光電工程研究所
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本所於民國91年成立碩士班，94年成立博士班。本所成立之宗旨及教育目標在於培育符合社會所需的光電科技專業人才，本所發展目標在於實現學界對於國內產業的關懷與參與之願景，並朝向「產業知識化、知識產業化」的發展趨勢與需求邁進。近年來，本校已轉型為綜合研究型大學，依據校務整體發展計畫與本所發展策略規劃之需求，將能提供本所未來發展之參考與願景。
本所研究方向 ：
一、光電材料與元件模組
二、奈米生醫及醫學影像
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Item 微共振腔鈣鈦礦量子點異質接面光偵測器元件之特性探討(2023) 吳文凱; Wu, Wen-Kai本篇最初使用化學氣象沉積法製作鈣鈦礦層，將鈣鈦礦作為增益介質，結合一個P型材料氧化鎳和一個N型材料氧化鋅製作成光偵測器，並加入金屬電極銀和布拉格反射鏡形成塔米電漿結構。由於本實驗利用化學氣象沉積法製作的鈣鈦礦層無法達成COMSOL模擬所需的厚度，因此改由熱注入法來製作，將鈣鈦礦層變成量子點的型態。 熱注入法製作出的鈣鈦礦量子點彼此間有許多的不連續的邊界，因此我們利用PMMA溶液覆蓋於鈣鈦礦層上方，不但填補了鈣鈦礦量子點裡晶粒間的空缺，也可以避免上方的氧化鋅與下方的氧化鎳接觸。量測方面利用COMSOL模擬了解該結構的低反射模態位置，並使用470 nm的LED作為光訊號來源使鈣鈦礦層產生光電流，最後比較有無布拉格反射鏡對鈣鈦礦光偵測器的影響。Item 電池式的咖啡烘焙機-多元化加熱模組研製(2022) 羅詩凱; Luo, Shi-Kai自製烘豆機整體架構，包含紅外線穿透材料、熱風、紅外線發射管，是多元化的加熱模組。紅外線發射管的熱輻射，不需熱傳介質，有著良好的熱效應，並且其本身有著極高的熱電轉換效率，可以省掉大量的功耗，是值得選用的熱電元件。本論文研究開發的紅外線穿透材料，經過高週波加熱實驗驗證，可高過加熱源溫度的優異表現，乃因兼具蓄熱與高放射特性。光譜穿透性能驗證，此材料中的200度、1000度的光譜數據顯示出中遠波長的穿透率分別達90%、80%以上，因此在中遠波段有良好的穿透率。咖啡豆內的水份吸收此波段的能量，達到烘焙的效果。 自製機與市售烘焙機進行烘焙結果的比較，經過色度、失重率與NIR進紅外光譜儀量測的比較後，其烘焙程度結果闡明，能區分出淺焙、中焙、深焙的結果。 關鍵字：紅外線、熱輻射、紅外線穿透材料、紅外線發射管、熱風、烘豆機Item 釔鉍氧/釔鋇銅氧雙層薄膜之成長與超導特性之研究(2023) 蔡佾倫; TSAI, I-LUN近年來拓樸絕緣體的討論度日益升高，拓樸絕緣體與超導體的界面研究更是近年來的研究重點，其主要原因是其非阿貝爾統計特性(Non-Abelian statistics)以及在量子計算和量子信息領域的應用潛力。本研究採用磁控濺鍍系統，將拓樸絕緣體材料釔鉍氧(YBiO3)成長於鈦酸鍶(100)基板上，並且經由X-ray繞射儀得到結構繞射，並利用原子力顯微鏡量測表面粗糙度以確認樣品品質。並且利用最佳化的釔鋇銅氧條件，將釔鉍氧成長於釔鋇銅氧上形成雙層薄膜。在製作過程中發現兩種材料會反應形成YBa2BiO6並且其反應速度會受溫度影響。最後我們將釔鋇銅氧鍍膜條件固定為Tg= 720 °C功率90 W，釔鉍氧鍍膜條件固定為Tg= 650 °C功率80 W，並且工作壓力固定為400 mtorr，製作出釔鋇銅氧厚度固定為100 nm，並在上面成長釔鉍氧厚度為10 nm、20 nm、50 nm、100 nm，利用四點量測系統測量得到臨界溫度(Tc)，單層釔鋇銅氧的Tc約為88 K，釔鉍氧厚度為10 nm、20 nm的Tc約為84 K、82 K，而厚度為50 nm的樣品則出現疑似半導體的特性，100 nm的電阻無窮大所以無法量測。之後我們針對釔鉍氧厚度為10 nm與單層釔鋇銅氧做磁性量測做比較，單層及雙層薄膜的Hc1分別為378 Oe、64.5 Oe，Hc2分別為15.67 T、9.748 T，並計算出相干長度(Coherence Lengh, ξ)與穿透深度(London Penetration Depth, λ) ，透過擬合λ-2的結果發現不論是單層的釔鋇銅氧或是雙層薄膜樣品的趨勢都不符合s-wave的超導體。最後利用磁滯曲線能計算臨界電流密度(Critical Current Density, Jc)以及釘扎力(Pinning Force, Fp)，經過計算得到單層釔鋇銅氧在0 K時Jc = 35.754 (106A/cm2)，雙層薄膜在0 K時為Jc = 11.177 (106A/cm2)。藉由擬合釘扎力的結果可以得到不同溫度下，可以推測釔鋇銅氧在77 K以下呈現一二維混和的磁通釘扎，77 K以及80 K時更接近一維磁通釘扎，而雙層薄膜在2 K及10 K時屬於一二維混和的磁通釘扎，在20 K到70 K的區間呈現二維的磁通釘扎，最後在77 K以及 80 K 時更接近三維的磁通釘扎。Item 光輔助金屬鈀薄膜蝕刻製程在少層硫化物成長研究(2021) 梁紘; Liang, Hong本論文目的在開發一個金屬鈀的奈米級蝕刻製程，應用在其成長硫化物層數控制技術開發。首先在大氣與室溫環境下，控制溫濕度條件，利用波長 1064 nm的遠紅外線雷射進行照射，透過不同照射功率與照射次數的改變，探討雷射對金屬鈀薄膜的改質情形。其次，利用雷射照射後的金屬鈀薄膜進行甲酸蒸氣反應實驗，在0.25M、80℃下將甲酸汽化、導入反應腔體與試片反應，進行薄膜單次與循環蝕刻實驗，透過原子力顯微鏡(AFM)的表面粗糙度變化與厚度變化觀察以及光電子能譜儀(XPS)的化學鍵結分析，得知蝕刻反應前後的狀況，包含蝕刻率與蝕刻終點等。透過最佳化蝕刻參數，每循環最小蝕刻速率可小於1nm/cycle，且蝕刻過後表面粗糙度約為0.2nm。在其硫化物成長的製程開發方面，利用單加熱區管型爐來進行，硫粉跟試片被放在加熱中心的相反方向來調整氣化溫度跟反應濃度。調整試片位置與中央加熱區溫度，透過拉曼光譜分析結果，得知Pd-S在中心溫度750℃、與中心加熱區距離20cm，得到最佳的硫化鈀成長結果。Item 具磁性/導電性的鎵基生物相容粒子之研製、特性探討、動物試驗(2021) 陳廷沅; Chen, Ting-Yuan惡性腫瘤又稱作癌症，在近年來成為伴生動物的主要死亡原因之一，且國人罹患癌症導致死亡的比例也是居高不下；癌症是細胞的不正常增生，這些增生會藉由體內的循環系統與淋巴系統，進而轉移到身體其他部分，令患者異常出血與慢性咳嗽，嚴重可能導致死亡，而治療方法主要以手術治療、放射線治療、化學治療等，但產生的副作用較多，這些副作用甚至會加深患者的疾病。近年來學者們致力研究熱消融之技術，為了改善侵入與非侵入性手術所帶來的副作用與危險性，但目前熱銷融技術須克服因組織吸收而限制加熱的深度，以及高強度聚焦超聲雖然深度足夠，但會引起皮膚灼燒的副作用。本研究藉由液態鎵與氧化鐵(Fe3O4)結合成新型態的複合粒子，用交變磁場感應加熱的方式來使鎵基磁粒子升溫，以熱燒灼的方法達到治療癌細胞腫瘤的目的，而氧化鐵(Fe3O4)則讓鎵基磁粒子帶來良好的磁控性，讓治療上有局部治療與指引的功能性。鎵基磁粒子的配置上是由多顆氧化鐵(Fe3O4)聚集，並藉由液態鎵作為其黏合劑沾黏在多顆氧化鐵中，合成後與液態鎵、氧化鐵(Fe3O4)進行感應加熱實驗，比較本研究對於鎵基磁粒子的升溫趨勢與產熱效果，並量測磁滯曲線來確認鎵基磁粒子的磁性。量測結果顯示鎵基磁粒子在合成後其磁性降低，但仍可以藉由其磁性進行吸附與吸引，並藉由調整加熱時間與磁場就可以達到控制熱治療的範圍與效果。動物實驗的部分，將鎵基磁粒子注射至腫瘤內的產熱溫度雖無液態鎵高，但其熱銷融的穩定性及定位性遠勝於液態鎵。Item 可溫控磁粒子頻譜儀之架設與特性研究(2020) 王遠瑞; Wang, Yuan-Jui本論文利用磁粒子頻譜儀進行對於磁性奈米粒子的實驗量測，控制外加磁場大小、不同粒徑及在不同的環境溫度下等不同變因，使用磁粒子頻譜分析系統(Magnetic Particle Spectrum Analyzer,MPS)，可以測得磁性奈米粒子的在不同變因下的磁化頻譜以進行分析。 本研究加入溫度控制系統結合磁粒子頻譜儀，溫控系統由溫度控制器、陶瓷加熱片、溫度感測線、風扇、保溫箱所組成，可以使環境溫度在25℃至50℃變化並監控箱內溫度，且升溫速度快可以在20分鐘將環境溫度升至50℃。 溫控系統可以使磁粒子頻譜儀在不同實驗環境下獲得磁性奈米粒子具溫度依賴性的諧波訊號，並利用5th/3rd harmonic強度比值觀察當溫度上升時的諧波變化，透過強度的下降值及下降率顯示當溫度上升時無論外加磁場大小，強度的下降幅度大致相同。 透過磁化頻譜來分析磁性奈米粒子的特性變化，以3rd/1st harmonic及2nd/1st harmonic來觀察外加磁場、磁性粒子粒徑、環境溫度等變因對於磁化強度的影響，實驗結果顯示，當外加磁場增加或粒徑增加時，獲得的磁化強度也會變大，若外加DC offset，隨DC訊號增加磁化強度則會到一最大值後漸漸下降，再透過磁化曲線利用程式模擬磁化頻譜以驗證實驗結果。Item 利用腦磁圖儀探討生理痛及精油芳香對工作記憶之認知面向研究(2020) 廖雄一; Liao, Hsiung-Yi本研究探討由工作記憶對女性生理痛以及透過芳香精油對認知面向的影響。在實驗過程中，我們主要用腦磁圖儀(MEG)測量受試者的大腦活動和行為的數據。 這項研究總共有18位健康女性參與實驗，並使用了全腦式306 陣列感測器腦磁圖儀(Magnetoencephalography, MEG)記錄了四種狀態，正常狀態、正常芳香精油狀態、生理期狀態和生理芳香精油狀態期間的行為表現、放鬆期間大腦α波強度和M170腦區活化強度。在實驗之前，受試者必須填寫疼痛強度量表。實驗設計如下：首先，受試者將看到連續5個0~9隨機的數。接下來，屏幕上將顯示兩個數字，然後受試者必須回答這兩個數字是否與先前出現的數字相同。在這項研究中，我們記錄了M170出現的時間、在M170出現時腦區活化強度和答題反應時間和正確率。 這些參與者在生理痛狀態(生理、生理芳香精油)和正常狀態(正常、正常芳香精油)相比表現出更高的疼痛評分。在放鬆期間大腦α波強度，正常芳香精油狀態與生理芳香精油狀態期間幾乎上升了。視覺工作記憶測試通過MEG和MRI分析在枕下顳葉周圍引起M170潛伏期的時空分辨率和活化源強度之高時空分辨率。與活化源強度相比，生理痛期間，給予芳香精油後活化源強度降低，驗證芳香精油對生理痛狀態影響之效應。Item 具垂直異向性之一維磁性多層奈米線與磁性穿隧接面奈米元件(2011) 陳柏源; Po Yuan Chen具垂直磁異向性之奈米材料於發展下一代磁紀錄媒體與磁電阻式隨機存取記憶體扮演極重要的腳色。結合電化學電沉積技術與具奈米孔洞之氧化鋁模板可達成大量製造、低成本與高密度之目標。本研究所製備之鈷與鎳鐵合金之奈米線被證實具備垂直磁異向性且可透過磁晶異向性與形狀異向性來調整。結合具垂直磁異向性之鎳鐵合金奈米線與鈷鐵硼薄膜之磁性穿隧接面元件已成功被製造與探討。於低溫10K的環境下，鈷鐵硼薄膜厚度為1.5奈米時，其磁阻為104%，而鈷鐵硼薄膜厚度為1.0奈米時，其磁阻為110%，且在鈷鐵硼薄膜厚度小於1.0奈米時，於無固定層的條件下元件呈現出自旋閥的特性。Item 新穎高效率太陽能電池之研究(2015) 姚詠祺; Yung-Chi Yao近年來，由於經濟的快速發展與人類的頻繁活動，人們對自然資源的需求與日俱增，其結果造成了各種天然資源日益短缺。為了解決人類永續使用能源的問題，科學界以及工業界正如火如荼地發展各種替代性能源。在這些替代性能源中，太陽光長期以來一直被視作永恆的能量來源，因此與太陽能相關的技術得以迅速地蓬勃發展，而其中以太陽能電池更是被廣泛地研究和討論。在本論文中，我們主要是根據不同電池材料的組成提出許多新穎的結構來提升太陽能電池的轉換效率。首先，我們已經成功地證明結合二維矽奈米柱(線)陣列和斜向銦錫氧化物薄膜的新穎抗反射膜對於入射光有大角度、寬頻譜的強吸收率，因此能有效提升該太陽能電池的轉換效率。第二，我們利用數值模擬方法分析出一不靠外部(雜質)摻雜、僅利用漸變氮化銦鎵的銦含量來製作單一接面滿足全光譜響應的高銦含量三族氮化物n-i-p太陽能電池。最後，我們提出利用硒化鎘量子點調製太陽光譜來提升磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯式太陽能電池的轉換效率。本論文依照各個章節不同的研究主題和使用方法將摘要進行分類，其分類如下： 1. 利用矽奈米柱(線)陣列搭配斜向銦錫氧化物膜增加太陽能電池光學吸收之應用 矽奈米柱(線)在太陽能電池方面的應用已被廣泛認為是相當具有吸引力的。在本研究中，我們分別利用感應電耦合式乾蝕刻技術和氧化還原-金屬誘導化學蝕刻方式製作出二維矽奈米柱(線)陣列。為了進一步降低發生在空氣和矽奈米柱(線)界面處的菲涅耳反射，我們提出利用斜角濺鍍沉積技術將奈米尺度等級的斜向銦錫氧化物薄膜作為空氣和矽奈米柱(線)間的中間層。由於矽奈米柱(線)能提供遮蔽效應，入射的銦錫氧化物氣流將被優先地沉積在矽奈米柱(線)的頂部，最終我們製作出的斜向銦錫氧化物薄膜可達到幾乎是無損且連續的表面。斜向銦錫氧化物薄膜除了本身擁有低折射率、高透明度外，在快速熱退火450℃的處理下，其薄膜的電阻率約為1.07x10^-3 Ω-cm，其摻雜濃度和載子遷移率分別為3.7x10^20 cm-3和15.8 cm2/V-s，亦可直接拿來當作電池的接觸電極。根據理論計算，該結構的轉換效率相對於單晶矽裸片的太陽能電池約有42％ 的提升，證明上述的奈米結構組合對於入射光有大角度、寬頻譜的強吸收率。然而在實際元件製作上，元件上層與銦錫氧化物接面因極性不匹配以及奈米線的高深寬比導致高的串聯電阻和低的並聯電阻，其結果伴隨著高的逆向飽和電流加劇光生載子在表面復合，進而影響了整體元件的轉換效率。 2. 感應極化摻雜三族氮化物太陽能電池之研究 我們利用理論計算方式來評估並設計出新型感應極化摻雜氮化銦鎵n-i-p太陽能電池。該方法並不使用傳統雜質摻雜，反而是藉由線性增加（0％增至30％）和降低（30％降至0％）氮化銦鎵裡每個單位電池的銦含量所導致的感應極化摻雜來製作太陽能電池的p型和n型區，其中p型和n型區的載子濃度均達到3×10^18 cm-3。在氮化銦鎵n-i-p太陽能電池裡，由於每個單位電池具有大小相同且均勻的極化電荷，將其依銦含量漸變堆疊可預期該元件的電位分佈有平滑的空間變化，這樣一來減緩能帶在異質界面處的不連續性，並有利於光生載子能高效率地流動和收集。最重要的是導電n型和p型區是透過靜電場的離子化而不是熱活化所形成的，該感應極化電場的載子濃度與熱凍結效應無關。因此，感應極化摻雜的三族氮化物n-i-p太陽能電池即使在低溫環境下操作亦可以提供穩定的轉換效率。 3. 使用硒化鎘量子點改善磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯式太陽能電池之電流匹配與提升其轉換效率之研究 三五族串聯式太陽能電池是最有效提供極高轉換效率的電池結構。然而該元件裡每個子電池之間的電流不匹配問題是引起該電池轉換效率實驗值偏離理論值一顯著挑戰。在本研究中，我們使用硒化鎘量子點來提升被限制的子電池光電流以匹配其他子電池的電流輸出並予以提升整體磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯型太陽能電池的轉換效率。該限制的光電流被提升的主要原因來自於量子點做為光子轉換器的基本機制。不同尺寸的量子點有調製太陽光譜的獨特能力，因此該太陽能電池提升的效率與選擇量子點的尺寸大小有絕對的關係。本研究結果顯示透過適當地選擇量子點，我們發現佈上直徑4.2 nm、濃度7 mg/ml的硒化鎘量子點在磷化銦鎵/砷化鎵/鍺串聯型太陽能電池上，其轉換效率與沒有佈上任何量子點的電池相比能有效提升10.39％。Item 使用超連續雷射光源的高解析度高靈敏度光譜域光學同調斷層掃描術(2012) 黃逸翔; Yi-Shiang Huang本篇論文的主題在於以超連續白光雷射作為光源，建構一套具有高解析度與高靈敏度的光譜域光學同調斷層顯微術(Spectral Domain Optical Coherence Tomography, SD-OCT)。於系統架構中我們引入了平衡式偵測法(Balance Detection, BD)，不僅能夠提升干涉訊號為兩倍，還能夠大幅度的降低自相干雜訊與直流項。經由實驗證明這套以平衡式偵測法為架構的高解析度高靈敏度SD-OCT系統能夠提供於生物樣品中達2m的縱向解析力，最快的成像速度可以達到每秒45,000條軸向掃描，其中每條為4096個畫素。在訊雜比部分，我們證明了於1mm的成像深度內能夠較一般的SD-OCT系統提升8~14dB的訊雜比。我們也將系統用於蓋玻片、膠帶來測試效能，並且實際應用於人類的甲襞微血管與手掌汗腺這兩種生物樣品的活體掃描。最後，我們嘗試使用貝索光束(Bessel beam)來延長這套高解析高靈敏的SD-OCT系統的景深。