第九十九期 2014年8月刊
 
 
 
发行人:林恭如所长  编辑委员:吴肇欣教授  主编:林筱文  发行日期:2014.08.20
 
 

~ 光电所2014年暑期大学生光电营  花絮报导 ~

(时间:2014年8月5日至8月7日;地点:台湾大学博理馆

花絮整理:所学会会长陈廷豪

2014 台大光电营在8月艳阳高照下出团了 !

你是否曾对于该选择就读哪个研究所感到困扰呢?不知道光电所究竟在做什么以及未来就业的方向?来台大光电营准没错!台大光电营为了让大学生在选择研究所时,能对光电所这个领域多加了解,同时也可以知道光电产业的未来方向,我们特地办了3天的行程,让学员们可以藉由上课、参访以及和学长姊们的互动略窥一二。今年的光电营有来自各个大学的大学生参加,大部分是电机物理相关科系的学员们。

第一天一开始是我们的光电所林所长的光电科技简介,接着则是我们的学员交流时间,我们将大家分成4个组别进行活动,学长姊们与学员们进行近距离的互动,有什么问题可以直接询问学长姊,我们发现大家似乎对推甄考试研究所特别感兴趣呢!接着是林晃岩教授为学员们介绍固态照明技术与产业,下午一开始是吴志毅教授进行有机发光二极管的简介,接着则是实验室参访和实验室的演习课,藉由实验室参访,学员们可以更了解实验室的运作,而藉由演习课,可以看到简单的光电实验。

第二天应该是学员们最开心的一天,因为我们要去校外参访了!今年的校外参访我们到了光宝科技和国家实验研究院仪器科技研究中心。早上到光宝科技,光宝科技为做光电相关模块的大厂。下午则是到位在新竹的仪科中心参访,国家实验研究院仪器科技研究中心(简称国研院仪科中心)是一个国家级研究机构,配合国家科技政策,从事仪器科技的研究与开发,是我们台湾仪器研发的重要机构。

第三天一早则是我们的神秘活动,队辅们为学员们准备了一项团康活动”超级比一比”,让学员们活动一下筋骨。因为最后优胜的组别可以获得光电所特制的精美礼物,大家都非常积极争取胜利呢!紧接着是第一天帮大家介绍固态照明的林晃岩教授再次来帮大家上课,不过这次是简介显示技术及其产业,之后有吴肇欣教授的太阳能电池技术和非常受学员们欢迎的孙启光教授介绍生医光电技术,孙启光教授在演讲完后,很多学员们仍意犹未尽,追着孙教授问问题,可以见孙教授的人气多赞。

最后来到我们的ending,综合讨论时间我们为大家准备了另一个团康“超级画一画”,超级画一画挑战大家的绘画能力以及想象能力,我们请每组选一人上台画出队辅给的题目,台上的人用心地画,其它学员们则用心地猜,整个会议室不时传出笑声以及嘘声,可见这真是在挑战大家的猜测能力,大家玩得欲罢不能!

团康结束后由我们的所长再次为大家总结,颁发光电营结业证书,然后是下午茶时间,超级丰盛的下午茶让学员们为之惊艳。这次优胜的队伍是我们的第一小队,小编非常佩服第一小队惊人的猜测能力,实在是令人佩服得五体投地啊!获得第一名实至名归,非常恭喜他们!最后在小队员们互相交换资料以及拍团体照后,2014台大光电营顺利画下完美的句点,非常感谢光电营各位学员们的捧场,台大光电营我们明年再见啦!

 

 

 
 
 

~ 参访群创光电股份有限公司 ~

(时间:2014年8月1日)

撰文:陈姿妤

参访团成员:林恭如所长、张宏钧教授、林清富教授、管杰雄教授、林晃岩教授、吴志毅教授、邱奕鹏教授、苏国栋教授、蔡永杰教授

本次参访群创光电公司台南南部科学园区TOC 厂区,该公司拥有完整大中小尺寸LCD面板、及触控面板的一条龙全方位显示器等制程供应生产线,为台湾面板生产重要厂区,以其创新研发技术供应全球先进显示器相关产品。当日访视行程由张仁勇经理协助安排,萨文志副总经理亲自接待,参访公司厂区触控面板一条龙制程流程及生产显示器相关产品Demo Room,接续公司研发团队成员与本所教师,针对未来研究计划合作、学生奖励金及产学合作等规划进行初步讨论,圆满完成此次参访活动。经由此次访视交流活动,期望未来能持续建立起研究合作关系,并有效提升本所研究技术能量。

本所参访教师于群创光电公司厂区合影

 

 

 

 
     
 
 
 
Role of Cathode Connecting Layers and Energetic Alignment in Organic Photovoltaic Devices

Professor Chih-I Wu

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 吴志毅教授

Open-circuit voltage is one of the key parameters affecting the performance of organic photovoltaic devices. Several electronic mechanisms originating from energy band alignment within the path of charge transport and carrier extraction are the major factors that limit the Voc. We demonstrated that the influence of energetic disorder due to introduced cathode buffer layers between active layer and metal cathode can contribute to energetic favorable charge transport and extraction, leading to Voc enhancement. To explore the dependence of Voc on the energetic properties of the contacting materials prior to cathode deposition, we proposed a comprehensive model for buffer layers based on molecular materials commonly employed in OLED and OPV cells.

Energy band alignment of various cathode buffer layers in P3HT/PCBM based bulk-heterojunction (BHJ) solar cell are checked via in situ ultra-violet photoemission spectroscopy (UPS) and the results are organized as follows: First, we clarified the correlation between charge transport property and carrier extraction ability at buffer layers with energetic favorable band alignment. This includes a presentation of qualitative models for the dependence of HOMO and LUMO offset between active layer and buffer layer on the shunt resistance and series resistance, and short-circuit current density, or saturated value of Voc based on Shockley’s theory for p-n junctions. Second, the dependence of Voc and OPV operating parameters on the cathode contacting materials with inappropriate energy offset or transport ability, such as narrow band gap and hole transport materials, were obtained. We investigated not only the LUMO offset related to electron transport, but also the influence of HOMO offset on carrier extraction at cathode contact. Experimental details and device performance are provided in our recent publication. As a result, the performance of P3HT/PCBM based BHJ solar cells with various buffer materials can be classified into three class according to the energy offset. Class I contained large HOMO and LUMO offset so the better hole blocking and electron transport ability lead to a saturated value, 0.6 V, of Voc in P3HT/PCBM system. Class II has either large HOMO offset or LUMO offset making a small decrease in Voc and a poor Voc for Class III due to inappropriate energy offset of buffer materials. Finally, we summarize the key findings to propose and verify a new model which gives predictions for the maximum Voc in BHJ solar cells consisting of buffer materials.

 

 

Organic solar cell with 95.6% internal quantum efficiency

Professor Jiun-Haw Lee

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 李君浩教授

With suitable device and fabrication design, an organic solar cell (OSC) with 95.6% internal quantum efficiency (IQE) was demonstrated with boron subphthalocyanine chloride (SubPc) and C60 as the electron donor and acceptor materials, respectively. To improve the open circuit voltage (VOC), SubPc/C60 heterojunction structure was employed. Suitable deposition rate of SubPc was needed between the tradeoff between VOC and fill factor. 3-nm N,N-dicarbazolyl-3,5-benzene (mCP) was inserted between indium-tin-oxide (ITO) anode and SubPc which served as the exciton and electron blocking layer. Combined with layer thickness optimization, IQE of such an OSC reached 95.6% at the absorption peak 590 nm.

 

Fig. 1. (a) J–V characteristics and (b) IQE of OSC with different mCP thickness.

 

     
 
 
论文题目:牛眼光波穿透结构之电磁分析

姓名:苏英杰   指导教授:张宏钧教授

 

摘要

吾人使用自行开发之二维及三维平行化有限差分时域法软件,针对混周期式牛眼结构(mixed-period-bull’s-eyes)的电磁光波现象进行探讨。本研究之数值分析结果表明,当光波穿透过混周期式牛眼结构上之次波长孔径(subwavelength apertures)时,出射光会出现类似于旧式牛眼结构(此指刻划周期性凹槽之牛眼结构)所拥有之异常穿透现象及指向性出射现象(beaming phenomena)。具体而言,当混周期凹槽刻划在银薄膜的光入射面时,由于表面电浆共振激发,此牛眼结构之出射光的穿透频谱图会出现多重异常穿透波峰(如图一之蓝线所示);反之,当混周期凹槽转为刻划在银薄膜的光出射面时,由于表面电浆子之绕射效应,出射光的场形分布图会出现多重指向性出射现象,即出射光会形成两道不对称(如图二之场形图所示)或者对称之准直光束。此外,上述之数值模拟结果亦与表面电浆子光栅绕射理论所预测之结果相当吻合。

综上所述,由于本文所提出之混周期式牛眼结构不仅具有多波长滤波特性,同时亦具有产生不对称或对称型态之分光特性,因此本研究之结论认为,混周期式牛眼结构在微型滤波组件及微型分光组件之发展上极具应用潜力,可提供吾人在微观尺度下操控光路更大的自由度。

图一
图二

 

 

论文题目:自组织奈米结构材料于有机发光组件之应用

姓名:蔡玉堂   指导教授:吴忠帜教授


摘要

有机发光二极管被视为下一世代的照明与显示科技,然而目前仍有一些课题需改善与解决。举例来说,实现具备偏光选择性的有机发光二极管以供3D影像显示器使用、提升显示器影像的光学分辨率以符合高画质的影像显示需求、和提高组件的出光效率以达到节能需求等。本论文中,首先,我们探讨具液晶特性之磷光有机发光材料运用于有机发光二极管的偏光选择机制。所选之液晶分子经由微弱的作用力引导产生特定的排列,此一具非等向光学特性的自组装奈米结构薄膜能有效操控电致发光组件的偏光选择性。接着,我们探讨具有自组装特性之有机发光奈米球壳之基本光电特性,并将其使用于有机发光二极管结构上。研究结果验证了自组装有机发光奈米球壳在电致发光下为接近光学绕射极限的单一点光源,有机会经由更进一步地研究来实现高分辨率有机发光二极管显示器。最后,我们使用斜向角度沉积技术(GLAD)来制作可调控光学特性之奈米结构薄膜,并将其应用在有机发光二极管上,以达成各膜层光学折射率之匹配。此一光学匹配经验证确实能有效提高有机发光二极管出光效率。总结来说,具有自组装特性之奈米结构未来具有相当潜力可广泛的应用于各式先进有机发光二极管上或光电组件上。

图一、有机薄膜N200于激光扫描共轭焦显微镜下之影像:(a) 配向前。(b) 配向后,垂直极化激发。(c) 配向后,平行极化激发。

图二、使用斜向角度沉积技术于0度与60度所制备的奈米结构薄膜之上视与侧视SEM影像。

 

 
 
 

— 资料提供:影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理:林晃岩教授、张劭宇 —

一万个微小激光的数组

将光学组件(像是波导或是激光光源)密集地整合在芯片上是光子晶体研发的目标之一。然而,机械脆弱性已经被证明是一个限制因素,尤其是在空气中桥接光子晶体结构。现在,Takumi Watanabe和他的研究团队在国立横滨大学已经展示出100 × 100μm2的样本分别包含了1,089、2,376和11,664个整合在一起的光子晶体激光。(Appl. Phys. Lett. 104, 121108; 2014)(如图1所示)

虽然光子晶体已经存在十几年了,还是有很多的实验使用脉冲帮浦技术。除此之外,Watanabe表示,只在2007年时才曾有展示出非常小的模态数(小于波长的三次方)于室温时的连续波运转。 

 

图1、光子晶体激光数组样本。

Watanabe告诉Nature Photonics,说明他们做法之所以成功一个主要的原因是制程的简化,使得这样的技术更适合用在大尺寸数组的整合上。另外一个原因是使用在空气中桥接结构的使用,此种方法提供强烈的光学局限。但是,这种结构具有机械脆弱性而且通常不适合用在大尺寸的整合上。为了解决这个问题,他们团队发展出将树脂灌入平板和玻璃基板之中的方法。

在近期的研究中,激光与激光的间距是5微米,但是此团队已经预先展示出间距2.5微米的独立激光。如果相邻的奈米激光间距小于2微米,就会发生显著的耦合现象;会使得激光共振腔的质量因子下降。

相较于具有空气中桥接结构的常用单一个光子晶体激光,平板之下的包覆层是黏着剂(聚二甲基硅氧烷),可以产生较小的光学限制。Watanabe指出新的结构会略为增加临界阀值,若将其应用在传感器的应用上,灵敏度相较于传统具有在空气桥接结构的奈米激光会下降约50%。

关于激光总数量的上限,Watanabe指出最主要的问题是技术的限制。举例来说,利用电子束光刻技术制作的光子晶体图案一部设备在大约10小时内可以制作出11664激光数组,若在好几天的时间就可以做出更多数组。当然,长时间与大面积的进行光刻技术会使图案的准确度下降。因此,大数量激光的测量也将耗费可观的时间。

「我们使用一台配有一维砷化铟镓影像传感器的频谱仪与自动控制的移动平台,在两个小时内可量测1089个激光(如表1及图2所示)。」渡边解释说:「举例来说,如果我们使用奈米压印光刻图案技术,然后使用高功率激光量测分批帮浦与量测,那么这些问题就可能被解决。」

 

表1、一个单位内9个奈米激光的细节。

图2(a) 激光波长分布之条状图,其中每个直条代表1奈米波长;而高斯曲线拟合每一个设计的结果(每一个图形的数字代表其设计编号);(b) 1089数组的激光波长分布。其中辐射峰值功率、占空比、和帮浦脉冲光斑直径分别是4.9毫瓦、200微米和3微米。

 

参考资料:

1. David Pile, “10000 tiny lasers,” NATURE PHOTONICS 8, 354, May 2014. http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n5/full/nphoton.2014.89.html

2. Takumi Watanabe, Hiroshi Abe, Yoshiaki Nishijima, and Toshihiko Baba, “Array integration of thousands of photonic crystal nanolasers,” Appl. Phys. Lett. 104, 121108, 2014.

   
 
 
 
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