光电所所讯

第四十七期 2009年10月刊

发行人：黄升龙所长　　编辑委员：蔡睿哲教授　　主编：林筱文　　发行日期：2009.10.09

本所10月份演讲公告：

日期	讲者简介	讲题	地点	时间
光电论坛
10/23 (Fri)	李瑞光教授清华大学光电所	Light localization in classical and quantum worlds	博理馆 R113	14:30~16:30
10/30 (Fri)	陈启昌教授中央大学光电所	逐梦法国- 法国生活文化及留学经验谈	博理馆 R113	14:30~16:30

～光电所所学会2009学年度中秋餐会花絮报导～

（时间：2009年9月25日；地点：台湾大学电资学院明达馆3F中庭广场）

花絮整理：所学会会长魏祥钧

很高兴这次的光电所中秋餐会圆满地落幕，不知道大家是否吃得开心、聊得开心、拿得开心呢？感谢今年各位的参与，让我们的活动更加丰富。有许多地方没有准备得很周到，也感谢同学们的配合与包涵。

先从这次的事前准备工作讲起，相信大家都有发现今年有比较特别的场地布置，视觉上我们准备了三对大型软笔春联、七颗月亮的主题招牌、入口处的灯笼与专业毛笔对联，听觉上有特别的台湾味背景音乐，目的是营造更浓厚的中秋节节味。在宣传方面，有精美的海报，还有特别经过设计的餐券、特殊饮料的撕撕乐兑换券。至于餐点的准备上，为了避免"仅有早到的鸟儿有虫吃"的缺憾，我们特别准备了每人一个的必胜客独享比萨、限量特殊饮料(发掘出了许多酒鬼)，再加上另外预备的自助式餐点，目的是让大家都饱饱地回去。


舞台布置	好吃的餐点及踊跃的人潮

进入高潮的抽奖活动时，人人都可以拿到一个应景的月饼，这可是特别搜寻过后从育仁启能中心订来的唷，所以当您咬下一口的时候，就代表做了一件好事喔！

抽奖的礼品方面，我们准备了五十份客制化的手环随身碟，上面印有GIPO字样，富有纪念价值却又不流于俗气，另外还要特别感谢电机系胡振国系主任提供的高额SOGO礼券做为我们的大奖。今年奖品的单项金额或许没有往年高，但是最主要还是希望让多一点人可以开心地拿到东西走回实验室。值得一提的就是前三大奖，我们还准备了教授们签名的柚子以及放大版监狱兔毕业证书，是不是很有趣呢？


中秋餐会抽奖活动颁奖时间

此外，本次活动中也特别规划举行了光电所第一届微结构摄影竞赛的颁奖典礼，由于每一项得奖作品都是呕心沥血之作，所以趁这个机会让大家一睹得奖者的风采。


第一届微结构摄影竞赛颁奖典礼

第一届微结构摄影竞赛颁奖典礼

此次餐会活动的完成，要特别感谢光电所所长、副所长及所有参与教授们的莅临，也谢谢电机系胡振国系主任的参与并提供我们抽奖的礼券，使我们的活动更加圆满。再者，感谢所办的支持，电机二馆、博理馆及明达馆管理中心的协助，使筹备工作得以顺利进行。

最后也要特别感谢辛苦的幕后工作人员，胡佳宁、王怡文、张哲瑜、洪杰睿、刘彦良、李昀锜、洪钰庭、林柏裕、许舒涵、王晓淯，有你们的努力，才能办出这次的中秋餐会。另外也有许多临时为我们出力的朋友，谢谢你们。


七颗月亮的招牌
	大型软笔春联



	精心订做的手环随身碟

特制的第一大奖：监狱兔毕业证书

工作人员大合照

～ 2009 第一届微结构摄影竞赛得奖作品发表系列报导～【六之二】

（评选时间：2009年8月17日；评选地点：台湾大学博理馆B1博理艺廊）

《优等》

【作品名称】人间
【参赛作者】叶伯淳

【作品说明】

艺术性：

或高或矮、或胖或瘦。外表相似，却各有不同。然皆顺着时间洪流，向前漫步。宛如人间缩影。

实物说明：

实验成长氮化镓奈米结构，此为其一测试条件之照片，样品表面具有高密度奈米结构，亦构成此图之意象，煞为有趣。

《优等》

【作品名称】花焰
【参赛作者】黄玠维

【作品说明】

艺术性：

盛开之花如火焰般的生命力，殷红的花瓣，燃烧着极为短暂的惊艳。

实物说明：

利用E-beam writer写在不导电基板上所产生的电荷累积效应，光阻显影后，经由光学显微镜所拍摄到的图像。

～与南京大学（Nanjing University）博士生交流活动 2009 系列报导～

（时间：2009年7月5日至7月11日；地点：南京大学）

【之五】

撰文：光电所博士班学生蔡建中

中午于南大的南方园学生餐厅吃完午饭后，由南大傅德颐同学领军，一行人前往蒙民伟大楼顶楼的微加工中心。此大楼为香港信兴集团主席蒙民伟所捐赠，故此大楼以此命名。此大楼于2003年7月竣工，素有"江苏高校第一高楼"之称，亦为南京大学现代化标志性建筑。此楼层亦为其国家重点实验室-固体微结构国家实验室之一实验中心。下图所示之微加工中心，更有鸿海董事长郭台铭前往参访过，并给予高度赞赏。

此牌坊右侧大门口进入的通道，有设置一双扇负压隔离门，可防止灰尘跑进无尘室，进而影响内部微结构生长的质量。内部格局为单一通道设计。整层大楼仅一入口与一出口，目的为有效控制无尘室的大气环境。无尘室内部该有的设备一应俱全，从一般我们所熟知之光学显微镜，到可观察细部结构的电子显微镜、原子力显微镜、扫描式电子显微镜等，应有尽有。在此处生长出的二维与三维光子晶体结构，也都可藉由这些机台去计算量测出表面形貌、粒子大小、周期、与几何结构图形。当然，E-gun真空腔体薄膜蒸镀机、有机金属化学气相沉积机、E-beam 蚀刻机等较著名的机台，也是他们生长微结构过程当中，不可或缺的伙伴。目前大多数物理系所欲制备的微结构所需机台与器材，都可以在此处一贯手续完成。

由于参访的前一天南京下暴雨，导致当地造成罕见的水患，我们一行人进去无尘室后，发现天花板有些微漏水的现象。另外，他们的无尘室地处此大楼之顶楼处，震动或多或少会让无尘室在磊晶或者是结构生长与蚀刻，受到一定程度的影响。所幸南京不像台湾，位于环太平洋地震带，所以震动的因素或许可不列入生长环境考虑。

【之六】

撰文：光电所博士班学生纪裕杰

七日中午，利用短暂的休息时间，在南京大学物理系博士班学生吕新杰的带领下，参观了南京大学闵乃本院士与其研究团队(朱永元教授、祝世宁院士、陆亚林教授及陆延青教授等)对《介电体超晶格(Superlattice) (光学超晶格与声学超晶格)材料的设计、制备、性能和应用》之研究，该研究主张用光代替电子作为信息载体，并将超晶格的概念推广到介电材料(不导电但可透光的材料)上，也就是在绝缘的介电材料中引入在几何结构上与晶格相似的人工有序微结构，藉以实现对光与声的控制。总体思路是利用介电材料的线性、非线性光学效应、压电效应、声光效应等不同的物理效应对光、声的频率、强度、相位、偏振、传播方向等进行转换、调制操纵和控制，其研究成果简单列表如下：

1. 发展了两种超晶格制备技术，分别为控制生长条纹(Grown striations)与室温电场极化技术(Electric-field poling method)，并研制出周期(Periodic)、准周期(Quasiperiodic)、变周期(Period-varying)及二维等不同结构的光学超晶格。

2. 将光学超晶格与全固态激光技术结合，研制出多波长可调谐(Tunable multi-wavelength)光学超晶格全固态激光器。

3. 提出声学超晶格概念，建立超高频声波激发和传播的理论，并制备超高频声学原型器件。

4. 提出离子型声子晶体(Ionictype phononic crystal)的概念，在实验和理论上将晶体中光波与声波的耦合效应(极化激元(Polariton)的激发)从红外扩展至微波阶段。

5. 发现了超晶格中基于压电效应的新型极化激元。

6. 将Bloembergen的准相位匹配理论从周期结构推广到准周期结构、非周期结构，从一维拓展至二维，发展了多重准相位匹配理论，研制出能实现准相位匹配的超晶格材料。

7. 利用准相位匹配材料，发现了多种新颖的非线性光学效应。如光散射增强效应，非线性Cerenkov辐射，非线性光学中的Huygens原理等。

8. 光学超晶格可作为一种新型的纠缠光源(Entangled light source)，其转换效率比传统的BBO、LBO等晶体提高了一个量级，在波导中甚至高出四个量级以上。另一方面，其灵活的相位匹配方式及丰富的非线性耦合过程也大幅地扩展了纠缠源的功能。

9. 利用光学超晶格的独特优势，从理论上研究了耦合参量过程(Matching parameter process)产生的多光子纠缠(Multi-photon entanglement)态以及多模连续变量纠缠(Multi-mode continuous-variable entanglement)，并利用畴工程(Domain engineering)技术在实验上实现了对纠缠光子(Entangled photon)的波前调控。

10. 构造出一些特殊的人工金属结构，其电子的集体震荡元激发(Plasmon)可以对光波产生磁响应。利用这些磁响应单元做为人工磁原子(Artificial magnetic atom)可以组装出新型m≠1的人工磁特异介质。

11. 针对不同形式微奈米结构磁原子的本征特性以及对光的影响和调控的性质开展研究，着重考察多个磁原子之间耦合性质及由此构造的新型光学材料的各种功能特性。

自1978年闵乃本教授与其研究团队致力于介电体微结构和介电体超晶格的研究以来，在材料制备、物理效应、器件研制等方面展开了漫长的研究历程。陆亚林、陆延青等教授在闵乃本院士的指导下，利用各种周期的超晶格材料，实现了对连续波、奈秒脉冲、皮秒脉冲及飞秒脉冲等一系列光源的倍频，其频率转换波长覆盖了从红外到蓝紫光的宽广频段，得到国际学术界的广泛认同，其研究结果有3篇被发表在《Science》，10篇被发表在《Phy. Rev. Lett.》(两篇封面文章)，100余篇被发表在SCI论文中，另有综述性论文十余篇，在国际会议上作特邀报告二十五余次及美国专利二项。

在整个参观过程中，令我印象深刻的有两件事，其一是介绍人员对所属实验室研究成果相当了解，即使不是自己的专业领域，也能提纲挈领地介绍，而面对我们提问时，也都能不慌不忙地进行深入的回答。其二则是来参观的包含了大陆各大学(清华大学、上海交通大学、中科院光机所及天津大学等)的博士生，在参观过程中十分积极的提问，不论问题是否深入，只要不懂就问，这对于问问题前总是要思考再三，最后仍不见得敢问的我们，实在是一件值得学习的事。此外，虽然从目前的发表看来，闵院士与其研究团队的研究成果相当丰硕，但其实在研究的最初并未被人所看好，因为在当时这是一个相当冷门的题目，也还仅是在理论阶段，但闵院士与其研究团队在经过近二十年的努力与南京大学的全力配合后，得到了极成功的成就，针对此一问题，闵院士在一次接受访问中给了一个答案：「一个真正有素质的科学家，要耐得住寂寞，为了追求自己的科学设想，是要十年、二十年做下去的。」我想这其实给了我们一定程度的提醒，在面对自己的研究题目时，或许会遇到许多困难，当然也不见得能马上有成果，但若能静心思考，持之以恒，必能有所得。

Characterizations of GaN-Based LEDs Encompassed with Self-Aligned Nanorod Arrays of Various Distribution Densities

Professor Jian-Jang Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所黄建璋教授

GaN-based LEDs encompassed with self-aligned nanorod arrays of three types of nanorod arrangement were fabricated by simply using spin-casting and dry etching. Light diffraction behaviors are characterized by considering the radiation profiles of these structures. The output power enhancement factor of the S-nanorod device over the conventional one is 27.25% in the vertical direction and 30.43% for the integrated intensity. This enhancement is omni-directional because the less regular arrangement of S-nanorod structure results in a varying G and omni-directional distribution of radiation modes. On the other hand, from the radiation profile, the D-nanorod device shows better directionality due to its relatively well-aligned nanorod arrays (and thus less varying lattice vector G) but with a less optical output enhancement. The relatively well-arranged D-nanorods, especially in the first several columns facing p-mesa act as gratings with groove in the vertical direction and diffract laterally propagated light back toward the p-mesa, thus decreasing the amount of power enhancement. Also, the existence of higher order diffraction modes enables the S-nanorod device to have a higher power enhancement factor.

Fig. 1. Illustration of the LED device encompassed with nanorod reflectors

Fig. 2. SEM photos of the self-aligned nanorod arrays of the (a) S-nanorod, (b) M-nanorod, and (c) D-nanorod LEDs. The fill factors are 0.188, 0.285 and 0.467 for (a), (b), and (c), respectively. (d) Illustration of the triangular lattice for the calculation of the effective lattice constant a for a specific fill factor.

Fig. 3. Measured radiation profiles (a) and the normalized results to the vertical direction (90˚) (b) of the devices under comparison.

Analysis of Highly Conducting Lamellar Gratings with Multidomain Pseudospectral Method

Professor Yih-Peng Chiou’s group

Graduate Institute of Photonics & Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所邱奕鹏教授

Numerical modeling for grating structures plays an important role in their investigation and applications. The performance of the modeling is even essential, when grating periods become comparable to the wavelength and structures are involved with highly conducting materials. The rigorous coupled wave analysis (RCWA) is the most widely used spectral methods. But in recent years, numerical instability problem with TM polarization was discovered when the real part of the refractive index is very small (highly conducting gratings). Another common modal method is the classical modal method which is very powerful technique to approach this problem, but its complicate process to limit the further applications. Here we combine the features of these two numerical methods: the easily solved eigen equation in the grating of RCWA and the analytical mode profiles of modal method. The multidomain pseudospectral frequency method we adopted avoids classical modal methods from finding the roots of dispersion relation especially while complex roots are involved and avoids Runge phenomenon and Gibbs phenomenon to achieve uniform accuracy at the same time. The validity of numerical results by MDPS is compared with commonly used rigorous coupled wave analysis for TM polarization. The numerical evidence shows the developed method has not only better stability but also higher efficiency.

Fig. 1. Simulation results of a metallic lamellar grating of pitch 0.25μm with index 3.18-4.41j deposited on glass substrate with TM-polarized wave 0.55μm. (a) The diffraction efficiencies T0 by RCWA and MDPS. The circle line is obtained by using RCWA, and the solid line by MDPS. (b) The retained orders dependence of convergence of diffraction efficiencies.


Fig. 2. Diffraction efficiency R₋₁ of a highly metallic lamellar grating of pitch 0.5μm with index -10j as the function of the groove width g. The wavelength is 632.8 nm. The solid curve is obtained by MDPS and the dash line by RCWA.	Fig. 3. (a) Amplitudes of the first two TM modal fields with real effective index in the grating. (b) Numerically calculated diffraction efficiencies as a function of grating thickness.

Y.-P. Chiou, W.-L. Yeh, and N.-Y. Shih, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 27, Dec. 2009.

论文题目：镁掺杂8-羟基奎林铝之光电物理特性及其有机太阳能电池之应用

姓名：林建宏指导教授：李君浩教授

摘要

我们使用镁原子来改善有机分子8-羟基奎林铝（Alq₃）的光电特性。在有机太阳能电池应用里，镁掺杂8-羟基奎林铝能提供一个电子受体的角色并且拥有良好的电子传输能力；其能阶增加0.64 eV以致于形成载子转换(charge transfer)的型态，提供较高效率的光激子分离(exciton dissociation)。更从光谱中观察到其单重态(singlet state)（荧光）的光激子之生命周期缩短从14 ns 到2 ns，而且其三重态(triplet state)（磷光）的光激子保持稳定的长生命周期0.5 ms，并且三重态光激子的扩散长度被预测为90 nm。这样拥有长生命周期与扩散能力的有机材料能提供更多的光激子并且提升光电流的输出。在太阳能电池组件的表现上，添加镁金属粒子的组件与尚未添加的组件相较之下，光转换效率可以修正到0.15%，且其外部量子效率也验证出其光电行为被改善。


图一：镁掺杂Alq₃有机金属半导体能改善能阶上的不匹配问题，使得组件中产生适当的P-N接口，进而提升太阳能电池的光转换效率。	图二：金属镁原子逐渐加入有机半导体时，能改变电子传输能力，载子能在更低缺陷非晶系材料中更快速地传输。

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

— 整理：林晃岩教授、陈冠宇 —

应用于高增益放大器之高迁移率双极性有机材料

传统上有机材料所制造的电路只能允许一种类型（正或负）电荷通过，因为电子电洞迁移率差不多的材料，通常迁移率都很慢，所以不同的电荷传导层会选用不同的材料来达成；而美国华盛顿大学（University of Washington）最近发表的研究成果，则是让有机电子组件能同时良好地传递正负电荷。电子与电洞迁移率分别可达0.04与0.003 cm² V^-1 s^-1，使用这材料所制作具金电极的反向放大器，在电压增益-30时能有陡峭的转换，如图一。且此种有机材料制作的放大器可望利用于软性电子设备上。

现今的有机半导体最主要的缺点，就是主要只能传递正电荷──又称电洞（hole），因为正电荷的移动范围实际上是缺少电子的地方；在最近十年，有少数新开发的有机电子材料则是只能传递负电荷（电子）。因此可用的有机电路制造方法，其实是紧密地将两层复杂的电路图案迭在一起；其中一层传递电子，另一层传递电洞。因为目前的有机半导体有这样的限制，要运用就得想办法进行补偿，也导致各种复杂的制程与困难。

最近几年华盛顿大学化工系Jenekhe教授的研究团队开发了一种具备电子的施体(donor)与受体(acceptor)的聚合物，并仔细地调整了这两个部份的强度。他们现在与肯塔基大学化学系Watson教授的实验室合作开发出了一种能同时传递正负电荷的有机聚合物，并命名为PNIBT（naphthalenebiscarboximide-bithiophene），施体使用dialkoxybithio-phene，而受体使用NBI（naphthalene bisimide），化学结构如图二所示。他们的研究成果是不再需要使用两种不同的有机半导体，只要用一种材料就能制造电路。该研究团队已经使用新材料，透过与硅晶体管相同的设计模式制造出有机晶体管，且产出成果能同时让正负电荷快速通过。Jenekhe教授并表示，他们的成果是目前单一种有机聚合物半导体中表现最好的，电子移动速度比其它聚合物晶体管快了5~8倍。此外他们所制造的一组包含2个以上整合组件的电路，所产生的电压增益（voltage gain）也比现有聚合物电路的表现高了2~5倍。

图一、应用新材料所制的反向放大器电压转换特性

图二、应用新材料PNIBT的化学结构式

原始论文：	“High-mobility Ambipolar Transistors and High-gain Inverters from a Donor-Acceptor Copolymer Semiconductor”, Advanced Materials 21, （2009）
中文新闻来源：	http://www.eettaiwan.com/ART_8800581954_480102_NT_6416c704.HTM
英文新闻来源：	http://www.eetimes.eu/semi/219400564