第165期 2020年8月刊
 
 
 
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:2020.08.30
 
 

Broadband Achromatic Metalenses at visible light

Professor Chieh-Hsiung Kuan

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 管傑雄教授

Traditional bulky and heavy optical components usually use phase accumulation along optical path, spatial refractive-index distribution, or surface morphology to tailor the wavefront of electromagnetic waves. Novel metasurfaces have revolutionized the ways with which we design and engineer the wavefront shaping.With abrupt phase change at the surface, we can create the new wavefront with anomalous propagation by orderly arranging the nano-resonators on a metasurface that leads to functionalities that were impossible to realize in conventional devices are now made possible with such metasurfaces. Metalens is one application for the wavefront shaping of metasurfaces. In our E-beam lab, we have successfully developed a broadband achromatic metalens composed of GaN nano-rods that can eliminate chromatic aberration at visible light, showing a low-cost fabrication and high-efficiency platform, envisioning future optics.

Fig. 1. (a) Optical image of the fabricated achromatic metalens. Scale bar: 10 μm. The dashed squares indicate the position of the zoomed-in SEM images shown in (b) and (c). Scale bars: 500 nm.

Fig. 2. Experimental light intensity profiles for the achromatic metalens. The white dashed line indicates the position of the focal plane.

 

Mobility Enhancement of Back-Channel-Etch Amorphous InGaZnO TFT with Double Layers

Professor Chee-Wee Liu

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 劉致為教授

The back-channel-etch amorphous InGaZnO (a-IGZO) double-layer thin-film transistor (DL-TFT) consists of an IGZO channel layer with no oxygen flow (NOF) and an IGZO barrier layer with oxygen flow (OF). The DL-TFT demonstrates the field-effect mobility of 19 cm2/ V-s, which is 1.6X of the NOF and the OF single-layer TFTs (SL-TFTs) at the overdrive voltage of 18V and the drain voltage of 0.1V. Several measurements are performed to obtain the band alignment between the NOF and the OF layer for further understandings of the mechanism of the improvement in the field-effect mobility. Tauc method, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and Kelvin probe force microscopy (KPFM) measurements were used to extract the optical bandgaps, the Fermi level position, and the work function of the NOF and the OF, respectively. The conduction band difference of 0.28 eV between the NOF and the OF layer is obtained. The carriers in the DL-TFT are confined in the NOF layer by quantum confinement, where the OF layer serves as the barrier to reduce the Coulomb scattering between the channel electrons and oxide charge, and the surface roughness scattering from the IGZO/oxide interface. DL-TFT can achieve high mobility with manufacturing ability by the simple change of oxygen flow.

Fig. 1 Schematics of the cross-sectional diagrams (not scaled) of (a) SL-TFT and (b) DL-TFT.

Fig. 2 Transfer characteristics of the SL-TFT with either NOF or OF channel, and the DL-TFT by bottom gate operation with top gate ground. The inset is the linear scale of drain current versus overdrive voltage.

 Fig. 3 The band alignment for NOF and OF a-IGZO.

Fig. 4 Simulation of the electron density distribution and the band diagram of the DL-TFT.

 

     
 
 
論文題目:廣頻吸收性濾波和受UPML概念啟發廣角寬頻吸收性頻率選擇面吸收器

姓名:曾士綱   指導教授:邱奕鵬教授

 

摘要

各向異性單軸完美匹配層(UPML)原本只是全波模擬(Full-Wave Simulation)上的一種數值技巧;使用理想完美匹配損耗性介質,用以近似無窮開放空間藉此節省計算資源的虛擬吸收器。實際上因為製程技術與材料科學的進步透過利用各種次波長的高阻抗性超穎材料來組合出設計於目標波段作用的吸收器,也因此才能在物理上實踐出近似UPML存在的吸收器。在此篇論文裡我們不僅研究且利用數值分析呈獻出基於UPML的概念,一個對極化低敏感度、近乎全角度入射性、且極寬頻寬的超穎材料吸收器並用於解決傳統吸收器在厚度與相異極化斜向入射時穩定性的相衝突問題,而且也另外研究並展示出多個寬頻吸收器設計的相關應用,例:無輻射的缺陷接地面結構吸收性共模濾波器。在上述濾波器設計裡引入並使用吸收概念來取代傳統反射概念,可同時地改善傳統反射濾波器缺點以及解決其他潛在電磁相容與相干擾問題。在此篇論文裡提到各式吸收器應用設計,其吸收的部分頻寬至少皆超過100%以上。我們提出的各式應用設計皆能透過全波模擬跟實驗量測結果驗證其效能跟理論設計方法正確性。本論文提出各式吸收元件都是具備寬頻、低敏感度、輕盈、且低成本特性具有潛力應用在各個領域與波段其中包括電磁相容性元件、匿蹤科技、兆赫波成像與偵測。

 基於UPML概念設計出的廣角寬頻兆赫波吸收器示意圖

(a) 缺陷接地面結構吸收性共模濾波器,效能驗證實驗樣品與量測配置圖 (b) 差模訊號S參數,全波模擬與實際量測比較

 


 
 
 

— 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、卓真禾 —

植物隨著生長而發光

經過基因改造的植物可以展現明亮的綠色,提供其健康和發育狀況的視覺信號(T. Mitiouchkina等人,Nat. Biotechnol. https://doi.org/10.1038/ s41587-020-0500-9;2020)。將來一旦對其進行優化,該功能可能帶來新的成像機會,以便針對植物的生長進行監視和篩選。

生物發光是動物界中的一種普遍現象,螢火蟲和某些種類的水母、魚類和章魚都是常見的例子。透過使用生物發光基因和基因改造,此項功能也已成功地引入到植物中,但是發光強度通常太弱,以致於無法用於應用。

現今,來自俄羅斯、英國和奧地利的科學家團隊已經成功製造基因改造的植物,其出光能力比以前的嘗試高出許多倍。實際上,他們研究的煙草植物發出的綠光可以用肉眼看到,並且達到每分鐘1010個光子,可以使用消費型數位相機而不是使用昂貴的發光成像設備對其進行成像。

研究人員在《自然生物技術》期刊中發表評論:「我們已經確定了使用真菌生物發光基因來生產發光植物的可行性,且發光植物的亮度至少比以前使用細菌生物發光系統的亮度多一個數量級。」「透過能夠自主發光,可以監測植物的動態過程,包括發育和發病機理,對環境條件的反應以及化學處理的效果。」

重要的是,真菌生物發光是由咖啡酸觸發的,與苯丙烷循環途徑相關的植物代謝循環,可產生與植物健康生長相關的豐富代謝產物,如黃酮、香豆素和木質素。研究人員的實驗表明,確實在植物中某些與生長活動的部位亮度最亮,特別是花朵、種子發芽過程中的根、子葉尖端、受傷部位以及幼芽的芽之中(圖一)。

圖一、生長中的生物發光植物。

咖啡酸是苯丙烷循環途徑中的中間物質,可在維管束植物中產生木質素和其他代謝產物。我們認為將真菌咖啡酸循環整合到植物代謝中可能是可行的。此外,咖啡酸循環產生的綠光與有色植物組織的透光窗非常吻合(圖二a) 。

儘管咖啡酸不是動物原有的,但也可以透過包含酪氨酸生物合成所需的兩種其他酶在動物體內實現自主發光-酪氨酸氨裂合酶和香豆酸3-羥化酶或同功能的酶(圖二b) 。

圖二、真菌生物發光系統。(a) 真菌生物發光光譜(螢光真菌,綠色部分)覆蓋在植物葉片的吸收光譜上(菸草,深灰色部分)(b) 咖啡酸循環與某些主要的植物生物合成路徑共享代謝產物。用蘑菇和小葉苗符號分別代表酶的真菌或酶的植物來源。4CL,4-香豆酸酯-CoA連接酶、C3H,對香豆酸3-羥化酶、C4H,肉桂酸4-羥化酶、CCOMT, 咖啡酰輔酶A O-甲基轉移酶、CHI,查爾酮異構酶、CHS,查爾酮合酶、CPH,假定存在的咖啡酰丙酮酸水解酶、H3H,乙烯基吡喃酮3-羥化酶、HispS,乙烯基吡喃酮合酶、Luz,螢光素酶、PAL,苯丙氨酸氨裂合酶。葉子吸收光譜的實驗結果是由三片葉子的表現。發光光譜是根據參考文獻三中發布的數據而繪製的。

研究人員指出:「在可見側生根萌芽跡象之前數小時,根在分支點處會明亮地發光,」「幼芽在頂芽和腋芽以及莖的上部最亮;隨著植物成熟,芽的老舊部分會變暗。」

此研究是由27位科學家組成的團隊進行,其中大多數隸屬於莫斯科Shemyakin-Ovchinnikov生物有機化學研究所和Planta。Planta成立於2017年,是一家總部位於莫斯科的新創企業,目標為將新型生物發光技術商業化。

 

參考資料:

[1] Oliver Graydon, “Plants glow as they grow,” Nature Photonics volume 14, 407(2020)

https://www.nature.com/articles/s41566-020-0661-6

DOI:10.1038/ s41566-020-0661-6

[2] Tatiana Mitiouchkina, Alexander S. Mishin, Louisa Gonzalez Somermeyer, Nadezhda M. Markina, Tatiana V. Chepurnyh, Elena B. Guglya, Tatiana A. Karataeva, Kseniia A. Palkina, Ekaterina S. Shakhova, Liliia I. Fakhranurova, Sofia V. Chekova, Aleksandra S. Tsarkova, Yaroslav V. Golubev, Vadim V. Negrebetsky, Sergey A. Dolgushin, Pavel V. Shalaev, Dmitry Shlykov, Olesya A. Melnik, Victoria O. Shipunova, Sergey M. Deyev, Andrey I. Bubyrev, Alexander S. Pushin, Vladimir V. Choob, Sergey V. Dolgov, Fyodor A. Kondrashov, Ilia V. Yampolsky & Karen S. Sarkisyan, “Plants with genetically encoded autoluminescence,” Nature Biotechnology 38, 944–946(2020)

https://www.nature.com/articles/s41587-020-0500-9

DOI: 10.1038/ s41587-020-0500-9

[3] Yan, Y. & Lin, Y. Biosynthesis of caffeic acid and caffeic acid derivatives by recombinant microorganisms. US patent 8809028B2 (2012)

   
 
 
 
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