the text, the estimated thickness of 0.006 μm is considered appropriate.

すなわち、本発明の方法は60A厚さの表層についても
十分分析可能であることを示している。
In other words, it is shown that the method of the present invention can sufficiently analyze a surface layer with a thickness of 60A.

実施例4ポリスチレンの厚さが0.006,0.013
,0.034,0.064,0.16,0.35,0.
43,0.56,0.65および0.93μmのポリス
チレン/ポリカーボネート2重層試料について入射角を
臨界角+3.7ーとして実施例2と同様な方法で測定し
、ポリスチレンに由来する1002cm−1ピークの、
サファイアに由来する576c『1ピークに対する相対
強度と、ポリスチレン皮膜層の厚さとの関係を実測した
Example 4 Thickness of polystyrene is 0.006, 0.013
,0.034,0.064,0.16,0.35,0.
Polystyrene/polycarbonate double layer samples of 43, 0.56, 0.65 and 0.93 μm were measured in the same manner as in Example 2 with the incident angle set to the critical angle +3.7-, and the 1002 cm-1 peak derived from polystyrene was measured. of,
The relationship between the relative intensity of the 576c peak derived from sapphire and the thickness of the polystyrene film layer was actually measured.

結果を第12図に示す。図中、実線は本文中の(2)式
よりλ=0.488μm1θ=臨界角+3.72、n1
=1.775(サファイア)、へニ1.606(ポリス
チレン)として求めた理論値曲線、O印は実測値である
が、実測値が理論値曲線に良く一致していることが明白
である。
The results are shown in FIG. In the figure, the solid line is λ = 0.488 μm 1θ = critical angle + 3.72, n1 from equation (2) in the main text.
The theoretical value curve obtained as = 1.775 (sapphire) and 1.606 (polystyrene), and the mark O is the actual measured value, and it is clear that the actual measured value corresponds well to the theoretical value curve.

実施例5ポリスチレン(0.064μm厚さ)/ポリカ
ーボネート2重層に対してポリスチレン試料面へのレー
ザ光の入射角θを臨界角(64.8料)に対して+1.
1,+1.2,+1.4,+1.9,+2.4および+
3.7おに変化させて、実施例2と同様に測定した86
0〜1160cm−1領域における全反射ラマンスペク
トルをそれぞれ第13図A−Fに示した。
Example 5 For a polystyrene (0.064 μm thick)/polycarbonate double layer, the incident angle θ of the laser beam on the polystyrene sample surface was set to +1.
1, +1.2, +1.4, +1.9, +2.4 and +
86 measured in the same manner as in Example 2, changing to 3.7
Total reflection Raman spectra in the 0 to 1160 cm −1 region are shown in FIGS. 13A to 13F, respectively.

ただし、レーザ光の内部反射エレメント板への入射の際
、レーザ光の偏光方向が入射面に垂直となるように設定
した。第13図A−Fから明らかなように、入射角が臨
界角に近づく程ポリスチレンの1002cm−1ピーク
に対するポリカーボネートの890及び1112cm−
1ピークの強度が著しく強くなる。つまり、全反射の際
の分析試料側へのレーザ光の入り込み深さが深くなる。
このように、入射角を変化させて表面から種々の深さま
でのラマンスペクトルを測定.できる。従つて、本発明
の方法によつて分析試料面へのレーザ光の入射角を変化
させて、各角度における全反射ラマンスペクトルの間で
スペクトルを取れば、種々の深さの層に対するラマンス
ペクトルを一測定することができる。
However, when the laser beam was incident on the internal reflection element plate, the polarization direction of the laser beam was set to be perpendicular to the plane of incidence. As is clear from FIGS. 13A to 13F, the closer the incident angle is to the critical angle, the higher the 890 and 1112 cm peaks of polycarbonate are compared to the 1002 cm peaks of polystyrene.
The intensity of one peak becomes significantly stronger. In other words, the penetration depth of the laser beam into the analysis sample side during total reflection becomes deeper.
In this way, we can measure Raman spectra from the surface to various depths by changing the incident angle. can. Therefore, by changing the angle of incidence of the laser beam on the analysis sample surface using the method of the present invention and taking spectra between the total reflection Raman spectra at each angle, Raman spectra for layers at various depths can be obtained. One can be measured.

この際、レーザ光の拡がり角を減少させて、平行光線と
することによつて、更に深さに対して精度の高い測定が
可能になる。実施例6 実施例2同様にサファイア製内部反射板エレメントのM
面(第5図参照)にポリスチレン皮膜を作り、これに厚
さ30μmのポリエチレン膜を密着させて、ポリスチレ
ン/ポリエチレン2重層とし、全反射ラマンスペクトル
を測定した。
At this time, by reducing the spread angle of the laser beam and making it a parallel beam, it becomes possible to measure the depth with even higher precision. Example 6 Similar to Example 2, M of the sapphire internal reflector element
A polystyrene film was formed on the surface (see FIG. 5), a 30 μm thick polyethylene film was adhered to this to form a polystyrene/polyethylene double layer, and the total reflection Raman spectrum was measured.

また、比較のために通常法によるポリエチレンのラマン
スペクトルも測定した。
For comparison, a Raman spectrum of polyethylene was also measured using a conventional method.

これらの結果を第14図A−Cに示す。These results are shown in Figures 14A-C.

第14図Aは通常法によるポリエチレン、第14図Bお
よびCは、それぞれポリスチレン厚さ0.045および
0.32μmのポリスチレン/ポリエチレン2重層試料
の全反射ラマンスペクトルである。
FIG. 14A is a total reflection Raman spectrum of a polyethylene bilayer sample prepared using conventional polyethylene, and FIGS. 14B and 14C are polystyrene/polyethylene bilayer samples with polystyrene thicknesses of 0.045 and 0.32 μm, respectively.

第14図BおよびCにおいてSはポリスチレン、PEは
ポリエチレン、SPはサファイアに由来するピークを示
す。これらのスペクトルの比較より本発明の方法が、物
質表面の分子種あるいは原子団を知るための優れた表面
分析法であることが明らかである。
In FIGS. 14B and 14C, S indicates a peak derived from polystyrene, PE indicates polyethylene, and SP indicates a peak derived from sapphire. From a comparison of these spectra, it is clear that the method of the present invention is an excellent surface analysis method for determining molecular species or atomic groups on the surface of a substance.

“比較例前述した従来法全反射ラマン法による二硫化炭
素の全反射ラマンスペクトルの測定結果を第15図で示
す。
Comparative Example The results of measuring the total reflection Raman spectrum of carbon disulfide by the conventional total reflection Raman method described above are shown in FIG.

この第15図は六つの入射角ψにおける測定例であるが
、これらのシグナルはいずれも極めて微弱であり、シグ
ナル/ノイズ比が小さく、分析に利用できる質のスペク
トルではない。
This FIG. 15 shows measurement examples at six incident angles ψ, but all of these signals are extremely weak, the signal/noise ratio is small, and the spectra are not of a quality that can be used for analysis.

この比較例に対応する条件での本発明の測定例は、たと
えば第8図Aであり、極めて明瞭で、シグナル/ノイズ
比の大きいスペクトルが得られている。
A measurement example of the present invention under conditions corresponding to this comparative example is shown in FIG. 8A, for example, in which a very clear spectrum with a high signal/noise ratio is obtained.

かかる第15図と第8図の比較から、本発明による測定
法が従来法に比較して優れていることが明白である。
From the comparison between FIG. 15 and FIG. 8, it is clear that the measuring method according to the present invention is superior to the conventional method.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は全反射を示す原理図、第2図は本発明の方法の
概要図、第3図はサファイアの結晶軸及び結晶面の説明
図、4図はサファイア製内部反射エレメント板の説明図
であつて、Aは平面図、B,Cは側面図、Dは斜視図、
第5図はサファイア製内部反射エレメント板の一実施例
を示す図、第6図は本発明の方法の一実施例を示す概要
図、第7図および第8図はポリスチレン/ポリエチレン
2重層膜のラマンスペクトルを示す図、第9図はポリス
チレン/ポリカーボネート2重層膜のラマンスペクトル
を示す図、第10図Aはポリスチレン/ポリカーボネー
ト2重層の全反射ラマンスペクトル、第10図Bはポリ
カーボネート単層膜の全反射ラマンスペクトルをそれぞ
れ示す図、第11図はポリスチレン皮膜厚さと1002
cm−1ピーク相対強度との関係を示す図、第12図は
ポリスチレンの1002cm−1ピークの相対強度と皮
膜厚さとの関係を示す図、第13図A−Gはポリスチレ
ン/ポリカーボネート2重層に対するレーザ光入射角を
変化させた場合の反射ラマンスペクトルを示す図、第1
4図Aは通常法によるポリエチレンのラマンスペクトル
を示す図、第14図BおよびCはポリスチレン/ポリエ
チレン2重層の全反射ラマンスペクトルを示す図、第1
5図は従来法全反射ラマン法による二硫化炭素の測定例
を示す図である。 1・・・・・・透明物質、2・・・・・・サファイア製
内部反射エレメント板、3・・・・・ルーザ光、5・・
・・・・散乱光。
Fig. 1 is a principle diagram showing total internal reflection, Fig. 2 is a schematic diagram of the method of the present invention, Fig. 3 is an explanatory diagram of the crystal axis and crystal plane of sapphire, and Fig. 4 is an explanatory diagram of a sapphire internal reflection element plate. A is a plan view, B and C are a side view, and D is a perspective view.
Fig. 5 is a diagram showing an embodiment of an internal reflection element plate made of sapphire, Fig. 6 is a schematic diagram showing an embodiment of the method of the present invention, and Figs. 7 and 8 are diagrams showing a polystyrene/polyethylene double layer film. Figure 9 shows the Raman spectrum of a polystyrene/polycarbonate double layer film, Figure 10A shows the total reflection Raman spectrum of a polystyrene/polycarbonate double layer film, and Figure 10B shows the total reflection Raman spectrum of a polycarbonate single layer film. Figure 11 shows the reflection Raman spectra and the polystyrene film thickness and 1002
Figure 12 shows the relationship between the relative intensity of the 1002 cm-1 peak of polystyrene and the film thickness. Figures 13A-G show the relationship between the relative intensity of the 1002 cm-1 peak of polystyrene and the film thickness. Diagram showing the reflection Raman spectrum when changing the light incidence angle, 1st
Figure 4A is a diagram showing the Raman spectrum of polyethylene obtained by the conventional method, Figures 14B and C are diagrams showing the total reflection Raman spectrum of polystyrene/polyethylene double layer, Figure 1
FIG. 5 is a diagram showing an example of measurement of carbon disulfide by the conventional total internal reflection Raman method. 1... Transparent substance, 2... Sapphire internal reflection element plate, 3... Loser light, 5...
...scattered light.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 透明物質にサファイア製の内部反射エレメント板を
密着し、該内部反射エレメント板と該透明物質との接触
界面でレーザ光を全反射せしめる角度で、該内部反射エ
レメント板にレーザ光を入射して該内部反射エレメント
板と該透明物質との接触界面でレーザ光を全反射せしめ
、この際透明物質中に入り込むレーザ光によつて生じた
散乱光を分光して、該透明物質のラマンスペクトルを記
録することを特徴とする透明物質の表面分析方法。
1. A sapphire internal reflection element plate is brought into close contact with a transparent substance, and a laser beam is incident on the internal reflection element plate at an angle such that the laser beam is totally reflected at the contact interface between the internal reflection element plate and the transparent substance. The laser beam is totally reflected at the contact interface between the internal reflection element plate and the transparent material, and the scattered light generated by the laser beam that enters the transparent material is analyzed to record the Raman spectrum of the transparent material. A method for analyzing the surface of a transparent substance.
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