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 超導生物磁粒子造影系統最佳化特性研究(2022) 鄭元鈞; Jheng, Yuan-Jyun本研究於電磁波屏蔽室內建立一座超導量子干涉元件之磁性粒子造影系統，目前已得知磁性奈米粒子具有良好的生物相容性，且經由表面修飾後可具有與特定抗原專一性結合的特性，因此具有影像顯影及癌症標靶等應用潛力。在訊號偵測的部分，選擇三倍頻訊號用來避開生物反磁性訊號；在影像取得部分，此系統使用三維度步進馬達移動樣品進行掃描以獲得磁流體的磁訊號分布圖。為了將磁流體磁訊號與定位點磁訊號作出區別，另繞製線徑為 0.3 mm 、內徑為 10 mm 、共 10 匝的定位線圈共四顆當作定位點，同時給予定位線圈不同的頻率，藉由輸出頻率的差異，得以在後續將小鼠體內磁流體與定位點磁訊號明顯分開以利之後分析。本系統包含了激發線圈、接收線圈與超導量子干涉元件，藉由繞製多組接收線圈匝數與所串聯之反向線圈的匝數後，調整兩線圈之間距離至訊號測得最靈敏位置，即得以將系統背景雜訊降至最低，而經過後續研究數據得知本磁通轉換器最佳參數為接收線圈使用線徑為 0.2 mm 、內徑為 8 mm 、每層 20 匝共 140 匝，反向線圈使用線徑為 0.2 mm 、內徑為 8 mm 、每層 40 匝共 170 匝，此參數不但雜訊強度較低，且電壓磁場轉換比效率也相對較高。透過後續掃描磁流體之序列稀釋、排列不同圖案和在小鼠體內施打不同濃度之磁流體的影像也證實了此項研究結果。因此現階段系統比過去擁有更高靈敏度功能性檢測的優勢，未來更可被用於腫瘤(癌)細胞影像顯影及追蹤等，以證明磁性奈米粒子於生物相關醫學成像應用的可行性。Item 高溫超導磁量計與超導耦合線圈製作及特性研究(2012) 許晉瑋本實驗將討論如何設計與製作高溫超導磁量計與超導螺線 線圈。並利用重疊的方式使超導螺線圈與磁量計，達到最佳的耦 合效果。 我們使用鍍上高溫超導釔鋇銅氧的鈦酸鍶雙晶基板，利用微 影製程與氬離子蝕刻的方式，製作量子干涉元件-磁量計，但實驗 的過程中由於形成約瑟芬接面的薄膜太厚，導致無法量測到其 V-Φ 關係曲線，而透過薄膜厚度修正後，磁量計的最大電壓調制 幅度VPP 為13.8 Ｖ，而磁場雜訊在1 KHz 時約為25 μΦ0/Hz1/2。 另外使用鍍上高溫超導釔鋇銅氧的鋁酸鑭單晶基板製作出線寬與 線距均為100μm 的高溫超導螺線圈。 最後使超導螺線圈重疊在磁量計的接收線圈上方做為耦合線 圈，磁量計雜訊頻譜上升1.5 倍，但超導螺線圈與磁量計互感為同 樣圈數銅線圈的五倍，相信此耦合方式可應用於核磁共振系統中。Item 使用脈衝雷射沉積法在鈦酸鍶階梯式基座上製作高溫超導磁量計及其特性研究(2012) 高建智; Chien-Chih,KAO使用10 mm ×10 mm ×1 mm大小的鈦酸鍶基板，經過黃光製程使其形成階梯，階梯角度要在72度以上，之後利用脈衝雷射沉積法來鍍製釔鋇銅氧高溫超導薄膜，我們可以穩定製作出良好之高溫超導薄膜，其表面粗糙度控制在37 Å至39 Å，且臨界溫度在88 K左右，才會後續製作，經過光學微影技術及乾式蝕刻等製程來完成SQUID magnetometer的製作，之後再在配合量測儀器Mr. SQUID來檢查我們做出來的SQUID特性。 在本論文中，我們成功製作出高溫超導磁量計，樣品在液態氮溫度(約77.4K)下量測，其Vpp訊號最大時的臨界電流Ic 約在8 ~ 12 μA，常態電阻Rn約在2.5 ~ 5.5 ，我們發現階梯角度越高，其成功的Vpp訊號比其它階梯角度的Vpp訊號來的大；雜訊方面，在屏蔽下的環境，white noise可達到10 ~ 20 μΦ0/Hz1/2。Item 使用磁控濺鍍在氧化鎂階梯式基座上製作高溫超導量子干涉元件(2012) 王建達本實驗階梯式高溫超導磁量計，是利用磁控濺鍍方法，將釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7)薄膜，成長於氧化鎂(10 mm×10 mm)之階梯式基座上。利用曝光、顯影、氬離子蝕刻等半導體技術來製作。一開始使用階梯角度35°、45°、55°、65°的MgO基座，階梯高度在300 nm，在將MgO階梯基座鍍上臨界溫度可以到達86 K以上的釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-x)超導薄膜，薄膜厚度約150 nm，SQUID線寬為3 μm、4 μm、5 μm。再把SQUID樣品放置於低溫恆溫器，降溫於液態氮中之後再配合電路及量測儀器等來檢查我們做出來的SQUID特性。將每個階梯基座角度的I-V及V-Φ特性，做比較試圖找出特性最佳的階梯基座角度以及SQUID的線寬，再將薄膜厚度提升至200 nm後，以離子蝕刻的方式將薄膜厚度從200 nm降低，為了比較不同薄膜厚度的所量測的I-V及V-Φ特性。 本論文我們試圖研究探討不同角度的MgO階梯式基座，及不同角度的MgO階梯式基座所製作出的超導量子干涉元件的特性去做比較。希望能製作出V-Φ特性的Vpp訊號和雜訊能夠在NMR系統上使用。Item 階梯式高溫超導量子干涉元件基座及薄膜特性研究(2010) 潘柏翰本實驗使用的是尺寸為10 mm × 10 mm × 1 mm 的鈦酸鍶 (SrTiO3) (001)基板，經黃光製程使其形成階梯 (Step-edge) 式的基座來製作SQUID Magnetometer，之後利用脈衝雷射沉積法來鍍製臨界溫度90 K以上的釔鋇銅氧薄膜，經過光學微影技術及乾式蝕刻等製程來完成SQUID magnetometer的製作，之後再配合電路及量測儀器等來檢查我們做出來的SQUID特性。Item 階梯式陣列SQUID磁量計製作與特性研究(2010) 劉品均本論文主要是探討階梯式(Step-edge)直接耦合式直流SQUID磁量計之特性，其中SQUID 是以串聯方式與磁場補捉線圈形成直接耦合而成。磁量計中每個SQUID的線寬皆為3 μm，自感值為70 pH。實驗使用的基板階梯高度為192 nm, 階梯角度為70度,我們以階梯階梯高度與YBCO薄膜厚度比為1：1.2的條件下去製作SQUID磁量計, 順利的在階梯式基板製作陣列SQUID磁量計。 本實驗製作階梯的過程，製作階梯時離子束入射方向蝕刻的角度與基板相對的角度約60度，清除基板上殘留SrTiO3顆粒的蝕刻角度，離子束入射方向與基板的角度能儘可能的平行，以使階梯上緣的角度可以尖銳又陡峭，可以使約瑟芬接面順利產生，離子束入射方向與基板夾角60度蝕刻出來的基板角度是最陡，清除殘留SrTiO3顆粒選擇離子束入射方向與基板的夾角接近平行效果好。Item 一階SQUID梯度計磁場靈敏度特性之研究(2006) 蔡宜修; Yi-Shou Tsai在本實驗中，我們在10 mm x 10 mm x 1 mm的碳酸鍶雙晶體(晶界夾角24°)上鍍製高溫超導薄膜(YBa2Cu3O7-δ)，並用來製作一階平面式梯度計，最後的目的是希望可以在無屏蔽的環境下來量測一些生物的磁場，或者利用在非破壞性檢測等方面。 我們總共設計12個SQUID在圖形中，其目的是要增加製作的成功率，避免因為單一個SQUID的Josephson junction失敗，而造成整個樣品的失敗。另外此設計可以單獨一個操作，或可將兩個SQUID串聯起來工作，如此可以使得Vpp有疊加的作用，其優點是會使SQUID的靈敏度提高。 最後我們製作出來的梯度計單個SQUID的Vpp約為20 μV上下，而非屏蔽環境下的磁場靈敏度在1 KHz時約為40~80 fT/cmHz1/2之間，在1 Hz時約為700~2000 fT/cmHz1/2之間。Item 低場磁振造影於生物組織影像之特性研究(2017) 陳致豪; Chen, Jhih-Hao摘要 本研究結合了超導量子干涉元件(Superconducting quantum interference device, SQUID )磁性量測技術，並使用預先極化技術提升磁矩的磁化率，在鋁屏蔽屋裡建造低場磁振造影系統(Low-field MRI)。為了降低地球磁場對系統的影響，設計了一對地球磁場補償線圈，用來抵銷地球磁場的垂直分量，並旋轉系統主磁場方向與地球磁場的水平分量平行，藉此方便調整主磁場的強度，最後使用三個方向的梯度線圈，使磁場均勻度提升，以及造影所需頻率、相位編碼之應用。 在磁振造影部分，藉由改變系統的共振頻率，以及梯度磁場的造影序列，我們大幅提升了訊雜比(signal-to-noise ratio, SNR)，原本的SNR由213.15提升至533.14，影像品質進而提升許多。 為了驗證低場磁振造影系統應用的可行性，我們造影出清晰的蔬果結構性影像，並藉由水果二維與三維的磁振造影，可以判斷水果損傷的確切位置。在生醫方面的應用，我們進行手臂的磁振造影，也能夠得到結構性影像；豬肉的磁振造影也能觀察到輪廓，初步驗證本研究之低場磁振造影系統，做為生物醫學應用的可行性，此外系統造價成本及維護費用低廉，極具產業化的價值與潛力。 關鍵字：低場磁振造影、超導量子干涉元件、預先極化技術Item 大型超低場磁振造影系統架設與特性研究(2016) 吳沛哲; Wu, Pei-Che在本研究中，我們結合了預先極化技術以及超導量子干涉元件 ( Superconducting quantum interference device, SQUID ) 開發了大型低場核磁共振及核磁造影系統。系統主要由均勻磁場、預極化線圈、脈衝線圈、SQUID、及三個維度的梯度線圈所組成。為了抵銷地球磁場的雜訊，我們設計了一對抵銷地球磁場的線圈，並將系統放置於屏蔽屋之內，來降低環境雜訊對系統的影響。在磁共振訊號量測中，經由梯度磁場補償提高了系統磁場的均勻度後，並對內徑10公分接收線圈做最佳化。使400毫升去離子水樣品的磁共振訊號頻譜線寬可以從原本的15赫茲縮減到1赫茲，且訊雜比由21.14提高到340.6。在磁振造影量測中，我們對不同大小的水樣品進行二維平面造影，使用相位編碼、頻率編碼的造影方法，均能得到完整的樣品影像，驗證本系統的空間解析度可以達到5毫米 ; 在三維造影，我們成功將3cm厚的樣品成功切成6個切面，造影解析度也進一步提升至5mm x 5mm x 1cm。新系統的樣品量測範圍遠遠大於從舊系統的量測面積，從原本的內徑6公分圓面積擴大至內徑20公分的圓面積，增加未來使用低磁場系統來量測動物器官影像、人體腦部造影的可行性，且系統造價低，具有產業化的潛力。Item 高溫超導量子干涉式振動磁量儀應用於生物分子之檢測(2015) 莊本原; Zhuang, Ben-Yuan本實驗主要是要架設可量測飽和磁化強度並與高溫超導量子干涉儀結合的振動樣品磁量計量測系統，讓量測樣品能夠在永久磁鐵的磁場下進入飽和磁化狀態，再藉由量測樣品做振動得到量測訊號，測量磁流體與不同濃度生物分子結合後在飽和磁場下的訊號值。 實驗核心主要可以分兩部分高溫超導量子干涉儀端接收訊號與振動樣品磁量計系統端，在高溫超導量子干涉儀部份使用了高溫超導直流量子干涉元件磁量計，在磁量計的接收訊號的部分使用了銅線圈當輸入線圈以接收從振動樣品磁量計系統端來的訊號給高溫超導量子干涉儀。振動樣品磁量計系統端的部分振動源使用喇叭讓量測樣品能夠穩定做振動，在擷取線圈的兩側有一對磁場為3430高斯的永久磁鐵來當作本實驗的飽和磁場，再將量測到的訊號耦合給高溫超導量子干涉儀，量測不同濃度的生物分子與磁性奈米粒子結合的磁性變化。 本實驗架設的振動樣品磁量儀經由量測後得到的SNR值為417，振動樣品磁量儀的靈敏度可達5.5 × 10-5 emu，使用SQUID後的高溫超導量子干涉式振動樣品磁量儀得到SNR為660，高溫超導量子干涉式振動樣品磁量儀的靈敏度可達3.48 × 10-5 emu，並且初步完成在生物分子的檢測，未來可在進一步量測不同的生物分子。