第一百期 2014年9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:2014.09.20
 
 

本所9月份演講公告:

日期

講者簡介 講題 地點 時間

光電所專題演講

9/26 (Fri)

郭宗枋教授
成大光電所

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

博理館
101演講廳
16:30~18:00

 

 
 

~ 103學年度光電所所學會會長自我介紹 ~

光電所的師長、所辦同仁以及同學們大家好,我是即將就任103學年度所學會會長的蘇郁翔。所學會在維護學生權益以及連絡師生感情擔綱要角之一,能參與其中為各位盡心,我認為是件很有意義的事。擔任會長為大家服務令我深感榮幸,感謝指導教授孫啟光老師對我參與公共事務的支持。也感謝廷豪學長的指導提攜,還有所辦小姐們各種的協助與解惑。

就讀研究所又跟大學不一樣,是同學們深思後做出的生涯投資。為了職業發展、為了興趣、為了突破,對待自己研究工作認真而鮮少懈怠。時光在這專心致志的期間荏苒,回首望去為自己的苦功成就驕傲的同時,也希望再添幾筆鮮明回憶紀念這歲月吧!大夥各自忙碌,每刻揪到好友一同休閒運動都彌足珍貴,幾乎沒時間花在其他社交了。除了實驗進度工作外,跟所上沒有歸屬感與連結,我認為是件很可惜的事。因此,所學會將利用辦理活動與運動比賽的機會,促進學生間的交流並帶來歡樂。在餐會間欣賞有趣表演、與同學組隊在比賽中揮灑汗水贏得獎品,也在活動中得到認識其他同學的機會,希望能讓光電所對師生不只是研究工作室,也是能帶著微笑回味活動點滴的溫馨所在。

所學會也會藉由所上會議的參與,以及與研協的討論,確保學生獎勵金還有其他權益的處置。籌辦活動、爭取權益,相信同學們都有些有趣想法或期待付諸實現的期望,歡迎給予所學會意見。能夠一起將大家的生活改進一點,那是多令人開心的事情!而若是有更殷切的想望來改變、期待發揮自己的影響力,所學會期待著您的加入。不論是新生或是舊生,都對光電所懷著不同的期許吧,我們誠摯地歡迎各位前來聊聊,希望所學會能帶給大家美好的回憶。

 

 
 
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

臺灣大學光電所 黃建璋教授

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

臺灣大學光電所 毛明華教授

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.

 

     
 
 
論文題目:光電化學分解水和太陽能電池之表面和介面改善

姓名:涂定勲   指導教授:吳志毅教授

 

摘要

表面和介面改善對於材料的應用特性有極大的影響。在本論文中嘗試使用兩種不一樣的表面處理來改善氮化鎵(GaN)光電化學分解水(PEC water splitting)的效能。在p-型氮化鎵上,關鍵的起始電位會因為奈米金粒子所造成的能帶彎曲改變而有所移動,進而將零偏壓下的效率由0.02%增加到0.59%。最令人驚訝的是金本身在電化學上並不是有利於產生氫氣的催化反應的,因此此處的機制和一般電化學中的催化行為不同。另一方面,為了光電化學分解水產氫研究的長久發展,可比擬為海水,接近酸鹼中性的氯化鈉水溶液做為電解液的效果也被驗證了。在表面形成的薄層氧化層可以做為表面遮蔽層,也因此光電流會隨著時間增加,最後達飽和。最重要的是,由於表面氧化層的保護,光電流能穩定超過12個小時,反應的穩定性大幅提升,而該氧化層在接近中性的氯化鈉中並不會被移除掉(圖一)。在介面改善的實際應用方面,單層石墨烯(graphene)被發現具有做為硫/硒擴散阻擋層的獨特特性,未來將能夠應用到銅鋅錫硫(硒)化合物太陽能電池(CIGS solar cell)上(圖二)。石墨烯和二維材料新穎又迷人的獨特特性將有機會能為太陽能光電化學分解水或太陽能電池帶來一些突破性的發展。

圖一

圖二

 

 

論文題目:準確有限差分導波分析及其應用

姓名:杜承翰   指導教授:邱奕鵬教授


摘要

本研究中我們開發出數種基於高階有限差分法的光學模擬工具,包含波導模擬以及沿平面傳播之有限差分頻域分析等等。我們推導出一般化結構斷面上的任意階場型微分之連續關係式,結合泰勒級數展開應用於高階有限差分法並計算數種波導結構。數值評估顯示高階有限差分法帶來更高階誤差收斂。這個現象讓我們得以在模擬問題中使用更粗糙的格點切割,降低計算資源需求而維持模擬準確度,甚至進一步精準。我們也研發出此方法在光束傳播法及沿平面傳播之有限差分頻域分析的應用(圖一),亦顯示高階有限差分法為這些模擬方法帶來更高的數值精確度及模擬效率。而泰勒級數展開及介面連續關係的概念也被應用於彎曲波導模態分析(圖二),其中我們由嚴謹計算式出發並得以準確模擬新光電元件中的劇烈彎曲,而模擬工具的開發仍然非常簡單。結構斷面的精準模擬亦可使得表面電漿(SPP)波導結構的計算更加可靠。

圖一、(上)使用沿平面傳播有線差分頻域法模擬環型共振指向耦合器於共振頻率時之電場分布圖(下)以不同階有限差分法及格點切割計算之through-power比較圖。

圖二、(上)彎曲絕緣上矽(SOI)波導模態之結構φ方向剖面圖,長度單位為奈米(下)彎曲半徑為一微米之TE模態損耗頻譜。

 

 
 
 

— 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、廖瑋珅 —

捕獲單一原子

在光子學(photonics)中有一個非常重要的目標是利用原子系統以整合奈米光子學。雖然使用空腔量子電動力學(cavity quantum electrodynamics)和奈米介電波導(nanoscale dielectric waveguides)在這領域內已有很大的進展,但美國加州理工學院的研究人員提出另一種令人興奮的可能性─原子物理和光子晶體波導的結合(Appl. Phys. Lett. 104, 111103; 2014)。Su-Peng Yu和Jonathan D. Hood及他們的共同研究夥伴使用四氮化三矽(Si3N4)奈米線製造可調控色散之光子晶體波導(dispersion-engineered photonic-crystal waveguides),可以用來捕獲單一原子以及產生強烈的光與物質交互作用。

這種光子晶體波導最關鍵的元件是由兩個平行的一個四氮化三矽(Si3N4) 組成的“鱷魚口狀” (alligator)的光子晶體波導區域(如圖1所示),其外緣是由正弦調制而成,其內緣是線型且中間有一個固定寬度縫隙。波導被設計為下層(介電層)和上層(空氣層)的能帶邊緣分別接近銫原子的D1和D2躍遷(如圖2所示)。這樣的組態允許銫原子被限制在波導裡面,乃藉由使用一個從D1線往藍偏(blue-detuned)的介電能帶(dielectric-band)當作一個捕獲光束,與從D2線往紅偏(red-detuned)的空氣能帶當作一個探針來捕獲原子。如圖3(c)所示,銫原子會藉由介電能帶模態強度的零點,被侷限在X-Y平面的區域;如圖3(d)與3(e)所示,根據Casimir–Polder 位能原理,銫原子會被侷限在Z方向;而其他的導波模態會增強Z方向的侷限。

 

圖1、核心部分“鱷魚口狀”光子晶體波導區域。

圖2、鱷魚口狀(alligator)波導元件的基本類TE模態的光子能帶結構。

圖3、鱷魚口狀(alligator)波導元件的(a)空氣能帶模態;(b)元件幾何結構;(c)介電能帶模態;(d)與(e)是Z與Y方向的Casimir–Polder位能;(f)1D與自由空間模態的衰減速率。

研究人員指出對於包含光學捕獲超冷原子的量子光學與原子物理實驗中之原子光子混成系統,這些光子晶體波導可以滿足以下五個條件,明確的說:這些光子晶體波導(1)能用足夠高的精度來製造,以允許有效產生接近原子之電子躍遷的光子能帶;(2)能穩定的捕獲原子,同時實現一個強大的原子和場交互作用;(3)能夠有效的和奈米光子元件的波導模態相互耦合;(4)提供有效光學的雷射冷卻和捕獲;(5)具有低的光吸收和高熱傳導能力,因此能夠有1mK的局限深度(trap depth)。

研究團隊認為這種光子晶體波導技術對於超冷原子實驗及奈米光子晶片為主的光學電路研究將有重大進展。他們預期如果能透過減少在奈米線波導的光學吸收和散射損失,將有助於進一步使用偏離共振之波導模態(far-off-resonance guided modes)的場來進行原子捕捉。

參考資料:

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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