～ 与南京大学（Nanjing University）博士生交流活动 2013  系列报导 ～

（时间：2013年10月8日至10月14日；地点：南京大学、扬州大学）

【之八】

撰文：光电所博士班学生石璧魁

这次交流活动是我第一次参访大陆，感谢南京大学的安排让我们拜访了苏州、杭州、扬州跟南京这几个不同的城市。在扬州，嘈杂的喇叭声和凶猛的开车方式让人紧绷，到苏杭略带古意的街道让人宁静不少，回到百货公司精品店林立的南京，就跟听闻的一样，大陆的硬设备比起台湾有过之而无不及，走在街上有种熟悉的感觉。或许也由于全球化和教育的关系，在与学生交流中，其实发现两岸学生的生活差异不是很大，休闲娱乐也蛮相似的，而且也都很热情和善有礼貌，很难想象走到外面马路就彷佛到了另个环境。

普通话似乎是共同的语言，尽管两岸用词存在一些差异，听不懂的，多听多问之后，很自然地就习惯接受了，毕竟现在常常会有新的网络用语产生，对我们来说适应上不会有很大的问题。但是还是有一些看似听懂但完全误会的用词，这次在聊天中意外得知”感冒”这词，像”我对你很感冒”，在台湾来说是带有不喜欢的负面意义，可是在他们的用法是正面喜欢的意思，刚好相反，说出来这误会可就大了。除了用词之外，一些字的发音也略有不同，之前一直以为是各地口音造成的差异，没想到原来除了字的写法有简体繁体之分，两岸的注音也不是统一的。

大陆研究所学制是与台湾不同的，博士是三年制，与日本相同，倒是让我们羡慕不已，不过话虽如此，毕业也是有点数的门坎限制，在某些领域也是会超过年限。谈到平日休闲，电影、偶像剧、在线游戏和扑克牌都是共同的语言，特别是网络的发达，两岸的综艺节目都可以很容易收看，像台湾的「康熙来了」，对岸的「非诚勿扰」相亲节目或歌唱选秀节目也都进到了生活之中，由于江苏卫视位于南大附近，听说前阵子也有南大的学生报名参加节目。除此之外，运动相关对男同学来说当然也是个无国界的话题，虽然适逢亚运，可惜由于旅程忙碌的关系并没有太多时间注意。

这边学生生活最让人吃惊的还是校内的公共澡堂，更令我无法想象的是里面虽分男女，但男浴跟女浴内似乎是没有隔间的，这不禁让我回想起当兵的情形，那第一次裸裎相见是花了多大的勇气，虽然之后也就习惯了，没想到在南大是很正常的一件事。也由于公共澡堂有开放时间限制，加上宿舍半夜也有门禁管理，这也使得这边夜间活动不像台湾学生多采多姿，而待在研究室的研究生们作息应该也会正常些，日夜颠倒的情况应该比较少发生。除了作息受到限制，大陆由于国家政策的关系，封锁了许多网站或是应用软件，使得信息传递不若台湾频繁，思路也不像台湾同学那样活泼，但相对来说在根本问题上会比较严谨专注，这些差异也反映到研究上面，在接连两天的研讨会中，从邀请报告到同学之间学术交流的研究报告，都让我们有很深的触发与感想。

在短短的七天中，很高兴认识了一些大陆同学，也期待下次的相聚可以有更多的切磋和交流。

【之九】

撰文：光电所博士班学生张晏硕

两岸光电科技博士生学术论坛的举办方式是一年一次，一年由台湾过去大陆参访，一年由大陆过来台湾交流，2013年刚好是轮到台湾过去大陆参访，所以今年由林恭如所长带队，黄建璋副所长、林晃岩教授与吴育任教授亦同行前往参访。

Professor Ching-Fuh Lin

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 林清富教授

Crystalline silicon (c-Si) photovoltaics (PVs) have dominated PV industry for several decades. However, current crystalline-silicon solar cells based on thick wafers have little flexibility, so limiting their applications on curved or bendable surfaces. Highly flexible and light-weight solar energy devices have received significant attention owing to their potential inspiration provided in various modern applications such as robotics, portable electronics, flexible displays, building windows, curved building structures and other systems. In recent years, fabulous progresses have been made in developing flexible and thin-film solar cells that can be potentially massively deployed.

On the other hand, conventional silicon solar cells have thickness in the range of 180-200 μm, which limits their flexibility. Therefore, exploring flexible single-crystalline-film-silicon solar cells without exploiting highly expensive and complicated methods are very attractive. We demonstrate a high-efficiency organic – inorganic hybrid solar cell Si/PEDOT:PSS with hierarchical surface composed of silicon nanoholes and micro-desert textures, showing a power conversion efficiency of 12%. Such Si/PEDOT:PSS hybrid solar cells exhibit high J_sc of 36.81mA/cm², V_oc of 0.492V, FF of 66.3%, and thus PCE of 12.00%. The hierarchical surface provides an excellent light absorption over 97% for the spectral range of 300 nm to 1100 nm with the thickness of 60µm due to internal multiple reflections caused by subwavelength features of high density silicon nanoholes and micro-desert textures. At an angle of incidence up to 65^º, the reflectance maintains less than 0.7% and at the large angle of 75^º the value is still less than 1%. In addition, we made the back surface of flexible-Si as a highly doped n-type layer to reduce the surface recombination rate and decrease the contact resistance.

姓名：郑天佑   指导教授：李君浩教授

摘要

电浆子 (plasmonic) 结构中，在其结构周围的局部性强场所形成的特殊光学特性，通常用来增强荧光或散射讯号。然而，受限于光学显微的限制，只有少数光学显微技术拥有足够的空间分辨率，可直接观测到场的分布，固此特殊光学特性理论计算的研究很多，而实验方面的分析却十分稀少。 本研究中，吾人以散射式近场光学显微技术 (scattering-type scanning near-field optical microscopy, s-SNOM)，直接观察与分析电浆子结构中的特殊光学行为。图一为散射式近场光学显微镜之架构，其架构以原子力显微镜 (atomic force microscopy) 为核心，藉由针尖与样品间的电磁交互作用，将局部性的场讯号转换为远场的辐射讯号后被侦测分析，其横向与纵向分辨率分别可达 9 奈米与 10 奈米。藉由此散射式近场光学显微镜以及尖锐化的硅探针，吾人成功的观测到间距为 10 奈米之奈米金粒子数组的局域光学特性。当中最特别的是，吾人观察到在奈米金粒子的间隙中，被增强的局域场讯号所形成的“热点”(hot spot)（如图二所示）以及其局域场方向皆成功的被观测到，且由吾人所提出的电偶耦合模型来解释这两种特殊的近场特性。这个结果证明了散射式近场光学显微镜十分适合用以研究奈米尺度的光学特性，且预期有助于了解二维电浆子结构的光学特性，进而协助开发其在光学方面的应用。 图一 图二

论文题目：发光二极管内表面电浆子耦合行为之理论与数值研究

姓名：郭仰   指导教授：江衍伟教授、杨志忠教授

摘要

我们根据半古典模型提出一套处理局域表面电浆子(LSP)与辐射偶极间耦合的理论公式。此套公式考虑了LSP对偶极行为的反馈效应。藉此理论，我们进行数值计算，包括偶极强度变化与系统总辐射功率增强之频谱及其与偶极–奈米粒子间距的关系等。结果显示，由于反馈效应的引入，使得偶极强度增强，总辐射功率的增强效果更为明显。径向偶极辐射功率的增强主要来自LSP偶极共振模态的耦合，而切向偶极之增强则主要来自高阶LSP共振模态的耦合。 图一、径向偶极与不同半径之金属球的正规化辐射功率频谱图 图二、切向偶极与不同半径之金属球的正规化辐射功率频谱图

— 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 —

利用倾斜式氧化铝圆柱数组之抬头显示器

抬头显示器(HUD)早在1960年起就被空军使用，在1970年时HUD开始使用在一般航空业，1988年后它们也被应用在汽车业，并且因为顾虑到驾驶人的安全，而在交通工具的应用上越来越蓬勃发展起来，HUD将所需要的信息投射至驾驶人眼前，可以减少驾驶人眼睛视线离开道路的频率以及时间，这可以帮助驾驶人更快地反应行车时的突发状况，大部分HUD屏幕上的信息是利用反射光打入驾驶人眼睛所呈现的，然而利用这种方法的缺点是因为多重反射会有鬼影产生，在这篇Applied Optics论文的研究中，作者开发了一个利用散射机制呈现出影像的微结构薄膜，并且在大视角下仍是透明的，这薄膜特殊的特性提供抬头显示器在车用方面的应用潜力。

这个创新的微结构薄膜是由氧化铝圆柱数组构成，其制备流程图一所示。图一(a)先将奈米球以旋转涂布方式涂在基板上；(b)经由130秒RIE的制程后，奈米球的直径可以再缩小；(c)经由ALD制程，氧化铝被涂布在奈米球的表面；(d)加热至摄氏350度时，奈米球壳成型；(e)利用斜向沉积，倾斜式氧化铝圆柱就长出来了。

图一、氧化铝圆柱的制备流程图

如图二(a)所示，六方最密排列的奈米PS小球经由RIE制程其直径可缩短至410奈米，接着利用电子束蒸镀将950奈米厚的氧化铝镀上去，倾斜式圆柱矩阵就在奈米球壳上形成了如图二(b)，从柱子上端的形状，我们知道在蒸镀的过程中蒸气是由如图二(b)的c方向流进去的，此外柱子上端面对蒸气流的那一面(如图三黄色线)相对于垂直面还要更平滑。

图二、由SEM所撷取的截面图(a)奈米球矩阵(b)倾斜的氧化铝圆柱	图三、沿着C方向的截面影像

穿透率随不同入射角分布如图四所示，入射光打在沉积面，入射角在这里定义为表面法向量与入射光线所夹的角度，入射角为正代表入射光靠向沉积方向的那一端如图四的插图所示，由图四可以知道这种倾斜式圆柱排列结构，在正向入射时，会有较低的穿透率；而当入射角越大时，穿透率也会跟着变大。图五说明了由于表面不平整造成散射效应较明显进而使穿透率下降，根据上述SEM所拍摄的图，在高视角下会有一点散射现象；而造成高穿透率是因为阶梯状的表面以及圆柱顶端面对蒸气流的那一个光滑面所导致，作者发现散射效应在反射的光线里占了很大的比例，并且是造成穿透率降低的主因，因此，倾斜式圆柱矩阵排列提供了一个类似于投影屏幕利用散射来呈现影像的机制，然而，在穿透频谱中存在着凹槽的原因，是因为倾斜圆柱矩阵的规律性排列造成光子晶体的特性所致，图六展示了在正向入射以及倾斜一个角度后所呈现的实际影像，由图中可看出上面的文字在正向入射时是几乎看不见的，但是倾斜一个角度后文字将会被看见，图七说明了在入射角45度下光的穿透率以及散射的关系，而图七的结果正是呼应着图六(a)与(b)的结果，在入射角45度下，在可见光范围内光的平均穿透率为68.23%。

图四、不同入射角下的穿透频谱	图五、倾斜式氧化铝圆柱结构在正向入射下镜面反射和散射之频谱

图六、利用倾斜式矩阵结构在(a)正向以及(b)夹45度下所看到的影像

图七、正向散射频谱以及45度角的穿透频谱

将倾斜式圆柱矩阵的特性用在抬头显示器，对于汽车产业有很大的应用潜力，图八为抬头显示器利用倾斜式圆柱矩阵排列而成的投影屏幕示意图，首先信息光会先经过聚焦透镜并且正向入射至倾斜式圆柱矩阵，因此驾驶员可以看见因为散射现象而成的信息成像在屏幕上；此外，驾驶员也可以在高视角下看见车外的路况，视角范围从40度至60度则是最适当的角度如图四所示，根据费马定理，一般传统屏幕所反射的信息可视范围非常小，相反地，倾斜式圆柱矩阵可以在不同视角下让驾驶看见想看的信息，不过焦点的变化不管对于传统或是倾斜式圆柱矩阵仍然是一个很大的缺点。

图八、利用倾斜式圆柱矩阵所形成的抬头显示器原理示意图

在这篇研究中，利用ALD以及电子束蒸镀法可运用中空奈米球样版制作出倾斜式氧化铝矩阵排列结构，这种结构沉积在刚性或可挠性透明物的显示器上可以应用在汽车产业，有别于传统显示技术，此种倾斜式氧化铝排列技术，经由表面散射的物理机制，也可以在屏幕上产生所需要的影像。