學位論文
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Item Z掃描系統量測大面積異質結構二維材料之非線性光學特性(2023) 黃瀚民; Huang, Han-Min本研究利用Z掃描系統研究石墨烯轉印到氧化銦錫薄膜上的異質結構飽和吸收體(saturable absorber)之非線性光學效應，過去已有諸多文獻表明，飽和吸收體對於超快脈衝雷射的鎖模與脈衝塑形皆有很大的幫助，但也對飽和吸收器樣品表面的品質有極高的要求，所以我們將單點的Z掃描量測系統改良，透過電控元件將Z掃描系統架設成可自動量測大面積二維材料或薄膜的自動Z掃描系統。實驗使用飛秒級超快脈衝雷射、波長為800 nm的Ti-sapphire雷射入射至氧化銦錫薄膜及轉印上單層石墨烯的飽和吸收體，並透過固定式的衰減片改變雷射脈衝的能量來進行實驗，觀察樣品在不同光強度下的光學非線性效應。由實驗結果分析上述樣品的飽和強度(I_s)、雙光子吸收(β)與非線性折射率(n_2)等非線性參數值，尖鋒功率在1到26 GW/cm2的光強度下輸入至樣品，氧化銦錫薄膜的飽和強度的範圍在3到60 GW/cm2，在轉印上單層石墨烯後減少至0.3到7 GW/cm2，相較於氧化銦錫薄膜的飽和強度小了約一個級距，並發現雙光子吸收的影響極小，範圍約在10-14 cm/W左右。因此，達到飽和吸收大部份是由單光子吸收主導，而非線性折射率會隨著入射能量的增強而逐漸減小，範圍在10-12 到10-14 cm2/W。確認單點的非線性效應後，我們對石墨烯/氧化銦錫進行二維的大面積抽測(4*4 mm)及每點間隔75 um的二維掃描實驗，在尖峰強度7.84 GW/cm2的光強度下，飽和強度約落在1.2到50 GW/cm2，之所以會比單點量測的飽和強度大，是因為石墨烯在轉印過程中出現的破損或皺褶所導致的，非線性折射率在10-13 到10-14 cm2/W，與單點量測的係數在相同範圍內，顯示出樣品的均勻度對折射率的影響較小，藉由此方法能夠精確的定位掃描的範圍，有助於大面積且系統性地研究其光學特性。Item 石墨烯與高熵合金薄膜於表面電漿高反射結構及生物感測之應用(2022) 陳友華; Chen, Yu-Hua近幾年以來，表面電漿在光學元件設計應方面逐漸受到矚目，其強光場侷限性、較小的模態體積及打破繞射極限的能力，為它在微奈米元件領域中占有一席之地。本論文主要分為兩個部分，第一部分為使用高熵合金薄膜製成的表面電漿高對比度光柵高反射結構，使用有限元素法進行模擬。利用表面電漿的強光場侷限性，以及高對比度光柵利用環境的低折射率與光柵的高折射產生與一般光柵不同的效果，產生針對於兆赫波的高反射率。高對比度光柵本身是一種亞波長結構，利用高折射率材料做週期性的排列，再以相對低折射率的環境包覆光柵形成的光學元件，雖然結構與一般光柵相似，但能夠利用guided-mode resonance的理論產生所謂的橫向傳播，產生高反射的效果。第二部分為使用紅外增強吸收光譜結合石墨烯的表面電漿可調變生醫感測器，我們同樣使用有限元素法進行模擬。利用表面電漿的強光場侷限性及打破繞射的能力，將光場侷限於我們設計的石墨烯表面微奈米結構以增強紅外光與待測物質間的交互作用。而石墨烯在元件中所扮演的角色還有另一個作用，除了提供取代傳統金屬層與介電質層產生表面電漿的交互作用以外，也提供了元件的電性可調變之能力，能夠在不改變元件設計的情況下增加其量測範圍，提升其對於不同待測物的感測能力。我們所設計的兩種元件皆利用表面電漿在材料表面的高度侷限能力，並使用兩種不同材料對其進行設計，此研究結果預期對於為奈米尺度的表面電漿光學元件是有益的。Item 石墨烯於混合光聲生物感測器和太赫茲電漿波導之應用(2021) 許永周; Hsu, Young-Chou隨著科技發展進步，人類對電磁頻譜上最後一塊拼圖「太赫茲」越來越受重視，因此太赫茲的元件發展也顯得非常重要，本篇論文結合二維材料石墨烯的費米能階具有調變性的特點，利用有限元素法進行二維的石墨烯表面電漿子的元件設計與應用，並且分成兩個部分進行研究:第一部分石墨烯表面電漿波導設計。由於石墨烯的能帶結構特殊因此又稱為半金屬，能夠產生表面電漿在石墨烯與介電質之間傳遞；又因為石墨烯的邊界條件使橫向電波(Transverse Electric Wave, TE)也能夠產生表面電漿在石墨烯表面，不同於傳統只有在橫向磁波(Transverse Magnetic Wave, TM)才能夠在金屬表面產生表面電漿；並探討其傳遞距離(Propagation Length)與衰減深度(Decay Length)與TM極化表面電漿比較。 第二部分混合光聲生物感測器。由於石墨烯混合電漿生物感測器只能針對樣品的折射率做測量，所以當兩個待測物的折射率相同時會無法分辨兩者待測物，因此結合聲波於感測器上，利用不同待測物所固有的應力係數區分待測物，以達到更有效率的辨識待測物來源。Item 石墨烯與光子晶體共振腔結構之表面電漿探討及其在生醫感測的應用(2021) 鄭宜陞; Cheng, Yi-Sheng近年來，光學感測器對於生醫相關檢測的應用逐漸受到重視，其快速、便利及其非破壞性的檢測方式是其一大優勢，此外，觀察物質的光學特性也為檢測提供了另一個判斷的依據，特別是藉由侷限表面電漿能量的奈米結構更是在生醫感測的領域被廣為應用。本論文以有限元素法針對光子晶體結構結合石墨烯的表面電漿的光學感測器進行設計與應用。所設計的感測器類型為擁有高度電可調性的混合電漿生物感測器，可用於辨識中紅外波段範圍內的蛋白質分子指紋。此類型元件設計由一個光子能隙結構和一個以缺陷形成的共振腔組成，以此將電漿能量限制在共振腔內，實現光與分析物之間的強交互作用，而單層的石墨烯佈置於腔體結構中，除了能夠增強表面電漿的效應之外，也提供了元件的電性可調能力，藉由在腔體中填滿欲分析之物質以進行感測。此外，也藉由不同材料特性的搭配及石墨烯所佈置的範圍作了兩種設計，文中也針對此兩種不同設計的結果深入探討。設計的元件具有很高的等效靈敏度，而等效靈敏度的定義為在將分析物添加到腔體中時共振頻率偏移對應於等效折射率所變化之比例，而等效折射率是同時考慮到腔體結構和分析物的光學特性所影響的參數，不同於其他感測器只考慮了物質折射率變化，為本文的特點之一。而此類型元件另一個優點就是透過向石墨烯施加不同的偏壓來實現廣範圍的電可調性，以此可以調整腔體的等效折射率來提高針對非預設目標分析物的靈敏度。此類型元件的結構概念是依據光子理論所設計，並可透過由下而上的生長的薄膜製程及蝕刻技術來完成元件的製作，此研究結果預期對於微奈米尺度生物樣品的識別和紅外光學感測器是有益的。Item 微波輔助法製成石墨烯於可撓式複合材料及其可穿戴式傳感器之研究與應用(2018) 杜柏翰; Tu, Po-Han我們提出一個在未來很有前景的方法，利用低成本來大量製成石墨烯，在本論文中我們主要在探討以微波輔助法製成石墨烯於可饒性基板PDMS傳感器之研究，實驗共分三部分，第一部分，以不同參數的溶劑插層後使用微波輔助還原法來製備出石墨烯。第二部分，並以拉曼光譜(Raman)進行分析I2D/IG訊號比來判定石墨烯品質，經過一系列的測試我們發現在硫酸:硝酸鈉:去離子水比為35毫升:0.7毫克:5毫升有最佳的條件，I2D/IG訊號比為0.63。第三部分，藉由拉伸測試來量測應變傳感器進一步得到應變係數(gauge factor)，此係數可代表傳感器的靈敏度且應變量(strain)可達到30%，另外我們做了彎曲感測，使石墨烯在未來有更多更廣的應用可能性。傳感器基板我們選擇了聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)，此材料具有疏水性、無毒、有彈性、透光性佳等，讓未來石墨烯應變傳感器的應用端可以往生醫，作為人體的感測器。Item 石墨烯層狀結構光學性質之研究(2017) 鄧詔允; Teng, Shao-Yun此篇論文主要以轉移矩陣法(Transfer Matrix Method, TMM)來模擬石墨烯層狀結構在THz下的光學性質。 在第一個主題中，我們將由TMM來模擬Si和SiO2所形成的光子晶體在THz下不同入射角度的光子能隙的變化。 在第二個主題中，我們將單層的石墨烯參雜在由Si和SiO2所形成的光子晶體的不同位置中，並藉由改變石墨烯的化學勢以及電磁波在TE和TM的不同入射角度，來探導其對光子能隙的變化。 在第三個主題，則是將石墨烯放在每一層的Si和SiO2中，同樣改變石墨烯的化學勢以及電磁波在TE和TM的不同的入射角度，來探導其對光子能隙的變化。在低頻的範圍與出現了第一個主題中的沒有出現的截止頻率，在不同角度的TE波變化趨勢也與前三種結構的變化略有不同。