第120期 2016年7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:2016.07.30
 
 
     

光電所參與歐盟 European Master of Science in Photonics (EMSP) 碩士雙學位計畫  系列報導 ~

【之七】

撰文:光電所碩士班學生許喬為

出國留學一直都是許多臺灣學生的夢想,我也不例外。想當初在得知我很幸運獲選參加EMSP雙學位計畫後,我就興奮地訂下了在歐洲留學期間,除了完成學業外還想要完成的To Do List,其中我最期待的一項便是深入國外的工作及創業環境。我今天將針對在歐洲留學那一年,我在那裡參加的FabLab、創業競賽以及新創環境做個簡單的經驗分享。

那時候的我,上半年剛抵達英國蘇格蘭,我忙著適應國外環境、顧好課業,在那個全鎮兩萬人、一半還是學生的聖安德魯斯小鎮上,也見不著什麼工作實習、工作坊或創業活動的機會,只好在抵達比利時後再思量。然而,下半年的我雖然身在比利時、歐盟首都布魯塞爾,但光忙著碩士班研究就佔了我大半時間。一直到畢業,我才真正有時間思考如何落實此事。當時我在比利時的學校住宿將在1.5個月的時間內到期,而那時候人還在土耳其、希臘的我原本還想繼續當個背包客浪跡天涯,但後來決定結束這趟1個月的七國旅行,回來比利時好好利用這1.5個月的時間,學習1個月的法語密集課程,以及在比利時的"FabLab"臨摹Maker技術。

FabLab 自造者天堂

那"FabLab"又是什麼呢?它是起源於美國麻省理工學院的其中一個實驗室與美國國科會合作計畫,其中慢慢建立出各種Maker常用機台,如CNC鑽孔機、雷射雕刻機、3D列印機、印刷電路板曝光機台等,後來建立出"FabLab"公開實驗室的概念,開始提供獨立自造者使用他們的各種機台。而其他人如果想讓自己的實驗室或個人自造空間加入FabLab這個大家庭,只要符合FabLab規定:1、擁有這些常用機台。2、公開給大眾使用。3、須參加FabLab的會議跟分享會等,即可掛名FabLab。而在這些年間FabLab也慢慢擴展到全球共約650間(臺灣更是已經有5間FabLab了!)。

FabLab全球共650間的分佈圖

我去倫敦時參訪的FabLab London

我待了一個月的FabLab Brussels

FabLab Brussels Makers的作品

在那裡練功的一個月期間,我參考全球最大Maker網站:Instructables,做出了上面那個可以自己用麥克筆「寫出時間」的小型機器手臂。在那裡我遇到的歐洲Makers比臺灣人更像臺灣人!他們的勤奮、努力打破我在臺灣常常聽到歐洲人悠哉慵懶的印象。再加上像在比利時這樣的先進國家裡,平常能用到的物料、機台都是比臺灣好上許多,對於Makers是個很友善的環境,甚至會常見到十來歲的比利時小孩出沒在FabLab呢!

競賽與創業

在我完成FabLab自學之旅、法語學校後,某天我在臉書上看到Startup Weekend,它是全球性的為期三天兩夜的馬拉松式創業競賽,那時候心中高興的不得了!這正是我To Do List中唯一還沒完成的!雖然在當下只剩下兩週的時間就是我的回臺機票日期,在考慮了幾天後,心中覺得人生要把握每個機會,便毅然決然更改機票、報名參賽!

其實到現在為止,我都還清晰記得在那個競賽的種種事情:在兩百五十人內唯二亞洲人之一、由七個不同國家的人組成團隊以及競賽第二名的佳績(甚至在競賽第二天突然得知法國恐怖攻擊事件,而我們的競賽點子正是為歐洲人身安全建立一個急救APP!),讓我感覺「其實我也做了許多不可思議的事情呢! 」

我還特別記得最後一天的創業沙龍會,由創辦人們受邀分享經驗。起初我以為是主持人問幾個問題,台上的創業家回答分享而已,但在開頭兩三分鐘後,事情卻不是我所想的那樣。

而是全場二百五十人的頭腦風暴!

在我眼中,彷彿看到了主講者不再是台上的那兩位,而是在底下坐著的所有人,沒有聽眾、講者地位之別,帶著演講者的氣度一同提問討論,甚至連提問的成分都少了,只是對於台上的人剛剛講的內容給予評論,赤裸裸地表達他們的看法。

這些在我們臺灣人看來,有時會覺得過於不給台上的演講者面子,但在比利時,在乎的是大家很認真地思考問題、問題好或壞、講者回答是否切題。另一方面,演講者更是大器接受聽眾的意見,毫無忌諱場子遭人砸的小人之心。這一小時足足讓我見識到歐洲人的理性、尊重但又真誠的態度,也著實讓我在腦海中烙印下忘不了的一頁。

在我回國後,很多人問我哪來的機會在比利時創業。與其說創業不如說新創計畫,說穿了就只是幾個人嘗試把在創業競賽贏得第二名的項目,做成商業成品的一個過程。而且在半年後,尚未完成兵役的我也只好放棄創業,告別我的夥伴們回臺。

我起初以為這項決定最壞就是浪費半年的時間罷了。成功,再好不過;失敗,經驗彌足珍貴!現在再回去看當時看似瘋狂的決定,有時也挺佩服自己的勇氣(無知?),我也期許自己在這人生的旅途上能繼續保有這樣積極的態度!【精彩內容,下期待續~】

 

撰文:光電所碩士班學生程筠婷

Summer School,是每年EMSP發表研究成果的重要活動,也就是論文口試。從九月開始上課,到六月中完成論文撰寫,最後會在六月底進行論文答辯(Thesis defense),由EMSP主辦學校安排時程和評審,與臺灣較不同的是,舉辦的形式像參加研討會的Symposium,有不同學程的畢業生分別進行答辯,台上台下皆可提問,這次,我們分別來自化學領域、物理領域、還有光電領域,也因為所有學生集中在三天內答辯,加上往年會邀請學者、教授演講,所以有Summer School(短期課程)的稱呼。

去年(2015年)的Summer School在比利時布魯塞爾的VUB會議廳舉行,大會議室、佈置、加上5至7人的評審團,更顯隆重正式,圖1是帛鈞的答辯,旁邊就坐了7位專業的評審!

由於EMSP是一個跨校合作學程,學生們常同時擁有兩三個學校的學生身份,可以參加各學校的畢業典禮,但卻沒有特別隸屬於哪個院或系,所以在Summer School的最後,所有教授規劃了一個專屬我們的小畢典(類似院系小畢典)!

小畢典由教授Roel Baets主持(圖2),先介紹EMSP的歷史、未來合作計畫模式與展望後,頒發畢業證明,圖3為頒發實況,背後的投影片說明了EMSP計畫所涵蓋的合作學校遍佈各國!最後教授們邀請幾位畢業生分享完成碩士論文的心得,圖4是我們EMSP的同學Grigorij在分享,聽完有種不愧是戰友的感覺,對於描述過程中的辛苦、彼此學習、與歡樂毫不偏頗,原來大家都是經過許多努力加上一些機緣才能同聚在Summer School!

這難得聚會的尾聲,主辦單位特地準備了BBQ戶外午餐,讓大家可以放鬆並且多交流(圖5、6)。那時,我們彼此分享了未來計畫、自己的國家文化,東聊西聊,而BBQ結束後也正式為EMSP劃下了句點,與教授、同學互道離別與祝福,就各奔東西,教授們回到實驗室,有些同學準備回自己的國家,有些準備開始旅行,有些則回學校準備博士班的研究。

結束後,EMSP的大家提議再聚一聚,畢竟在蘇格蘭一起上課三個月後,大家都飛到不同城市,其中也有一位比利時同學剛從臺灣回來,所以我們邊走邊聊,走到了市中心的一處廣場,席地而坐,繼續聊天打牌,買酒談心。很多當地人也都很隨性地坐在地上圍成一小圈把酒言歡(圖7),是一種很特別的感覺,這也才真的有完成學程、準備離開、進入下一階段的感觸了。【精彩內容,下期待續~】

圖1、 答辯現場

圖2、 Prof. Dr. Roel Baets主持EMSP小畢典

圖3、介紹未來EMSP計畫與頒發EMSP畢業證明

圖4、畢業生致詞

圖5、Summer School後的BBQ午餐

圖6、Summer School後的BBQ午餐和沙拉

圖7、我們到布魯塞爾市中心續攤,在廣場席地而坐

 

 

 

 
     
 
 

Dual-functional Memory and Threshold Resistive Switching Based on the Push-Pull Mechanism of Oxygen Ions

Professor Si-Chen Lee’s laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 李嗣涔教授

The resistive random access memory (RRAM) becomes more and more important as the candidate to overcome the technological limitations for next-generation non-volatile memory. We have developed a special device structure (a-TiOx)/(Ag NPs)/(poly-TiOx) sandwiched between indium tin oxide (ITO) and fluorine-doped tin oxide (FTO) electrode as shown in Fig. 1 (a) which performs dual functions, i.e., memory switching (RRAM device) and threshold switching (Selector device). When used for memory switching, the device is forming-free with low operation voltage (< ±1 V) and self-compliance to current up to 50 μA as shown in Fig. 1(b). This reduced the damage of forming process on the device endurance. When the device is used for threshold switching as shown in Fig 1(c), the reduction of the threshold currents to -2 μA and 0.1 μA in negative and positive voltage regions, respectively, is beneficial for improving the device selectivity to solve the sneak current problem in the crossbar memory arrays. It is found that the push and pull actions of the oxygen ions in the top amorphous and bottom polycrystalline TiOx films due to voltage sweeps can account for the dual-functional properties in a single device structure, as illustrated in Fig. 2.

Fig. 1. Device structure and electrical properties of the dual functional switching device.

Fig. 2. Push-pull mechanism of oxygen ions migration in the memory switching and threshold switching modes.

Y. J. Huang, S. C. Chao, D. H. Lien, C. Y. Wen, J. H. He and S. C. Lee, “Dual-functional Memory and Threshold Resistive Switching Based on the Push-Pull Mechanism of Oxygen Ions”, Nature Sci. Rep. 6, 23945, 2016.

 

Multi-Bent-Section Nano-Antennas

Professor Hung-chun Chang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 張宏鈞教授

Nano-antennas are a class of nano-structures that can produce “hot spots” in a subwavelength gap of the structure due to plasmonic effects under incident electromagnetic fields and have been extensively investigated in the visible and infrared wavelength range both theoretically and experimentally. Bowtie nano-antennas or bowtie antennas (BAs), as depicted in Fig. 1, have been a popular structure. The resonant wavelength λres of the BA is proportional to the antenna length. For a given footprint size, achieving longer λres is useful in applications within the near- or mid-infrared range. We have recently proposed multi-bent-section nano-antennas (MBSNAs) which are dipole nano-antennas with multi-bent-sections and demonstrate that such simple structures can achieve long λres’s with high gap fields. The study was based on our in-house developed 3D finite-difference time-domain (FDTD) method [IEEE Photon. J. 7, 4501108 (2015)]. Referring to the BA of Fig. 1 as the basic structure, the bowtie-shaped gold film with thickness d is supported by a silica substrate with relative permittivity of 2.25, and it is air above the structure. The function of the gold is described by the Drude model [Phys. Rev. B. 71, 085416 (2005)]. The antenna footprint area is kept the same to be 450 nm × 450 nm, with the thickness d fixed to be 36 nm and the antenna gap area fixed to be 30 nm × 30 nm. Four MBSNAs with different shapes of the gold region as shown in the top of Fig. 2, each with the same d and the gap area as aforementioned, have been simulated. Every section of each antenna is with the same width of 30 nm. It can be seen the antenna structure is very simple even for the fourth one. The results of Fig. 2 is to be compared with the reference BA for which the resonance occurs at l = 1260 nm and the corresponding gap-field enhancement is 31. The proposed structures are also with wide bandwidth in the enhancement spectrum. By numerically solving the modal effective indices of the plasmonic waveguide having its cross-section as that of the gold line with the substrate of the MBSNA, the λres’s for the bent gold-line waveguide length were determined and found to be in good correlation with those of the peaks in Fig. 2. (Yu-Tsung Chen and Hung-chun Chang, in Proc. OPTIC 2015.)

Figure 1. Schematic of the 3-D representation for a bowtie nano-antenna.

Figure 2. Upper part: four different shapes of the gold region of the MBSNAs. Lower part: Gap enhancement factor versus the wavelength for the four MBSNAs. Each MBSNA has the same footprint size of 450 nm × 450 nm.

     
 
 
論文題目:奈米金屬光柵與共振腔應用於增強矽量子點的量子侷限放光效應

姓名:蔡宗翰   指導教授:林晃巖教授、蔡永傑教授

 

摘要

此論文實驗性的研製具金屬-介電質-金屬奈米共振腔結構(Metal-Insulator-Metal Nano-cavity) 的非晶矽量子點發光源 (Amorphous Silicon Quantum Dots Light Emitter),並深入分析與驗證其新穎的放光增強物理機制。此論文提出一個新穎的物理機制,利用奈米金屬光柵 (Metal Nano-gratings) 的侷域性表面電漿共振模態 (Localized Surface Plasmons mode),與奈米共振腔 (Nano-cavity) 的法布里-珀羅共振腔模態(Optical Fabry–Pérot cavity mode) 互相耦合,成功有效提升奈米共振腔中的非晶矽量子點的輻射性複合量子侷限放光特性 (Quantum-Confinement-Induced Radiative Emission)。此論文提出一個具有次波長奈米共振腔搭配奈米金屬光柵結構,在量子力學、表面電漿共振,以及奈米共振腔的物理基礎下,成功耦合非晶矽量子點、表面電漿模態,以及光學共振腔模態,有效提升非晶矽量子點發光元件的發光強度,並窄化其放光頻譜。

圖一、具奈米金屬光柵及奈米共振腔結 構的非晶矽量子點發光源

圖二、約15 nm線寬的金屬光柵其電子顯微鏡圖


 
 
 

— 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、林暐杰 —

超彈性的皮膚血氧儀

最近日本的研究人員開發了可貼附在指尖上,以確定氧氣在血液中濃度的有機脈搏血氧儀(Sci. Adv. 2, e1501856; 2016)。

圖一、手指上配戴超彈性有機光學感測器的照片。

感測器由Tomoyuki Yokota和東京大學的同事所製作,包括兩個有機高分子發光二極體(PLED)分別操作在517奈米(綠色)和609奈米(紅色),並成形為包圍著有機光電探測器(OPD)的半圓。

PLED和OPD各自具有的厚度為3微米,這是比人的表皮要薄一個數量級。在有機聚對二甲苯基片上製造出發光二極體和光檢測器,並由有機無機鈍化層保護。事實上,後者確保了PLED和OPD不會因為空氣而劣化。例如:作者觀察到鈍化層將PLED的操作半衰期由2小時延長至29小時。此外,各個元件的薄度可以確保機械彈性,甚至於摺皺於兩個手指之間PLED還能發光。

圖二、超彈性有機脈搏血氧儀。(A) 脈搏血氧儀的裝置結構。(B) 反射式脈搏血氧儀的工作原理。

在組裝該脈搏血氧儀之前,Yokota和同事分別量測發射器和光檢測器特性。該PLED在電流密度為10 mA cm–2的時候顯示出約13 %的量子效率。而當在1個太陽照度的太陽模擬器照射時,OPD的功率轉換效率是1.46 %,其光譜響應顯示該檢測器涵蓋400至650奈米之間的波長。

彈性血氧儀可以用膠帶貼附到皮膚上。當它包裹著手指,此組裝置是在反射模式下操作:當兩個PLED發射紅色和綠色的光進入皮膚;而OPD則收集反射回來的光。如同傳統血氧儀中,外圍毛細血管血氧飽和度可以從反射的綠色和紅色的光信號的大小之比例來決定,血紅蛋白對這些波長的吸收對於血液中氧的濃度是很敏感的。有機血氧儀在空氣中操作數天,依舊可以保持良好的穩定性,且測量出的數據與使用市售系統讀出的數據一致。

鑑於這些令人鼓舞的結果,作者預期鈍化層製造方法的進一步優化,將帶來新型的彈性光感測器,可以運用於手術後直接貼附到器官或是對生物學功能的日常監測。

參考資料:

1. Gaia Donati, Nature Photonics 10, 368 (2016)

doi:10.1038/nphoton.2016.111 Published online 31 May 2016

2. Yokota, Tomoyuki, et al. "Ultraflexible organic photonic skin." Science advances 2.4 (2016): e1501856

   
 
 
 
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