第一百期 2014年9月刊
 
 
 
发行人:林恭如所长  编辑委员:吴肇欣教授  主编:林筱文  发行日期:2014.09.20
 
 
本所9月份演讲公告:

日期

讲者简介 讲题 地点 时间

光电所专题演讲

9/26 (Fri) 郭宗枋教授
成大光电所

Development and critical issue for organometal halide perovskite-based hybrid solar cells

博理馆
101演讲厅
16:30~18:00

 

 
 

~ 2014学年度光电所所学会会长自我介绍 ~

光电所的师长、所办同仁以及同学们大家好,我是即将就任2014学年度所学会会长的苏郁翔。所学会在维护学生权益以及连络师生感情担纲要角之一,能参与其中为各位尽心,我认为是件很有意义的事。担任会长为大家服务令我深感荣幸,感谢指导教授孙启光老师对我参与公共事务的支持。也感谢廷豪学长的指导提携,还有所办小姐们各种的协助与解惑。

就读研究所又跟大学不一样,是同学们深思后做出的生涯投资。为了职业发展、为了兴趣、为了突破,对待自己研究工作认真而鲜少懈怠。时光在这专心致志的期间荏苒,回首望去为自己的苦功成就骄傲的同时,也希望再添几笔鲜明回忆纪念这岁月吧!大伙各自忙碌,每刻揪到好友一同休闲运动都弥足珍贵,几乎没时间花在其它社交了。除了实验进度工作外,跟所上没有归属感与连结,我认为是件很可惜的事。因此,所学会将利用办理活动与运动比赛的机会,促进学生间的交流并带来欢乐。在餐会间欣赏有趣表演、与同学组队在比赛中挥洒汗水赢得奖品,也在活动中得到认识其它同学的机会,希望能让光电所对师生不只是研究工作室,也是能带着微笑回味活动点滴的温馨所在。

所学会也会藉由所上会议的参与,以及与研协的讨论,确保学生奖励金还有其它权益的处置。筹办活动、争取权益,相信同学们都有些有趣想法或期待付诸实现的期望,欢迎给予所学会意见。能够一起将大家的生活改进一点,那是多令人开心的事情!而若是有更殷切的想望来改变、期待发挥自己的影响力,所学会期待着您的加入。不论是新生或是旧生,都对光电所怀着不同的期许吧,我们诚挚地欢迎各位前来聊聊,希望所学会能带给大家美好的回忆。

 

 
 
IGZO Thin Film Transistor Biosensors Functionalized with ZnO Nanorods and Antibodies

Professor Jian-Jang Huang's laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 黄建璋教授

We demonstrate a biosensor structure consisting of an IGZO (Indium-Gallium-Zinc-Oxide) TFT (thin film transistor) and an extended sensing pad. The TFT acts as the sensing and readout device, while the sensing pad ensures the isolation of biological solution from the transistor channel layer, and meanwhile increases the sensing area. The biosensor is functionalized by first applying ZnO nanorods to increase the surface area for attracting electrical charges of EGFR (epidermal growth factor receptor) antibodies. The device is able to selectively detect 36.2 fM of EGFR in the total protein solution of 0.1 ng/ml extracted from squamous cell carcinoma (SCC). Furthermore, the conjugation duration of the functionalized device with EGFR can be limited to 3 minutes, implying that the biosensor has the advantage for real-time detection.

Figure 1 Experimental flow of the biosensing. The protein solution of EGFR antibody was first extracted from SCCs. Bio-Rad protein assay was used to determine total protein concentration. The 100g/ml SCC protein solution was decimally diluted to 10 g/ml, 1g/ml, 100 ng/ml … 0.1 ng/ml. The electrical responses after applying the total protein solution were then extracted from the functionalized TFT sensor.

Figure 2 Electrical properties of the biosensor. The corresponding drain currents and current increments at various total protein concentrations are demonstrated.

 

All-optical switching in GaAs microdisk resonators by a femtosecond pump-probe technique through tapered-fiber coupling

Professor Ming-Hua Mao's laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 毛明华教授

We demonstrate ultrafast all-optical switching in GaAs microdisk resonators using a femtosecond pump–probe technique through tapered-fiber coupling. The temporal tuning of the resonant modes resulted from the refractive index change due to photoexcited carrier density variation inside the GaAs microdisk resonator. Transmission through the GaAs microdisk resonator can be modulated by more than 10 dB with a switching time window of 8 ps in the switch-off operation using pumping pulses with energies as low as 17.5 pJ. The carrier lifetime was fitted to be 42 ps, much shorter than that of the bulk GaAs, typically of the order of nanoseconds. The above observation indicates that the surface recombination plays an important role in increasing the switching speed. This work has been published in Optics Letters, Vol. 39, No. 17, pp. 4998, (2014).

Fig. 1. Scanning electron microscope image of the fully processed microdisk cavity with a diameter of 10 μm.

Fig. 2. Switch-off dynamics with modulation depth more than 10 dB.

 
     
 
 
论文题目:光电化学分解水和太阳能电池之表面和界面改善

姓名:涂定勲   指导教授:吴志毅教授

 

摘要

表面和界面改善对于材料的应用特性有极大的影响。在本论文中尝试使用两种不一样的表面处理来改善氮化镓(GaN)光电化学分解水(PEC water splitting)的效能。在p-型氮化镓上,关键的起始电位会因为奈米金粒子所造成的能带弯曲改变而有所移动,进而将零偏压下的效率由0.02%增加到0.59%。最令人惊讶的是金本身在电化学上并不是有利于产生氢气的催化反应的,因此此处的机制和一般电化学中的催化行为不同。另一方面,为了光电化学分解水产氢研究的长久发展,可比拟为海水,接近酸碱中性的氯化钠水溶液做为电解液的效果也被验证了。在表面形成的薄层氧化层可以做为表面遮蔽层,也因此光电流会随着时间增加,最后达饱和。最重要的是,由于表面氧化层的保护,光电流能稳定超过12个小时,反应的稳定性大幅提升,而该氧化层在接近中性的氯化钠中并不会被移除掉(图一)。在界面改善的实际应用方面,单层石墨烯(graphene)被发现具有做为硫/硒扩散阻挡层的独特特性,未来将能够应用到铜锌锡硫(硒)化合物太阳能电池(CIGS solar cell)上(图二)。石墨烯和二维材料新颖又迷人的独特特性将有机会能为太阳能光电化学分解水或太阳能电池带来一些突破性的发展。

图一
图二

 

 

论文题目:准确有限差分导波分析及其应用

姓名:杜承翰   指导教授:邱奕鹏教授


摘要

本研究中我们开发出数种基于高阶有限差分法的光学仿真工具,包含波导模拟以及沿平面传播之有限差分频域分析等等。我们推导出一般化结构断面上的任意阶场型微分之连续关系式,结合泰勒级数展开应用于高阶有限差分法并计算数种波导结构。数值评估显示高阶有限差分法带来更高阶误差收敛。这个现象让我们得以在模拟问题中使用更粗糙的格点切割,降低计算资源需求而维持模拟准确度,甚至进一步精准。我们也研发出此方法在光束传播法及沿平面传播之有限差分频域分析的应用(图一),亦显示高阶有限差分法为这些模拟方法带来更高的数值精确度及模拟效率。而泰勒级数展开及界面连续关系的概念也被应用于弯曲波导模态分析(图二),其中我们由严谨计算式出发并得以准确仿真新光电组件中的剧烈弯曲,而模拟工具的开发仍然非常简单。结构断面的精准模拟亦可使得表面电浆(SPP)波导结构的计算更加可靠。

图一、(上)使用沿平面传播有线差分频域法模拟环型共振指向耦合器于共振频率时之电场分布图(下)以不同阶有限差分法及格点切割计算之through-power比较图。

图二、(上)弯曲绝缘上硅(SOI)波导模态之结构φ方向剖面图,长度单位为奈米(下)弯曲半径为一微米之TE模态损耗频谱。

 

 
 
 

— 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、廖玮珅 —

捕获单一原子

在光子学(photonics)中有一个非常重要的目标是利用原子系统以整合奈米光子学。虽然使用空腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics)和奈米介电波导(nanoscale dielectric waveguides)在这领域内已有很大的进展,但美国加州理工学院的研究人员提出另一种令人兴奋的可能性─原子物理和光子晶体波导的结合(Appl. Phys. Lett. 104, 111103; 2014)。Su-Peng Yu和Jonathan D. Hood及他们的共同研究伙伴使用四氮化三硅(Si3N4)奈米线制造可调控色散之光子晶体波导(dispersion-engineered photonic-crystal waveguides),可以用来捕获单一原子以及产生强烈的光与物质交互作用。

这种光子晶体波导最关键的组件是由两个平行的一个四氮化三硅(Si3N4) 组成的“鳄鱼口状” (alligator)的光子晶体波导区域(如图1所示),其外缘是由正弦调制而成,其内缘是线型且中间有一个固定宽度缝隙。波导被设计为下层(介电层)和上层(空气层)的能带边缘分别接近铯原子的D1和D2跃迁(如图2所示)。这样的组态允许铯原子被限制在波导里面,乃藉由使用一个从D1线往蓝偏(blue-detuned)的介电能带(dielectric-band)当作一个捕获光束,与从D2线往红偏(red-detuned)的空气能带当作一个探针来捕获原子。如图3(c)所示,铯原子会藉由介电能带模态强度的零点,被局限在X-Y平面的区域;如图3(d)与3(e)所示,根据Casimir–Polder 位能原理,铯原子会被局限在Z方向;而其它的导波模态会增强Z方向的局限。

 

图1、核心部分“鳄鱼口状”光子晶体波导区域。

图2、鳄鱼口状(alligator)波导组件的基本类TE模态的光子能带结构。

图3、鳄鱼口状(alligator)波导组件的(a)空气能带模态;(b)组件几何结构;(c)介电能带模态;(d)与(e)是Z与Y方向的Casimir–Polder位能;(f)1D与自由空间模态的衰减速率。

研究人员指出对于包含光学捕获超冷原子的量子光学与原子物理实验中之原子光子混成系统,这些光子晶体波导可以满足以下五个条件,明确的说:这些光子晶体波导(1)能用足够高的精度来制造,以允许有效产生接近原子之电子跃迁的光子能带;(2)能稳定的捕获原子,同时实现一个强大的原子和场交互作用;(3)能够有效的和奈米光子组件的波导模态相互耦合;(4)提供有效光学的激光冷却和捕获;(5)具有低的光吸收和高热传导能力,因此能够有1mK的局限深度(trap depth)。

研究团队认为这种光子晶体波导技术对于超冷原子实验及奈米光子芯片为主的光学电路研究将有重大进展。他们预期如果能透过减少在奈米线波导的光学吸收和散射损失,将有助于进一步使用偏离共振之波导模态(far-off-resonance guided modes)的场来进行原子捕捉。

参考资料:

1. Simon Pleasants, Photonic-crystal waveguides: Trapping single atoms, Nature Photonics 8, 427 (2014). doi:10.1038/nphoton.2014.131.

http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n6/full/nphoton.2014.131.html

2. S.-P. Yu, J. D. Hood, J. A. Muniz, M. J. Martin, Richard Norte, C.-L. Hung, Sean M. Meenehan, Justin D. Cohen, Oskar Painter, and H. J. Kimble, Nanowire photonic crystal waveguides for single-atom trapping and strong light-matter interactions, Appl. Phys. Lett. 104, 111103 (2014). doi: 10.1063/1.4868975

   
 
 
 
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