第九十九期 2014年8月刊
 
 
 
發行人:林恭如所長  編輯委員:吳肇欣教授  主編:林筱文  發行日期:2014.08.20
 
 

光電所103年暑期大學生光電營  花絮報導

(時間:103年8月5日至8月7日;地點:臺灣大學博理館

花絮整理:所學會會長陳廷豪

2014 台大光電營在8月豔陽高照下出團了 !

你是否曾對於該選擇就讀哪個研究所感到困擾呢?不知道光電所究竟在做什麼以及未來就業的方向?來台大光電營準沒錯!台大光電營為了讓大學生在選擇研究所時,能對光電所這個領域多加了解,同時也可以知道光電產業的未來方向,我們特地辦了3天的行程,讓學員們可以藉由上課、參訪以及和學長姊們的互動略窺一二。今年的光電營有來自各個大學的大學生參加,大部分是電機物理相關科系的學員們。

第一天一開始是我們的光電所林所長的光電科技簡介,接著則是我們的學員交流時間,我們將大家分成4個組別進行活動,學長姊們與學員們進行近距離的互動,有什麼問題可以直接詢問學長姊,我們發現大家似乎對推甄考試研究所特別感興趣呢!接著是林晃巖教授為學員們介紹固態照明技術與產業,下午一開始是吳志毅教授進行有機發光二極體的簡介,接著則是實驗室參訪和實驗室的演習課,藉由實驗室參訪,學員們可以更了解實驗室的運作,而藉由演習課,可以看到簡單的光電實驗。

第二天應該是學員們最開心的一天,因為我們要去校外參訪了!今年的校外參訪我們到了光寶科技和國家實驗研究院儀器科技研究中心。早上到光寶科技,光寶科技為做光電相關模組的大廠。下午則是到位在新竹的儀科中心參訪,國家實驗研究院儀器科技研究中心(簡稱國研院儀科中心)是一個國家級研究機構,配合國家科技政策,從事儀器科技的研究與開發,是我們台灣儀器研發的重要機構。

第三天一早則是我們的神祕活動,隊輔們為學員們準備了一項團康活動”超級比一比”,讓學員們活動一下筋骨。因為最後優勝的組別可以獲得光電所特製的精美禮物,大家都非常積極爭取勝利呢!緊接著是第一天幫大家介紹固態照明的林晃巖教授再次來幫大家上課,不過這次是簡介顯示技術及其產業,之後有吳肇欣教授的太陽能電池技術和非常受學員們歡迎的孫啟光教授介紹生醫光電技術,孫啟光教授在演講完後,很多學員們仍意猶未盡,追著孫教授問問題,可以見孫教授的人氣多讚。

最後來到我們的ending,綜合討論時間我們為大家準備了另一個團康“超級畫一畫”,超級畫一畫挑戰大家的繪畫能力以及想像能力,我們請每組選一人上台畫出隊輔給的題目,台上的人用心地畫,其他學員們則用心地猜,整個會議室不時傳出笑聲以及噓聲,可見這真是在挑戰大家的猜測能力,大家玩得欲罷不能!

團康結束後由我們的所長再次為大家總結,頒發光電營結業證書,然後是下午茶時間,超級豐盛的下午茶讓學員們為之驚豔。這次優勝的隊伍是我們的第一小隊,小編非常佩服第一小隊驚人的猜測能力,實在是令人佩服得五體投地啊!獲得第一名實至名歸,非常恭喜他們!最後在小隊員們互相交換資料以及拍團體照後,2014台大光電營順利畫下完美的句點,非常感謝光電營各位學員們的捧場,台大光電營我們明年再見啦!

 

 

 
 
 

~ 參訪群創光電股份有限公司 ~

(時間:103年8月1日)

撰文:陳姿妤

參訪團成員:林恭如所長、張宏鈞教授、林清富教授、管傑雄教授、林晃巖教授、吳志毅教授、邱奕鵬教授、蘇國棟教授、蔡永傑教授

本次參訪群創光電公司台南南部科學園區TOC 廠區,該公司擁有完整大中小尺寸LCD面板、及觸控面板的一條龍全方位顯示器等製程供應生產線,為臺灣面板生產重要廠區,以其創新研發技術供應全球先進顯示器相關產品。當日訪視行程由張仁勇經理協助安排,薩文志副總經理親自接待,參訪公司廠區觸控面板一條龍製程流程及生產顯示器相關產品Demo Room,接續公司研發團隊成員與本所教師,針對未來研究計畫合作、學生獎勵金及產學合作等規劃進行初步討論,圓滿完成此次參訪活動。經由此次訪視交流活動,期望未來能持續建立起研究合作關係,並有效提升本所研究技術能量。

本所參訪教師於群創光電公司廠區合影

 

 

 

 
     
 
 
 
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

臺灣大學光電所 吳志毅教授

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

臺灣大學光電所 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.

 

     
 
 
論文題目:牛眼光波穿透結構之電磁分析

姓名:蘇英杰   指導教授:張宏鈞教授

 

摘要

吾人使用自行開發之二維及三維平行化有限差分時域法軟體,針對混週期式牛眼結構(mixed-period-bull’s-eyes)的電磁光波現象進行探討。本研究之數值分析結果表明,當光波穿透過混週期式牛眼結構上之次波長孔徑(subwavelength apertures)時,出射光會出現類似於舊式牛眼結構(此指刻劃週期性凹槽之牛眼結構)所擁有之異常穿透現象及指向性出射現象(beaming phenomena)。具體而言,當混週期凹槽刻劃在銀薄膜的光入射面時,由於表面電漿共振激發,此牛眼結構之出射光的穿透頻譜圖會出現多重異常穿透波峰(如圖一之藍線所示);反之,當混週期凹槽轉為刻劃在銀薄膜的光出射面時,由於表面電漿子之繞射效應,出射光的場形分佈圖會出現多重指向性出射現象,即出射光會形成兩道不對稱(如圖二之場形圖所示)或者對稱之準直光束。此外,上述之數值模擬結果亦與表面電漿子光柵繞射理論所預測之結果相當吻合。

綜上所述,由於本文所提出之混週期式牛眼結構不僅具有多波長濾波特性,同時亦具有產生不對稱或對稱型態之分光特性,因此本研究之結論認為,混週期式牛眼結構在微型濾波元件及微型分光元件之發展上極具應用潛力,可提供吾人在微觀尺度下操控光路更大的自由度。

圖一

圖二

 

 

論文題目:自組織奈米結構材料於有機發光元件之應用

姓名:蔡玉堂   指導教授:吳忠幟教授


摘要

有機發光二極體被視為下一世代的照明與顯示科技,然而目前仍有一些課題需改善與解決。舉例來說,實現具備偏光選擇性的有機發光二極體以供3D影像顯示器使用、提升顯示器影像的光學解析度以符合高畫質的影像顯示需求、和提高元件的出光效率以達到節能需求等。本論文中,首先,我們探討具液晶特性之磷光有機發光材料運用於有機發光二極體的偏光選擇機制。所選之液晶分子經由微弱的作用力引導產生特定的排列,此一具非等向光學特性的自組裝奈米結構薄膜能有效操控電致發光元件的偏光選擇性。接著,我們探討具有自組裝特性之有機發光奈米球殼之基本光電特性,並將其使用於有機發光二極體結構上。研究結果驗證了自組裝有機發光奈米球殼在電致發光下為接近光學繞射極限的單一點光源,有機會經由更進一步地研究來實現高解析度有機發光二極體顯示器。最後,我們使用斜向角度沉積技術(GLAD)來製作可調控光學特性之奈米結構薄膜,並將其應用在有機發光二極體上,以達成各膜層光學折射率之匹配。此一光學匹配經驗證確實能有效提高有機發光二極體出光效率。總結來說,具有自組裝特性之奈米結構未來具有相當潛力可廣泛的應用於各式先進有機發光二極體上或光電元件上。

圖一、有機薄膜N200於雷射掃描共軛焦顯微鏡下之影像:(a) 配向前。(b) 配向後,垂直極化激發。(c) 配向後,平行極化激發。

圖二、使用斜向角度沉積技術於0度與60度所製備的奈米結構薄膜之上視與側視SEM影像。

 

 
 
 

— 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 —

一萬個微小雷射的陣列

將光學元件(像是波導或是雷射光源)密集地整合在晶片上是光子晶體研發的目標之一。然而,機械脆弱性已經被證明是一個限制因素,尤其是在空氣中橋接光子晶體結構。現在,Takumi Watanabe和他的研究團隊在國立橫濱大學已經展示出100 × 100μm2的樣本分別包含了1,089、2,376和11,664個整合在一起的光子晶體雷射。(Appl. Phys. Lett. 104, 121108; 2014)(如圖1所示)

雖然光子晶體已經存在十幾年了,還是有很多的實驗使用脈衝幫浦技術。除此之外,Watanabe表示,只在2007年時才曾有展示出非常小的模態數(小於波長的三次方)於室溫時的連續波運轉。 

 

圖1、光子晶體雷射陣列樣本。

Watanabe告訴Nature Photonics,說明他們做法之所以成功一個主要的原因是製程的簡化,使得這樣的技術更適合用在大尺寸陣列的整合上。另外一個原因是使用在空氣中橋接結構的使用,此種方法提供強烈的光學侷限。但是,這種結構具有機械脆弱性而且通常不適合用在大尺寸的整合上。為了解決這個問題,他們團隊發展出將樹脂灌入平板和玻璃基板之中的方法。

在近期的研究中,雷射與雷射的間距是5微米,但是此團隊已經預先展示出間距2.5微米的獨立雷射。如果相鄰的奈米雷射間距小於2微米,就會發生顯著的耦合現象;會使得雷射共振腔的品質因子下降。

相較於具有空氣中橋接結構的常用單一個光子晶體雷射,平板之下的包覆層是黏著劑(聚二甲基矽氧烷),可以產生較小的光學限制。Watanabe指出新的結構會略為增加臨界閥值,若將其應用在感測器的應用上,靈敏度相較於傳統具有在空氣橋接結構的奈米雷射會下降約50%。

關於雷射總數量的上限,Watanabe指出最主要的問題是技術的限制。舉例來說,利用電子束光刻技術製作的光子晶體圖案一部設備在大約10小時內可以製作出11664雷射陣列,若在好幾天的時間就可以做出更多陣列。當然,長時間與大面積的進行光刻技術會使圖案的準確度下降。因此,大數量雷射的測量也將耗費可觀的時間。

「我們使用一台配有一維砷化銦鎵影像感測器的頻譜儀與自動控制的移動平台,在兩個小時內可量測1089個雷射(如表1及圖2所示)。」渡邊解釋說:「舉例來說,如果我們使用奈米壓印光刻圖案技術,然後使用高功率雷射量測分批幫浦與量測,那麼這些問題就可能被解決。」

 

表1、一個單位內9個奈米雷射的細節。

圖2(a) 雷射波長分布之條狀圖,其中每個直條代表1奈米波長;而高斯曲線擬合每一個設計的結果(每一個圖形的數字代表其設計編號);(b) 1089陣列的雷射波長分布。其中輻射峰值功率、占空比、和幫浦脈衝光斑直徑分別是4.9毫瓦、200微米和3微米。

 

參考資料:

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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