～ 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）

【之八】

撰文：光電所博士班學生石璧魁

這次交流活動是我第一次參訪大陸，感謝南京大學的安排讓我們拜訪了蘇州、杭州、揚州跟南京這幾個不同的城市。在揚州，嘈雜的喇叭聲和兇猛的開車方式讓人緊繃，到蘇杭略帶古意的街道讓人寧靜不少，回到百貨公司精品店林立的南京，就跟聽聞的一樣，大陸的硬體設備比起台灣有過之而無不及，走在街上有種熟悉的感覺。或許也由於全球化和教育的關係，在與學生交流中，其實發現兩岸學生的生活差異不是很大，休閒娛樂也蠻相似的，而且也都很熱情和善有禮貌，很難想像走到外面馬路就彷彿到了另個環境。

普通話似乎是共同的語言，儘管兩岸用詞存在一些差異，聽不懂的，多聽多問之後，很自然地就習慣接受了，畢竟現在常常會有新的網路用語產生，對我們來說適應上不會有很大的問題。但是還是有一些看似聽懂但完全誤會的用詞，這次在聊天中意外得知”感冒”這詞，像”我對你很感冒”，在台灣來說是帶有不喜歡的負面意義，可是在他們的用法是正面喜歡的意思，剛好相反，說出來這誤會可就大了。除了用詞之外，一些字的發音也略有不同，之前一直以為是各地口音造成的差異，沒想到原來除了字的寫法有簡體繁體之分，兩岸的注音也不是統一的。

大陸研究所學制是與台灣不同的，博士是三年制，與日本相同，倒是讓我們羨慕不已，不過話雖如此，畢業也是有點數的門檻限制，在某些領域也是會超過年限。談到平日休閒，電影、偶像劇、線上遊戲和撲克牌都是共同的語言，特別是網路的發達，兩岸的綜藝節目都可以很容易收看，像台灣的「康熙來了」，對岸的「非誠勿擾」相親節目或歌唱選秀節目也都進到了生活之中，由於江蘇衛視位於南大附近，聽說前陣子也有南大的學生報名參加節目。除此之外，運動相關對男同學來說當然也是個無國界的話題，雖然適逢亞運，可惜由於旅程忙碌的關係並沒有太多時間注意。

這邊學生生活最讓人吃驚的還是校內的公共澡堂，更令我無法想像的是裡面雖分男女，但男浴跟女浴內似乎是沒有隔間的，這不禁讓我回想起當兵的情形，那第一次裸裎相見是花了多大的勇氣，雖然之後也就習慣了，沒想到在南大是很正常的一件事。也由於公共澡堂有開放時間限制，加上宿舍半夜也有門禁管理，這也使得這邊夜間活動不像台灣學生多采多姿，而待在研究室的研究生們作息應該也會正常些，日夜顛倒的情況應該比較少發生。除了作息受到限制，大陸由於國家政策的關係，封鎖了許多網站或是應用軟體，使得資訊傳遞不若台灣頻繁，思路也不像台灣同學那樣活潑，但相對來說在根本問題上會比較嚴謹專注，這些差異也反映到研究上面，在接連兩天的研討會中，從邀請報告到同學之間學術交流的研究報告，都讓我們有很深的觸發與感想。

在短短的七天中，很高興認識了一些大陸同學，也期待下次的相聚可以有更多的切磋和交流。

【之九】

撰文：光電所博士班學生張晏碩

兩岸光電科技博士生學術論壇的舉辦方式是一年一次，一年由台灣過去大陸參訪，一年由大陸過來台灣交流，2013年剛好是輪到台灣過去大陸參訪，所以今年由林恭如所長帶隊，黃建璋副所長、林晃巖教授與吳育任教授亦同行前往參訪。

Professor Ching-Fuh Lin

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 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：鄭天佑   指導教授：李君浩教授

摘要

電漿子 (plasmonic) 結構中，在其結構周圍的局部性強場所形成的特殊光學特性，通常用來增強螢光或散射訊號。然而，受限於光學顯微的限制，只有少數光學顯微技術擁有足夠的空間解析度，可直接觀測到場的分佈，固此特殊光學特性理論計算的研究很多，而實驗方面的分析卻十分稀少。 本研究中，吾人以散射式近場光學顯微技術 (scattering-type scanning near-field optical microscopy, s-SNOM)，直接觀察與分析電漿子結構中的特殊光學行為。圖一為散射式近場光學顯微鏡之架構，其架構以原子力顯微鏡 (atomic force microscopy) 為核心，藉由針尖與樣品間的電磁交互作用，將局部性的場訊號轉換為遠場的輻射訊號後被偵測分析，其橫向與縱向解析度分別可達 9 奈米與 10 奈米。藉由此散射式近場光學顯微鏡以及尖銳化的矽探針，吾人成功的觀測到間距為 10 奈米之奈米金粒子陣列的侷域光學特性。當中最特別的是，吾人觀察到在奈米金粒子的間隙中，被增強的侷域場訊號所形成的“熱點”(hot spot)（如圖二所示）以及其局域場方向皆成功的被觀測到，且由吾人所提出的電偶耦合模型來解釋這兩種特殊的近場特性。這個結果證明了散射式近場光學顯微鏡十分適合用以研究奈米尺度的光學特性，且預期有助於了解二維電漿子結構的光學特性，進而協助開發其在光學方面的應用。 圖一 圖二

論文題目：發光二極體內表面電漿子耦合行為之理論與數值研究

姓名：郭仰   指導教授：江衍偉教授、楊志忠教授

摘要

我們根據半古典模型提出一套處理侷域表面電漿子(LSP)與輻射偶極間耦合的理論公式。此套公式考慮了LSP對偶極行為的反饋效應。藉此理論，我們進行數值計算，包括偶極強度變化與系統總輻射功率增強之頻譜及其與偶極–奈米粒子間距的關係等。結果顯示，由於反饋效應的引入，使得偶極強度增強，總輻射功率的增強效果更為明顯。徑向偶極輻射功率的增強主要來自LSP偶極共振模態的耦合，而切向偶極之增強則主要來自高階LSP共振模態的耦合。 圖一、徑向偶極與不同半徑之金屬球的正規化輻射功率頻譜圖 圖二、切向偶極與不同半徑之金屬球的正規化輻射功率頻譜圖

— 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 —

利用傾斜式氧化鋁圓柱陣列之抬頭顯示器

抬頭顯示器(HUD)早在1960年起就被空軍使用，在1970年時HUD開始使用在一般航空業，1988年後它們也被應用在汽車業，並且因為顧慮到駕駛人的安全，而在交通工具的應用上越來越蓬勃發展起來，HUD將所需要的資訊投射至駕駛人眼前，可以減少駕駛人眼睛視線離開道路的頻率以及時間，這可以幫助駕駛人更快地反應行車時的突發狀況，大部分HUD螢幕上的資訊是利用反射光打入駕駛人眼睛所呈現的，然而利用這種方法的缺點是因為多重反射會有鬼影產生，在這篇Applied Optics論文的研究中，作者開發了一個利用散射機制呈現出影像的微結構薄膜，並且在大視角下仍是透明的，這薄膜特殊的特性提供抬頭顯示器在車用方面的應用潛力。

這個創新的微結構薄膜是由氧化鋁圓柱陣列構成，其製備流程圖一所示。圖一(a)先將奈米球以旋轉塗佈方式塗在基板上；(b)經由130秒RIE的製程後，奈米球的直徑可以再縮小；(c)經由ALD製程，氧化鋁被塗佈在奈米球的表面；(d)加熱至攝氏350度時，奈米球殼成型；(e)利用斜向沉積，傾斜式氧化鋁圓柱就長出來了。

圖一、氧化鋁圓柱的製備流程圖

如圖二(a)所示，六方最密排列的奈米PS小球經由RIE製程其直徑可縮短至410奈米，接著利用電子束蒸鍍將950奈米厚的氧化鋁鍍上去，傾斜式圓柱矩陣就在奈米球殼上形成了如圖二(b)，從柱子上端的形狀，我們知道在蒸鍍的過程中蒸氣是由如圖二(b)的c方向流進去的，此外柱子上端面對蒸氣流的那一面(如圖三黃色線)相對於垂直面還要更平滑。

圖二、由SEM所擷取的截面圖(a)奈米球矩陣(b)傾斜的氧化鋁圓柱	圖三、沿著C方向的截面影像

穿透率隨不同入射角分布如圖四所示，入射光打在沉積面，入射角在這裡定義為表面法向量與入射光線所夾的角度，入射角為正代表入射光靠向沉積方向的那一端如圖四的插圖所示，由圖四可以知道這種傾斜式圓柱排列結構，在正向入射時，會有較低的穿透率；而當入射角越大時，穿透率也會跟著變大。圖五說明了由於表面不平整造成散射效應較明顯進而使穿透率下降，根據上述SEM所拍攝的圖，在高視角下會有一點散射現象；而造成高穿透率是因為階梯狀的表面以及圓柱頂端面對蒸氣流的那一個光滑面所導致，作者發現散射效應在反射的光線裡佔了很大的比例，並且是造成穿透率降低的主因，因此，傾斜式圓柱矩陣排列提供了一個類似於投影螢幕利用散射來呈現影像的機制，然而，在穿透頻譜中存在著凹槽的原因，是因為傾斜圓柱矩陣的規律性排列造成光子晶體的特性所致，圖六展示了在正向入射以及傾斜一個角度後所呈現的實際影像，由圖中可看出上面的文字在正向入射時是幾乎看不見的，但是傾斜一個角度後文字將會被看見，圖七說明了在入射角45度下光的穿透率以及散射的關係，而圖七的結果正是呼應著圖六(a)與(b)的結果，在入射角45度下，在可見光範圍內光的平均穿透率為68.23%。

圖四、不同入射角下的穿透頻譜	圖五、傾斜式氧化鋁圓柱結構在正向入射下鏡面反射和散射之頻譜

圖六、利用傾斜式矩陣結構在(a)正向以及(b)夾45度下所看到的影像

圖七、正向散射頻譜以及45度角的穿透頻譜

將傾斜式圓柱矩陣的特性用在抬頭顯示器，對於汽車產業有很大的應用潛力，圖八為抬頭顯示器利用傾斜式圓柱矩陣排列而成的投影螢幕示意圖，首先資訊光會先經過聚焦透鏡並且正向入射至傾斜式圓柱矩陣，因此駕駛員可以看見因為散射現象而成的資訊成像在螢幕上；此外，駕駛員也可以在高視角下看見車外的路況，視角範圍從40度至60度則是最適當的角度如圖四所示，根據費馬定理，一般傳統螢幕所反射的資訊可視範圍非常小，相反地，傾斜式圓柱矩陣可以在不同視角下讓駕駛看見想看的資訊，不過焦點的變化不管對於傳統或是傾斜式圓柱矩陣仍然是一個很大的缺點。

圖八、利用傾斜式圓柱矩陣所形成的抬頭顯示器原理示意圖

在這篇研究中，利用ALD以及電子束蒸鍍法可運用中空奈米球樣版製作出傾斜式氧化鋁矩陣排列結構，這種結構沉積在剛性或可撓性透明物的顯示器上可以應用在汽車產業，有別於傳統顯示技術，此種傾斜式氧化鋁排列技術，經由表面散射的物理機制，也可以在螢幕上產生所需要的影像。