～ 與南京大學（Nanjing University）博士生交流活動 2013  系列報導 ～

（時間：102年10月8日至10月14日；地點：南京大學、揚州大學）

【之六】

撰文：光電所博士班學生涂定勲、尹煜峰

一早，大家懷著期待的心情，步行經過歷史悠久的校園，來到南京大學的唐仲英樓，此樓是在2004年，唐仲英先生慷慨捐贈成立。它的創建以固體微結構物理和配位元化學兩個國家重點實驗室為核心，實驗室研究領域包括微電子、光電子、奈米和量子信息等領域的科學和技術。

首先我們來到了閔乃本院士及祝世寧院士等人所帶領的微納光子學的研究團隊，此團隊為人工微結構與量子調控協同創新中心的其中一個創新平台，提供給南京大學、中國科學技術大學、復旦大學、浙江大學、中科院合肥物質科學研究院以及其他研究單位。在後摩爾時代中，取得了不少重要突破。中心研究目標包括：(1)新型微結構材料中的量子調控技術。(2)微結構中電子、光子和准粒子運動的探索與調控。在多樣化訊息傳遞的時代，欲使南大成為推動新一代量子通訊調變技術的創新力量，從而奠定材料和元件物理基礎，最後乃能作為核心技術的重要發源地。

之後，我們來到了固體微結構物理國家重點實驗室和X射線衍射與散射實驗室，其近幾年來在：(1)介電體超晶格、(2)奈米材料與團簇物理、(3)非平衡態物質聚積、(4)軟凝聚態與生物物理、(5)高溫超導與巨磁電阻研究、(6)計算凝聚態物理與材料設計，均有活躍的發展。國際著名刊物《Nature》[Vol. 389（1997）113] 曾評價固體微結構物理實驗室是亞太地區“已經接近世界級水準”的研究機構之一。進到實驗室內，映入眼簾的是各式各樣的雷射光源、超快振盪、放大系統，以及變溫拉曼、XRD等材料分析系統，對於在同一個空間就能有如此充沛的研究能量，不得不令人驚艷。

在祝世寧院士團隊的研究成果中，可以發現，除了致力於投入尖端的學術研究外，也可在實驗室裡見到其對於把實驗成果商業化、產品化不遺餘力，像是自行設計用來裝載光路的可攜式量測系統，以及小巧方便的溫控系統等。在李世鳳同學的帶領下，我們看到了即將包裝起來的倍頻光源調控系統，在光學元件架設穩定後，還需要機械、電子電路設計等等才能實際投入商用，由此可見實驗室對於學生要求嚴格、訓練紮實。

而後透過萬明杰同學的介紹，進入另外一間實驗室參觀其團隊利用自組裝的Polystyrene小球，透過靈活利用可變角度金屬蒸鍍技術製成的微結構，驗證其surface plasma-polarization(SPP)效果，並和模擬結果相互印證。一般的研究人員容易偏重在實驗或是模擬上，而在這裡我們看到了用實驗去驗證理論的務實風格。

另一個令人印象非常深刻的，是魏冰妍同學所介紹，利用micro mirror投影晶片，配合一些光學元件組成的微影曝光系統。一般的微影曝光技術必須先製作玻璃光罩，才能進無塵室上光阻曝光顯影，過程繁瑣耗時。而利用此系統就簡單多了，在電腦上畫好的圖案可以直接投影到樣品上曝光，雖然有線寬上的限制，但已足以節省下大量的金錢時間，令人不得不佩服當初設計者的巧思和努力。

整體上我們觀察到，實驗室裡的所有儀器都置於無塵室中，人員要進入都必須先穿上簡便的無塵衣並通過air shower間，以避免粉塵汙染。而整體實驗室空間明亮、走道寬敞、環境整潔，大家都對於南大學生有如此的環境而有些許羨慕。而實驗室也要求人員共同維護環境，在參觀的時候就有碰到其中一個團隊全員出動打掃，另外像是“5S，你今天做了沒有？整理、整頓、打掃，整潔、素養”等貼在牆上的小標語，如此嚴謹的管理也令人佩服。

最後，我們也為這些在南京大學的同學們感到高興，能夠在這樣一個環境下完成自己的論文。這一趟參觀時間雖短，卻已讓我們感受到南京大學作為一所百年名校的風範。除了硬體設施健全以外，研究風格務實，管理嚴謹，加上優秀的師生群積極向上，必定能夠興國興邦，為國家產業乃至尖端科研做出貢獻。

【之七】

撰文：光電所博士班學生劉家偉

帶著緊張又興奮的心情，我們臺灣大學的博士生與教授們在所長的帶領下啟程前往本次交流活動的目的地—南京大學，因候補不到直航的機位，故我們需要在香港轉機，轉機時還不巧遇上了颱風，延遲了一個多小時起飛，所以我們到達南京時已經快晚上九點了，再來要大約兩個小時的車程才會抵達這次舉行兩岸博士生論壇的場地—揚州大學，還因為停車與路樹阻礙轉彎，遊覽車無法開進住宿區，而走了一小段路才抵達，幸好剛到住宿地點時，南大的金曉霞老師貼心地為我們準備了每人一份麥當勞的餐點，讓有些飢餓的我們感到相當開心 。

第二天開始正式進行本次參訪的重頭戲—博士生論壇，一開始由雙方舉辦這次活動的長官（他們稱做領導）們開始致詞，王振林副院長與祝世寧院士提到了許多有關這次活動開始的一些歷史因緣，如何促成本次交流活動的原因，還有介紹大學的一些特色以及各實驗室不同的研究領域方向等等，讓我們參與的人對這次活動有了多一些的認識。祝世寧院士還報告了一個相當有趣而且也才剛發表的題目，在晶片上面實現廣義相對論的研究，實驗相當巧妙而且講述的物理也很有趣，讓我留下很深的印象，台大光電所林恭如所長則是報告了有關光電所各個不同領域的研究概況。我被安排在第一天下午報告，心情難免也有些緊張，基本上報告是由南大、台大交錯進行的，可以感覺到南大的學生準備得相當用心，提問也相對踴躍，台大的同學們則比較專注在聆聽或與旁人相互討論，我覺得這是兩邊學生表現看得出有所差異的部分 。

Professor Hao-Hsiung Lin

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 林浩雄教授

GaAsPSb is an alloy consisting of three binaries; GaP, GaAs, and GaSb. The bonds of the three binaries are highly mismatched in length. As a result, the bonds undergo strong stretching and bending when they are packed into the alloy lattice. Although the strong bond distortion leads to difficulty in epitaxial growth, the distortion, especially the bending, strongly affects the electronic band structure. Theoretical calculation showed that the randomly bending increases the bowing of the valence band. This property has been studied using photoreflectance spectroscopy and applied to heterojunction bipolar transistor (HBT) with low turn-on voltage. Fig. 1 shows the transition energies of conduction band to heavy hole, light hole and spin orbit bands of GaAs_0.64P_0.19Sb_0.17. From the transition energies, we found an unusual large spin orbital splitting of 0.363 eV, which is attributed to the bowing of the valence band resulting from bond distortion. Because of the upward valence bowing, the alloy and GaAs are in type-II band lineup. We have fabricated a HBT with p⁺-GaAs_0.57P_0.28Sb_0.15 base. Thanks to the type-II band alignment, the device shows a reduction of turn-on voltage by 70 mV, a current gain of 40, and a very low knee voltage up to J_C = 40 kA/cm². The Gummel plot and output I-V characteristics of the HBT are shown in Fig. 2 and 3, respectively.

姓名：何宗一   指導教授：李嗣涔教授

摘要

三維結構的太陽能電池，由於其獨特的光電特性，在軸向上可以有效的吸收光，同時在徑向上也可以提供較短的載子收集路徑，使元件的能量轉換效率提升。此外，三維結構可以提供大面積的吸收層覆蓋，不僅有效的降低材料的利用，且相同吸收層的比較之下，能量轉換效率也比無結構的元件高出許多。我們以水熱法製備出三維氧化鋅奈米柱陣列，並成功的應用於薄膜非晶矽氫太陽能電池上。與平面無結構的太陽能電池相比較，三維奈米柱太陽能電池可以使能量轉換效率增益達28%。 圖一、三維奈米柱非晶矽氫太陽能電池SEM俯視圖。 圖二、三維奈米柱非晶矽氫太陽能電池SEM剖面圖。

論文題目：以奈米碳粉/石墨/石墨烯為飽和吸收體之被動鎖模摻鉺光纖雷射

姓名：林泳詳   指導教授：林恭如教授

摘要

我們首先使用碳系材料奈米粒子作為飽和吸收體(saturable absorber)。我們製作一高增益之摻鉺光纖雷射(Erbium-doped fiber laser, EDFL)，並發明依簡易之塗抹-擦拭-剝落法以降低石墨奈米粒子之體積(或層數)。藉此，我們能將此類鎖模雷射之脈衝壓縮至375 fs。我們發現在高功率增益的操作之下，雷射環腔內會產生極高的自相位調變效應(Self-phase modulation, SPM)。如果此效應能與群速度延遲色散(Group delay dispersion, GDD)效應互相補償，即可進一步地壓縮脈衝寬度。我們也嘗試將石磨奈米粒子虹吸於光子晶體光纖(Photonic crystal fiber)中，以產生被動鎖模摻鉺光纖雷射。 圖一、摻鉺光纖雷射系統架構圖。 圖二、石墨奈米粒子經不同剝落次數之被動鎖模摻鉺光纖雷射脈衝與光譜圖。

— 資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃巖教授、張劭宇 —

晶片上的重力透鏡

太空中巨大的物體扮演著重力透鏡的角色，將光線彎曲或是聚焦，科學家現在在晶片上創造出一個類似重力透鏡的現象，並且證明它的強度足夠能使光線作軌道運動 。

Arthur Eddington 爵士曾經是被稱為三位了解愛因斯坦廣義相對論之一人，當這個消息被他同事Ludwik Silberstein所告知時，Eddington停頓一下並且喃喃自語地說：我很好奇誰是第三位了解這個理論的人。現在，你也可以有機會了解這個理論了！根據Nature Photonics裡的一篇文章，劉輝與其同事發表了一個非常聰明又簡單的實驗，在實驗室中重現當年Eddington 用來驗證愛因斯理論的著名天文實驗。

這故事追溯到1919年，當時Eddington至非洲西部離岸的Príncipe島考察，以觀察即將發生在1919年5月29日的日全蝕，當日蝕開始發生時，月亮擋住太陽光，導致如白天變成黑夜而因此可以看見星星。Eddington將在太陽附近被陽光所擋住的的星星照相，他發現星星似乎會偏離原本位置一段距離，而這段偏離量正好與愛因斯坦廣義相對論裡預測的相同，當Eddington回至英國，他的發現和另外一批同時在巴西的Sobral考察所發現的結果，在英國皇家學會產生了共鳴，大眾開始對這發現產生興趣；並且這新聞被傳至美國，當時新聞記者訪問科學家以尋求解釋以及評論，然而他們在自己的國家發現沒有人能懂愛因斯坦相對論，失望之餘，他們只好將這一個故事總結為:愛因斯坦博士說星星會偏移是因為空間扭曲之故。沒有人了解這個理論，但是愛因斯坦是對的。

現在，劉輝與其同事所演示的實驗說明：Eddington針對愛因斯坦廣義相對論的觀察結果是很容易理解的。首先，星星在日蝕期間會從原來位置偏移跟日蝕本身毫無關係，原因是那些光的行經路徑是相當接近太陽的，如果平時沒有月亮擋住太陽，那太陽強烈的光線就會造成Eddington所拍攝的相片大量曝光；不管有沒有發生日蝕，太陽扮演一個照射體（如圖1a），太陽的重力扮演著一個巨大的透鏡，將星星所發出的光線做些微的偏折，而當光線越靠近太陽，這偏折的效應就越明顯，因為重力而使得光偏折的效應正是廣義相對論的結果。

根據愛因斯坦的理論，重力是時空的彎曲程度，這一開始或許會讓人有點無法理解，不過下面有很好的詮釋，愛因斯坦當時對“重力是最普遍的一種力”這個事實感到非常困惑，在沒有其他外力存在時，所有物體經由重力作用下都會以相同形式掉下去，無論這些物體是由什麼做成的或是物體到底有多重，只有速度決定物體的命運。舉例來說，當你丟一顆石頭，它會掉下來；但是如果你以逃脫速率丟一顆石頭，它就會跟衛星一樣繞著地球跑，每個東西與每一個人在重力下都是相同的。愛因斯坦問的問題是：為何重力可以那麼普遍？最簡單可以被大家想到的概念就是時空，因為所有物體都居住在空間中並且存在於時間裡，想像一下時空扭曲了，它會改變光線的路徑而不再直線前進，唯一會影響物體的因素就是在某一時刻所經歷的空間對時間的比值（也就是所謂的速度），時空的扭曲解釋了重力的普遍性，光是宇宙裡最快的東西，但是如果時空扭曲了，重力也會影響光，改變光的行徑路線就像Eddington所觀察到的，崩潰的星球存在的強大重力場甚至會限制住光線使光線在封閉軌道做運動（如圖1b）。

在光子學裡，使光曲折是一件平常的事，在具有折射率變化的透明物質裡，這種事情是一直存在的，這種GRIN物質除了會使光偏折外，也會讓光偏折的趨勢和時空扭曲造成的效果一樣，這是由於光線所走的路徑是需要花費最短時間的路徑，因此在較高折射率下光線就會花比較長的時間走完，我們可以用折射率對光路徑的影響來類比重力對光路徑的影響；如果我們將時空的扭曲以變化的折射率物質取代的話，那麼要了解愛因斯坦廣義相對論就很容易了。

藉由廣義相對論以及GRIN物質之間的聯想，劉輝及其同事將重力透鏡這個概念應用在積體光子晶片上，在晶片上，光在透明塑膠中傳遞，透明塑膠扮演著平面波導的功能，將光線限制在晶片的表面，藉由這種方法，光線就只能在二維的平原上傳遞。Smolyaninov及其研發團隊利用一種簡單又聰明的方法，做出一個彎曲平原來模擬出二度空間中空間的扭曲，這是一種利用楔形波導的方法，他們在塑膠還是熱的時候將一個玻璃微小球放到晶片上面，這時候塑膠會吸附於微小球周圍，而越厚的塑膠層代表越大的折射率，這種折射率分布正與星星的時空幾何分佈有著良好的近似。

折射率分布扮演著空間彎曲的角色，在相對論以及光子學裡，空間描述光是如何行進的，在廣義相對論中，不是只有光線會被重力影響而偏折，任何其他東西皆會因重力偏折，空間告訴我們物體如何移動；然而在廣義相對論中，物質也是產生重力的一個原因，物質告訴空間如何扭曲，正是因為物質的質量而造成重力，這個現象與光子學所描述的不相同，光子學描述的是物質的折射率分布跟質量無關，但是現在經由這個聰明的實驗設計，這種折射率分布可以近似於巨大星星造成的空間扭曲。

這個裝置不僅可以模仿Eddington在1919年觀察到星光的偏折現象，它也可以重現一些目前太空人還沒觀察到的重力造成的現象，折射率很大時以至於能將光線沿某一軌道運行，例如衛星在崩塌的星星周圍運動；當光線太靠近微小球時，它甚至會掉進這個星星的類似體，就像光線被吸收了一樣。然而劉輝及其同事無法利用GRIN物質重現類似黑洞的現象，黑洞會將通過其事件視界下的所有物體都給吞噬掉，而被吞噬掉的物體將會永遠消失；相反地，對於GRIN物質來說，將光線依原路徑做逆運動是很有可能的，意思就是當光從A跑至B，那它也可以從B跑回A，換句話說，光可以進去但是也可以出來，這種事情對黑洞來說是不可能發生的。

然而，晶片上的微小球對於捕捉光線是很有效的，這個裝置不僅在教學上（解釋廣義相對論）有很大的價值，它同時在積體光學裡對於捕捉光線也有很多的應用，有誰會料想到廣義相對論，這個理論在當時或許只有三個人了解它，但會在未來的某一天有著實際的應用呢？就像法拉第在1850年被他的首席稅務員問到關於新發現的電的定律到底有何實際應用一樣，而他的回答是：總有一天你會因為這個定律而徵稅的。