第159期 2020年1,2月刊
 
 
 
发行人:黄建璋所长  编辑委员:曾雪峰教授  主编:林筱文  发行日期:2020.02.29
 
 
     

~ 与南京大学(Nanjing University)博士生交流活动 2019  系列报导 ~

【2019 第十二届海峡两岸光电科技博士生论坛】

(时间:2019年11月18日至11月22日;地点:南京大学

【之一】

撰文:光电所博士班 陈庭皓

「第12届海峡两岸光电科技博士生论坛」日期订于2019年11月18日至22日,其中双方主题会议报告期间为19日至20日,于南京江北新区下榻的饭店会议中心举行。19日上午由开幕式主持人南京大学物理学院副院长吴兴龙教授首先介绍南京大学副校长王振林教授,在副校长致欢迎辞后顺利展开本次会议报告的序幕。上午的报告内容主要由与会师长们致与专题演讲,这次会议特别邀请博士生论坛创办人南大祝世宁教授与台大杨志忠教授为与会师长及同学进行专题演讲,两位老师分享研究的心路历程,如祝世宁教授团队研究议题涉及利用无人机观测量子纠缠与通讯,杨志忠教授指导学生在表面银奈米网络结构相关研究上的突破与发现,至今仍令人印象深刻。

本所杨志忠教授与南京大学物理学院吴兴龙副院长合影

本所黄建璋所长与南京大学物理学院祝世宁院士合影

19日下午至20日的整天,会议报告的主角,除了南京大学与台湾大学的同学外,还包含来自南京航天航空大学、南京师范大学与苏州大学的同学,总计32名硕博士分五个议程轮流上台报告研究主题与相关成果。主要探讨有机与无机显示技术组件、太阳能电池材料与组件、非线性光学、拓谱光学、量子光学与通讯、三五族光电组件、液晶应用、光波导设计、生医光电与系统设计等光电与物理领域。上述几项课题如显示技术与三五族光电组件,两边的同学都有谈到相关的研究成果,然而非线性光学、拓谱光学、量子光学与通讯等成果展现是由南京大学同学所发表的,其中南大王洪飞同学将拓谱光学应用于光子晶体上的研究,引起我很大的好奇心,后续几日也与王同学有许多的交流,学到不少知识。另一方面,如液晶应用、光波导设计、生医光电与系统设计主要是由台大的同学展示相关的技术与成果。其中,如台大樊俊远同学将液晶结合metalens形成一可调焦且消像差的透镜结构,也引起许多同学兴趣,问了许多问题。值得一提的是,我目前研究主题属于前述生医光电与系统设计,而会中来自南京航空航天大学的施瑶瑶同学其研究主题也与这个议题相关,主要是利用decorrelation的影像技术可用于生物组织成像或影像加密的效果,透过这次会议让我对这个技术有更深入了解。

 本次会议的人气奖分别颁给台湾大学的倪嘉均同学与南京大学的黄欣雨同学,其中倪嘉均同学的报告吸引许多师长与同学发问,而黄欣雨同学的杰出研究成果更是以第一作者发表在nature communication 期刊上。另一方面,由南京大学苏光旭同学发表的新颖奈米材料二维结构之研究课题,与台湾大学杨腾毅同学的晶体光纤应用于宽带光源开发,分别获得本届的最佳论文奖,他们的研究成果一样也令人赞叹。对我而言,这次两岸博士生论坛,展示双方目前研究概况,开展彼此之间研究视野,更促进两边学术交流。感谢南京大学师长与同学的用心筹办,使得本次会议顺利完成。

 

之二

撰文:光电所博士班 樊俊远

镜中的自己,有别以往随性的穿著,白衬衫外加西装皮鞋,展现出严肃端庄的另一面。清晨南京干冷的天气,令人心旷神怡,确认一切准备就绪后,我跟同房的景荏无意间对眼相望,彼此很有默契地点头示意,一同推开房门,前往瑞斯丽酒店五楼沙夫豪森厅,这也是今年围绕着两岸研究生,以我们为主角的最终舞台。

会场中大多的陌生面孔外夹杂着少许去年见过的熟悉面庞,这是我第二次参加的两岸交流会议,与他们对眼的剎那,我不禁会心一笑,彼此间不用言语交流,就能传达出再次相见的喜悦,剎那间彷佛置身于去年此时此刻,文化参访过程的点点滴滴依旧历历在目,主客角色的对换,让我倍感新鲜。开幕式当中,双方教授发自肺腑的感言,骄傲地谈论着两岸会议的起源、此次交流的目标,以及未来的展望。紧接着双方杰出研究学者以及教授带给两岸博士生的演讲,有别于司空见惯的学术演讲,相较于复杂的理论介绍,教授们更注重研究的构思、兴趣以及自我的发想,台下学生们如痴如醉地听着教授们知性的演说,顿时彷佛置身于教授们的实验室,彼此间一同交流、成长。以往在繁忙的研究中,我们埋头钻研我们的研究,但或许也因为如此,时常渐渐迷失了方向,台上教授们的演讲,我想就是一种叮咛,像是海港明亮的灯塔,时时刻刻为我们指引前进的道路。中场休息的空档,享受美味茶点的同时,我聆听着同学们彼此间交流的细语,此起彼落的对话不绝于耳,凌乱却乱中有序,温馨的气氛充满整个会场,茶点的小小讨论空间却大大缩短了两岸学生们心与心之间的距离。

「下一位是来自台湾大学的博士班研究生」,在听到自己的名字后,我昂首阔步地走上舞台,接下麦克风后开始分享了近期实验室的研究成果,本易在大场面怯场的我,在经历去年两岸交流演讲的洗礼,让我这次能够得心应手地展现自己实验室的研究成果,台下同学与教授们的问题也让我受益良多。南大同学们的演讲着实令人大开眼界,「横看成岭侧成峰,远近高低各不同」,一些看似平常热门的研究领域,新奇的想法与切入点令研究水平更上一层楼,扎实严谨的理论基础与巧夺天工的制程技术,令我不禁叹为观止,同学踊跃的发言、教授专业的点评、演讲者有条有理的回答,台大与南京两岸交流会议,俨然是一场具有专业高水平的研讨会,光子晶体、超颖材料、表面电浆子等艰深难懂的词汇,对研究生们而言不单单是学术上沟通的桥梁,更是台大与南大友情的羁绊。闭幕式中,除了感性的发言之外,教授还幽默风趣地说明两岸词汇翻译的差异,「地道、地道」、「蚀刻、刻蚀」,相异的字词排序以及词汇翻译,却百川朝海地有着相同意义,明年此时此刻,我想台大与南大两岸交流会议会一直持续下去,年轻的莘莘学子、崭新的研究领域、永恒的两岸情谊,让台大研究生微小的光点,能在逐步走向世界的舞台上发光发热。

闭幕式合影

 

光电所参与欧盟 European Master of Science in Photonics (EMSP) 硕士双学位计划  系列报导 ~

【之三】

撰文:光电所硕士班 孟庆棠

修课

在课业方面,由于在EMSP学程里我们算是硕二生,因此这一年需修得60 ECTS,其中包含课程学分30 ECTS与硕士论文30 ECTS。这一年中,我修习了7 ECTS共两门必修课程(General Courses),分别是Recent Trends in Photonics与Introduction to Entrepreneurship;16 ECTS共四门进阶课程(Advanced Courses Photonics)分别是Display Technology、High Speed Photonic Components、Optical Spectroscopy of Materials、Photovoltaic Energy Conversion;4 ECTS的一门工程学院选修课程(Elective Courses)—Engineering Economy,以及3 ECTS的一门自由选修课程Innovation Management。

我安排上学期以修课为主,下学期以研究为主,因此我上学期共修6门课,而下学期修2门课。对于根特大学的课程,首先可以说是相当紧凑,因为每一门课程大约上8至10周左右,有些课程是每两周上一次,虽然上课时数不长,但是课程内容普遍又深又广,因此课程进度是非常密集的。再来是老师上课的重心,在于教导较深、难以理解的概念,而较为基本粗浅的概念,老师则是点到为止,所以如果有不懂的地方,一定要马上提问,不然很快就会跟不上课程进度了。

在学习重心方面我觉得主要是在培养独立思考的能力。例如在“High Speed Photonic Components”课程中,老师会先发下一周的教材,而学生须事先阅读教材,如果有问题的话,需要在下一个礼拜上课前寄信给老师,老师会在上课时解答。如果都没有问题的话,则不需要来上课。因此,学生需要藉由手上的资源来了解教材的内容,并有逻辑、有条理地汇整为问题。另外,大部分的课程老师上课进度非常密集,很多知识老师只是稍微提到或是省略,因此学生需要课后自主研究,才能填补课程上的不足。

在教学风气方面,我觉得还蛮自由、多元的。例如在“Engineering Economy”有一个辅助网站,里面有老师的讲义、投影片、作业、参考数据等。学生需要利用这个网站课后复习完这次上课的内容及完成规定的作业,并且在下次上课前预习下一次的课程。每一个章节老师教完后会有一个评量作业,会纳入最后总成绩。还有会有几周是case study的交互式课程,学生每次会随机分配到不同组别,然后一起合作学习。另外,在“Display Technology”与“Photovoltaic Energy Conversion”这两门课程中,老师会安排一堂课作为企业参访,我们共参访了了Esterline、Barco与Volvo,从中我学习到如何学以致用与外商企业的运作。

 图一、企业参访完教授带学生一同吃中餐

图二、参观Volvo太阳能厂

还有一门课“Introduction to Entrepreneurship”会在期末的时候分配给大家一份case的商业报告(Genappeal),总共有三个企业角色扮演,分别是企业家、投资客与银行。藉由每一组会被分派到其中的一个角色,用来仿真现实生活的商业模式。在期末的business game中,每一组需要完成角色扮演,并学习如何与其它角色谈判、合作,来面对创业时会遇到的种种瓶颈。这些课程的教学方式真的很多元,带给我学习上不一样的体验。

有些课程则是两边学校合开的,如“High Speed Photonic Components”,学生可以利用远程教学系统来上课,不需要特地跑到另外一间学校上课。但我觉得学习效果有限,因为透过远程老师上课的笔记与收音不是那么清楚,所以不大推荐远程视讯课程。大部分专业课程的人数很少,差不多5人左右,上课时老师与学生互动频繁,我觉得有点像亦师亦友的感觉,学生常常发问并提出看法,老师则表达他们的见解,所以学生与老师的互动是双向、互相学习的。

 图三、远程教学

考试规则方面,有分笔试、口试与笔口试混合。笔试与台湾相同,而口试如“Optical Spectroscopy of Materials”,老师会先发题目卷,学生可以在纸上写下想法并组织要说的内容,之后老师会一对一询问。一开始教授会先询问较为简单的概念,再慢慢由浅入深,询问较为细节、深入的部分。如果一时答不出来也不用紧张,老师会引导你一步一步思考,因此在考试的过程中教授也在教导我们如何逻辑思考。而笔口试混合如“Display Technology”、“Photovoltaic Energy Conversion”,则是前半部时间先笔试,之后在笔试中老师会随机找学生来口试,一样先给你口试卷,之后轮到你时再一对一进行口试。口试结束后,如果还有剩余时间,可以继续完成笔试。“High Speed Photonic Components”的期末考则是以笔试进行,但当下结束后老师会跟你讨论你的答题想法,如此才可确定是否真的厘清观念。

考试制度总分为20分,只要得到10分以上即为通过该科。我修的课程大部分只有期末考,所以一定要好好把握。然而一整年没通过的科目则会统一集中在8月底补考,如果参加的论文口试是9月场的话,则8月底的时候会非常忙碌,必须同时准备补考与论文口试。所以平常一定要做好时间管理,有效地分配学习时间,建议往后学弟妹在安排课表上量力而为,因为可能有很多未知、不确定性因素发生而影响到学业。【精彩内容,下期待续~】

     
 
 

Surface plasmons coupled two-dimensional photonic crystal biosensors for Epstein-Barr virus protein detection

Professor Jian-Jang Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 黄建璋教授

The fundamental detection scheme of typical grating or photonic crystal (PhC) sensors relies on the correlation of the diffraction behaviors with the refractive index of target analyte. For biomaterial detection, a thin gold film is usually deposited on the sensor surface so that cross linkers can be anchored before functionalizing the device. The nanoscale metallic film suggests plasmonic resonances play a critical role in light-matter interaction. In this work, we demonstrated a compact two-dimensional (2D) hexagonal photonic crystal (PhC) biosensor with thin gold film coating. In such a device, surface plasmon polariton (SPP) on the metal structure and phase matching of optical wave with the PhC are considered when analyzing light-biomaterial interaction on the detector. Using Epstein-Barr nuclear antigen-1 (EBNA-1) antibody as an example, protein sensing along different lattice orientations of the PhC biosensor was investigated. Based on the dispersion relationship and phase matching conditions, we unravel the mechanisms involved in the wavelength shifts and sensitivities. The simulation results verify the phenomenon of tighter spatial confinement and higher local field intensity from the SPP, which helps detecting small variations of the refractive index on the sensor surface.

Fig. 1 Experimental setup for characterizing EBNA-1 antibodies

Fig. 2 (a) Sensitivity curves (cut-off wavelength shifts of various EBNA-1 antibody concentrations) along (a) Gk and (b) Gm directions

Fig. 3 Simulation results of a EM field within a single nanohole

 

In-situ CH3NH3PbI3 Interface Treatment by Dielectric Barrier Discharge Plasma for Perovskite Solar Cells

Professor I-Chun Cheng

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 陈奕君教授

The surface diffusion dielectric barrier discharge (SDDBD) is a type of low-temperature plasma operated at regular pressure without the requirement of vacuum pumps and chambers. The plasma is formed by applying an AC voltage to produce a filamentous discharge. In this work, the effect of surface diffusion dielectric barrier discharge treatment on the properties of methylammonium lead iodide (CH3NH3PbI3) perovskite thin films is investigated. The in-situ SDDBD-treated MAPbI3 perovskite thin films are then used as the absorber layers for planar n-i-p perovskite solar cells (PSCs). N-O emission system is observed in the plasma during the treatment, indicating the reactions of reactive nitrogen plasma species with the organics in the precursor films. Long SDDBD treatment duration (60 s) leads to the phase precipitation of PbI2 and degrades the cell efficiency, whereas short SDDBD treatment duration (20 s) significantly improves the PSC efficiency by nearly 40%. Only slight performance enhancement is observed in the PSCs prepared by conventional thermal treatment at the same substrate temperatures as that for SDDBD treatment, implying that SDDBD provides the synergetic effect of the reactivity and plasma heating. Electrochemical impedance spectroscopy indicates that the charge recombination impedance increases and then decreases with SDDBD treatment duration. The shunt resistance also shows a similar trend, and it is consistent with the PSC performance. The PSC with the 20 s SDDBD-treated absorber layer shows energy conversion efficiency of 14.29%, open circuit voltage of 1.022 V, short circuit current density of 19.45 mA/cm2, and fill factor of 0.72, whereas the corresponding values for the untreated counterpart are 10.32%, 0.976 V, 18.52 mA/cm2, and 0.57. The result shows that short-duration low-temperature SDDBD treatment effectively enhances the performance of solution processed PSCs. [Appl. Surf. Sci. 473, pp.468 – 475, 2019.]

Fig. 1. (a) Evolution of OES of SDDBD plasmas during the treatment for perovskite layers. (b) J-V curves of PSCs with various SDDBD treatment conditions.

 

     
 
 
论文题目:三重态-三重态湮灭上转换电致发光组件与异质接面薄膜

姓名:陈佳勋   指导教授:李君浩教授

 

摘要

本論文分为两个部分,第一部分将介绍基于三重态-三重态湮灭上转换设计出来的有机发光二极管发光机制,如图一所示,利用 Tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) 当作绿色敏化层和 9,10-Bis(2-naphthyl)anthraces (ADN)作为蓝色三重态-三重态湮灭与放光层,在电激发光底下会有25%的单重态和75%的三重态,Alq3的三重态可以将能量转移到ADN的三重态上,并且经ADN的三重态-三重态湮灭放出比原本吸收还高的光子。这架构具有极高的转换利用效率(86.1%)组件表现比传统三重态-三重态湮灭有机发光二极管具有较高的组件效率与操作寿命。另外我们引入三重态扩散与单重态阻挡层提高组件的效率,并掺杂磷光材料于敏化层更可将效率和色纯度大幅提升。

第二部分我们使用光激发光谱系统之量测,来了解以激基复合物(Exciplex)作为敏化层之化三重态-三重态湮灭上转换的激子与载子动态特性,我们总结出了三种方法: 增加湮灭层的厚度,引入在三重态激子扩散与单重态阻挡层和高放光效率荧光的掺杂。如图二所示,当加入不同厚度的三重态激子扩散与单重态阻挡层时,蓝色的三重态-三重态湮灭上转换讯号会提高,并且在10 nm的时候达到一个饱和。除此之外,我们也演示了此方法亦可利用于热活化型延迟荧光敏化三重态-三重态湮灭上转换,使得其转换效率提升。

 图一

 

 图二


 
 
 

— 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、吴昕妤 —

令人惊喜的渐变镜片

虽然常被忽略或视为麻烦,但渐变折射率(GRIN)透镜的双折射特性可以为涡流光束的产生、成像和极化技术提供意想不到的新机会。这是中英合作的发现,他们最近发表了关于该主题的研究报告(Nat. Commun. https://doi.org/10.1038/ s41467-019-12286-3; 2019)。

如图一所示,与具有均匀折射率的正常透镜相比,渐变折射率透镜是柱状的玻璃组件,其折射率分布在柱状结构的横截面上呈现渐变式变化。这种透镜通常用于成像系统中,以减少球面像差或改善与光纤或波导的耦合。

在制造渐变折射率透镜时,用于产生渐变折射率的离子交换过程还会引进逐渐变化的双折射,该双折射是旋转对称的,并且其相位延迟随着离杆轴半径的大小而增加。

图一、渐变折射率透镜特性和渐变折射率透镜串联。a) 市售渐变折射率透镜。 b) 渐变折射率透镜光线轨迹的示意图。 c) 渐变折射率透镜横截面的双折射和折射率分布。

现在,Chao He及其同事在理论上和实验上都作出展示,这些特性意味着一个或多个渐变折射率透镜的串联可以直接生成多种向量涡旋光束(具有复杂相位和偏振特性的向量光场),如图二所示。尽管可以透过其它方式制造,但通常需要专用设备制作而不是现成的组件。

 

图二、渐变折射率透镜中的向量涡旋光束

此外,当将具有合适偏振态的光输入到其中时,发现串联的渐变折射率透镜可以将光聚焦到沿纵向压缩的点扩展函数,从而提供了具有增强轴向分辨率的成像机会。

 作者还使用了双镜头串联来构建单次米勒矩阵偏振计,亦即一种可以全面纪录物体偏振特性的仪器。当将其应用于生物组织样本时,这可能会提供一种根据样本光学延迟的分析和空间图来鉴别健康组织和患病组织的方法。

作者也说,他们相信使用渐变折射率透镜的串联可以发现许多令人惊讶的应用,从量子光学到临床诊断。他们现在正在考虑将该方法与深度学习和适应光学技术互相结合,以进一步扩展其潜力。

 

 

参考资料

[1] Oliver Graydon “Graded lens surprise,” Nature Photonics volume 13, 732 (2019)

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0539-7

DOI: 10.1038/ s41566-019-0539-7

[2] Chao He , Jintao Chang, Qi Hu , Jingyu Wang , Jacopo Antonello , Honghui He, Shaoxiong Liu, Jianyu Lin, Ben Dai, Daniel S. Elson, Peng Xi, Hui Ma & Martin J. Booth “Complex vectorial optics through gradient index lens cascades,” Nature Communications, volume 10, 4264 (2019)

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12286-3

DOI: 10.1038/ s41467-019-12286-3

   
 
 
 
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