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發行人：黃建璋所長 編輯委員：曾雪峰教授 主編：林筱文 發行日期：2020.02.29 |
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～ 與南京大學（Nanjing
University）博士生交流活動 2019 系列報導 ～
【2019
第十二屆海峽兩岸光電科技博士生論壇】
（時間：108年11月18日至11月22日；地點：南京大學）
【之一】
撰文：光電所博士班
陳庭皓
「第12屆海峽兩岸光電科技博士生論壇」日期訂於2019年11月18日至22日，其中雙方主題會議報告期間為19日至20日，於南京江北新區下榻的飯店會議中心舉行。19日上午由開幕式主持人南京大學物理學院副院長吳興龍教授首先介紹南京大學副校長王振林教授，在副校長致歡迎辭後順利展開本次會議報告的序幕。上午的報告內容主要由與會師長們致辭與專題演講，這次會議特別邀請博士生論壇創辦人南大祝世寧教授與臺大楊志忠教授為與會師長及同學進行專題演講，兩位老師分享研究的心路歷程，如祝世寧教授團隊研究議題涉及利用無人機觀測量子糾纏與通訊，楊志忠教授指導學生在表面銀奈米網路結構相關研究上的突破與發現，至今仍令人印象深刻。
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本所楊志忠教授與南京大學物理學院吳興龍副院長合影 |
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本所黃建璋所長與南京大學物理學院祝世寧院士合影 |
19日下午至20日的整天，會議報告的主角，除了南京大學與臺灣大學的同學外，還包含來自南京航天航空大學、南京師範大學與蘇州大學的同學，總計32名碩博士分五個議程輪流上台報告研究主題與相關成果。主要探討有機與無機顯示技術元件、太陽能電池材料與元件、非線性光學、拓譜光學、量子光學與通訊、三五族光電元件、液晶應用、光波導設計、生醫光電與系統設計等光電與物理領域。上述幾項課題如顯示技術與三五族光電元件，兩邊的同學都有談到相關的研究成果，然而非線性光學、拓譜光學、量子光學與通訊等成果展現是由南京大學同學所發表的，其中南大王洪飛同學將拓譜光學應用於光子晶體上的研究，引起我很大的好奇心，後續幾日也與王同學有許多的交流，學到不少知識。另一方面，如液晶應用、光波導設計、生醫光電與系統設計主要是由臺大的同學展示相關的技術與成果。其中，如臺大樊俊遠同學將液晶結合metalens形成一可調焦且消像差的透鏡結構，也引起許多同學興趣，問了許多問題。值得一提的是，我目前研究主題屬於前述生醫光電與系統設計，而會中來自南京航空航天大學的施瑤瑤同學其研究主題也與這個議題相關，主要是利用decorrelation的影像技術可用於生物組織成像或影像加密的效果，透過這次會議讓我對這個技術有更深入瞭解。
本次會議的人氣獎分別頒給臺灣大學的倪嘉均同學與南京大學的黃欣雨同學，其中倪嘉均同學的報告吸引許多師長與同學發問，而黃欣雨同學的傑出研究成果更是以第一作者發表在nature communication 期刊上。另一方面，由南京大學蘇光旭同學發表的新穎奈米材料二維結構之研究課題，與臺灣大學楊騰毅同學的晶體光纖應用於寬頻光源開發，分別獲得本屆的最佳論文獎，他們的研究成果一樣也令人讚嘆。對我而言，這次兩岸博士生論壇，展示雙方目前研究概況，開展彼此之間研究視野，更促進兩邊學術交流。感謝南京大學師長與同學的用心籌辦，使得本次會議順利完成。
【之二】
撰文：光電所博士班 樊俊遠
鏡中的自己，有別以往隨性的穿著，白襯衫外加西裝皮鞋，展現出嚴肅端莊的另一面。清晨南京乾冷的天氣，令人心曠神怡，確認一切準備就緒後，我跟同房的景荏無意間對眼相望，彼此很有默契地點頭示意，一同推開房門，前往瑞斯麗酒店五樓沙夫豪森廳，這也是今年圍繞著兩岸研究生，以我們為主角的最終舞台。
會場中大多的陌生面孔外夾雜著少許去年見過的熟悉面龐，這是我第二次參加的兩岸交流會議，與他們對眼的剎那，我不禁會心一笑，彼此間不用言語交流，就能傳達出再次相見的喜悅，剎那間彷彿置身於去年此時此刻，文化參訪過程的點點滴滴依舊歷歷在目，主客角色的對換，讓我倍感新鮮。開幕式當中，雙方教授發自肺腑的感言，驕傲地談論著兩岸會議的起源、此次交流的目標，以及未來的展望。緊接著雙方傑出研究學者以及教授帶給兩岸博士生的演講，有別於司空見慣的學術演講，相較於複雜的理論介紹，教授們更注重研究的構思、興趣以及自我的發想，台下學生們如癡如醉地聽著教授們知性的演說，頓時彷彿置身於教授們的實驗室，彼此間一同交流、成長。以往在繁忙的研究中，我們埋頭鑽研我們的研究，但或許也因為如此，時常漸漸迷失了方向，台上教授們的演講，我想就是一種叮嚀，像是海港明亮的燈塔，時時刻刻為我們指引前進的道路。中場休息的空檔，享受美味茶點的同時，我聆聽著同學們彼此間交流的細語，此起彼落的對話不絕於耳，凌亂卻亂中有序，溫馨的氣氛充滿整個會場，茶點的小小討論空間卻大大縮短了兩岸學生們心與心之間的距離。
「下一位是來自臺灣大學的博士班研究生」，在聽到自己的名字後，我昂首闊步地走上舞台，接下麥克風後開始分享了近期實驗室的研究成果，本易在大場面怯場的我，在經歷去年兩岸交流演講的洗禮，讓我這次能夠得心應手地展現自己實驗室的研究成果，台下同學與教授們的問題也讓我受益良多。南大同學們的演講著實令人大開眼界，「橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同」，一些看似平常熱門的研究領域，新奇的想法與切入點令研究水準更上一層樓，紮實嚴謹的理論基礎與巧奪天工的製程技術，令我不禁嘆為觀止，同學踴躍的發言、教授專業的點評、演講者有條有理的回答，臺大與南京兩岸交流會議，儼然是一場具有專業高水準的研討會，光子晶體、超穎材料、表面電漿子等艱深難懂的詞彙，對研究生們而言不單單是學術上溝通的橋樑，更是臺大與南大友情的羈絆。閉幕式中，除了感性的發言之外，教授還幽默風趣地說明兩岸詞彙翻譯的差異，「道地、地道」、「蝕刻、刻蝕」，相異的字詞排序以及詞彙翻譯，卻百川朝海地有著相同意義，明年此時此刻，我想臺大與南大兩岸交流會議會一直持續下去，年輕的莘莘學子、嶄新的研究領域、永恆的兩岸情誼，讓臺大研究生微小的光點，能在逐步走向世界的舞台上發光發熱。
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閉幕式合影 |
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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 ～
【之三】
撰文：光電所碩士班
孟慶棠
修課
在課業方面，由於在EMSP學程裡我們算是碩二生，因此這一年需修得60 ECTS，其中包含課程學分30 ECTS與碩士論文30 ECTS。這一年中，我修習了7 ECTS共兩門必修課程（General Courses），分別是Recent Trends in Photonics與Introduction to Entrepreneurship；16 ECTS共四門進階課程（Advanced Courses Photonics），分別是Display Technology、High Speed Photonic Components、Optical Spectroscopy of Materials、Photovoltaic Energy Conversion；4 ECTS的一門工程學院選修課程（Elective Courses）—Engineering Economy，以及3 ECTS的一門自由選修課程—Innovation Management。
我安排上學期以修課為主，下學期以研究為主，因此我上學期共修6門課，而下學期修2門課。對於根特大學的課程，首先可以說是相當緊湊，因為每一門課程大約上8至10週左右，有些課程是每兩週上一次，雖然上課時數不長，但是課程內容普遍又深又廣，因此課程進度是非常密集的。再來是老師上課的重心，在於教導較深、難以理解的概念，而較為基本粗淺的概念，老師則是點到為止，所以如果有不懂的地方，一定要馬上提問，不然很快就會跟不上課程進度了。
在學習重心方面，我覺得主要是在培養獨立思考的能力。例如在“High Speed Photonic Components”課程中，老師會先發下一週的教材，而學生須事先閱讀教材，如果有問題的話，需要在下一個禮拜上課前寄信給老師，老師會在上課時解答。如果都沒有問題的話，則不需要來上課。因此，學生需要藉由手上的資源來了解教材的內容，並有邏輯、有條理地彙整為問題。另外，大部分的課程老師上課進度非常密集，很多知識老師只是稍微提到或是省略，因此學生需要課後自主研究，才能填補課程上的不足。
在教學風氣方面，我覺得還蠻自由、多元的。例如在“Engineering Economy”有一個輔助網站，裡面有老師的講義、投影片、作業、參考資料等。學生需要利用這個網站課後複習完這次上課的內容及完成規定的作業，並且在下次上課前預習下一次的課程。每一個章節老師教完後會有一個評量作業，會納入最後總成績。還有會有幾週是case study的互動式課程，學生每次會隨機分配到不同組別，然後一起合作學習。另外，在“Display Technology”與“Photovoltaic Energy Conversion”這兩門課程中，老師會安排一堂課作為企業參訪，我們共參訪了了Esterline、Barco與Volvo，從中我學習到如何學以致用與外商企業的運作。
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圖一、企業參訪完教授帶學生一同吃中餐 |
圖二、參觀Volvo太陽能廠 |
還有一門課“Introduction to Entrepreneurship”會在期末的時候分配給大家一份case的商業報告（Genappeal），總共有三個企業角色扮演，分別是企業家、投資客與銀行。藉由每一組會被分派到其中的一個角色，用來模擬現實生活的商業模式。在期末的business game中，每一組需要完成角色扮演，並學習如何與其它角色談判、合作，來面對創業時會遇到的種種瓶頸。這些課程的教學方式真的很多元，帶給我學習上不一樣的體驗。
有些課程則是兩邊學校合開的，如“High Speed Photonic Components”，學生可以利用遠端教學系統來上課，不需要特地跑到另外一間學校上課。但我覺得學習效果有限，因為透過遠端老師上課的筆記與收音不是那麼清楚，所以不大推薦遠端視訊課程。大部分專業課程的人數很少，差不多5人左右，上課時老師與學生互動頻繁，我覺得有點像亦師亦友的感覺，學生常常發問並提出看法，老師則表達他們的見解，所以學生與老師的互動是雙向、互相學習的。
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圖三、遠端教學 |
考試規則方面，有分筆試、口試與筆口試混合。筆試與台灣相同，而口試如“Optical Spectroscopy of Materials”，老師會先發題目卷，學生可以在紙上寫下想法並組織要說的內容，之後老師會一對一詢問。一開始教授會先詢問較為簡單的概念，再慢慢由淺入深，詢問較為細節、深入的部分。如果一時答不出來也不用緊張，老師會引導你一步一步思考，因此在考試的過程中教授也在教導我們如何邏輯思考。而筆口試混合如“Display Technology”、“Photovoltaic Energy Conversion”，則是前半部時間先筆試，之後在筆試中老師會隨機找學生來口試，一樣先給你口試卷，之後輪到你時再一對一進行口試。口試結束後，如果還有剩餘時間，可以繼續完成筆試。“High Speed Photonic Components”的期末考則是以筆試進行，但當下結束後老師會跟你討論你的答題想法，如此才可確定是否真的釐清觀念。
考試制度總分為20分，只要得到10分以上即為通過該科。我修的課程大部分只有期末考，所以一定要好好把握。然而一整年沒通過的科目則會統一集中在8月底補考，如果參加的論文口試是9月場的話，則8月底的時候會非常忙碌，必須同時準備補考與論文口試。所以平常一定要做好時間管理，有效地分配學習時間，建議往後學弟妹在安排課表上量力而為，因為可能有很多未知、不確定性因素發生而影響到學業。【精彩內容，下期待續～】
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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
臺灣大學光電所 黃建璋教授
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.
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Fig. 1
Experimental
setup
for
characterizing
EBNA-1
antibodies |
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Fig. 2 (a) Sensitivity curves (cut-off wavelength shifts of various EBNA-1 antibody concentrations) along (a) Gk and (b) Gm directions |
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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
臺灣大學光電所 陳奕君教授
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.]
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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. |
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論文題目：三重態-三重態湮滅上轉換電致發光元件與異質接面薄膜
姓名：陳佳勳 指導教授：李君浩教授
| 摘要 |
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本論文分為兩個部分，第一部分將介紹基於三重態-三重態湮滅上轉換設計出來的有機發光二極體發光機制，如圖一所示，利用 Tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) 當作綠色敏化層和 9,10-Bis(2-naphthyl)anthraces (ADN)作為藍色三重態-三重態湮滅與放光層，在電激發光底下會有25%的單重態和75%的三重態，Alq3的三重態可以將能量轉移到ADN的三重態上，並且經ADN的三重態-三重態湮滅放出比原本吸收還高的光子。這架構具有極高的轉換利用效率(86.1%)元件表現比傳統三重態-三重態湮滅有機發光二極體具有較高的元件效率與操作壽命。另外我們引入三重態擴散與單重態阻擋層提高元件的效率，並摻雜磷光材料於敏化層更可將效率和色純度大幅提升。
第二部分我們使用光激發光譜系統之量測，來瞭解以激基複合物(Exciplex)作為敏化層之化三重態-三重態湮滅上轉換的激子與載子動態特性，我們總結出了三種方法: 增加湮滅層的厚度，引入在三重態激子擴散與單重態阻擋層和高放光效率螢光的摻雜。如圖二所示，當加入不同厚度的三重態激子擴散與單重態阻擋層時，藍色的三重態-三重態湮滅上轉換訊號會提高，並且在10 nm的時候達到一個飽和。除此之外，我們也演示了此方法亦可利用於熱活化型延遲螢光敏化三重態-三重態湮滅上轉換，使得其轉換效率提升。
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圖一 |
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圖二 |
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資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology
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整理：林晃巖教授、吳昕妤 —
令人驚喜的漸變鏡片
雖然常被忽略或視為麻煩，但漸變折射率（GRIN）透鏡的雙折射特性可以為渦流光束的產生、成像和極化技術提供意想不到的新機會。這是中英合作的發現，他們最近發表了關於該主題的研究報告(Nat. Commun. https://doi.org/10.1038/ s41467-019-12286-3; 2019)。
如圖一所示，與具有均勻折射率的正常透鏡相比，漸變折射率透鏡是柱狀的玻璃元件，其折射率分佈在柱狀結構的橫截面上呈現漸變式變化。這種透鏡通常用於成像系統中，以減少球面像差或改善與光纖或波導的耦合。
在製造漸變折射率透鏡時，用於產生漸變折射率的離子交換過程還會引進逐漸變化的雙折射，該雙折射是旋轉對稱的，並且其相位延遲隨著離桿軸半徑的大小而增加。
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圖一、漸變折射率透鏡特性和漸變折射率透鏡串聯。a) 市售漸變折射率透鏡。 b) 漸變折射率透鏡光線軌跡的示意圖。 c) 漸變折射率透鏡橫截面的雙折射和折射率分佈。 |
現在，Chao He及其同事在理論上和實驗上都作出展示，這些特性意味著一個或多個漸變折射率透鏡的串聯可以直接生成多種向量渦旋光束（具有複雜相位和偏振特性的向量光場），如圖二所示。儘管可以透過其他方式製造，但通常需要專用設備製作而不是現成的元件。
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圖二、漸變折射率透鏡中的向量渦旋光束 |
此外，當將具有合適偏振態的光輸入到其中時，發現串聯的漸變折射率透鏡可以將光聚焦到沿縱向壓縮的點擴展函數，從而提供了具有增強軸向解析度的成像機會。
作者還使用了雙鏡頭串聯來構建單次米勒矩陣偏振計，亦即一種可以全面紀錄物體偏振特性的儀器。當將其應用於生物組織樣本時，這可能會提供一種根據樣本光學延遲的分析和空間圖來鑑別健康組織和患病組織的方法。
作者也說，他們相信使用漸變折射率透鏡的串聯可以發現許多令人驚訝的應用，從量子光學到臨床診斷。他們現在正在考慮將該方法與深度學習和適應光學技術互相結合，以進一步擴展其潛力。
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參考資料： |
[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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