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超穎物質圓柱與金屬圓柱陣列的光波散射研究

在本論文中使用以解析的級數展開方法以及多重散射方法，模擬計算金屬圓柱與超穎物質的電磁波散射問題，使用解析方式的優勢是可以達到快速且準確的計算結果。對於單根圓柱而言，本論文針對雙層圓柱結構作探討，分別討論不同超穎物質在不同圓柱結構下所產生的電磁場型，探討散射場強度，不同超穎物質對散射場型與散射截面積的影響。 本研究亦探討了二維金屬圓柱陣列的特性。使用了多重散射法加以計算有限大小金屬圓柱陣列的光波穿透特性，針對圓柱陣列不同的缺陷構造(直線型以及點型缺陷)也加以討論。

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氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井之光伏物理性質分析

在本論文中，氮化物太陽能電池採用多重量子井式 (multiple quantum well) 的吸光層結構。在此之中，分別加入15 % 與30 % 之的銦含量，並分析整體元件的結構與物理性質。同時，透過發光頻譜、模擬太陽光源 (air mass 1.5G) 照射下所測的I-V曲線圖與外部量子效率 (external quantum efficiency) 在不同波長下的分佈，可以發現銦 (indium) 含量較高的元件，由於晶格品質較差，其所產生的光電轉換效率 (conversion efficiency) 也較低。除此之外，為了更清楚地了解吸光層中載子在不同溫度下的表現，藉由調控溫度在100 K – 400 K之間測量元件的I-V曲線，獲得轉換效率與填充因子 (filling factor) 的變化，可得知銦含量較高的元件，雖然其轉換效率較低，但因吸光層中有鎵 (gallium)、銦相分離 (phase separation) 的現象產生，故而當溫度提升時，該元件的光伏 (photovoltaic) 特性有較顯著的改變。 為了提升氮化物太陽能電池的轉換效率，利用水熱法 (hydrothermal method.) 成長低維度氧化鋅奈米柱陣列 (zinc oxide nanorod arrays) 結構作為表面的抗反射層；透過調控此一製程的相關參數與數值模擬，可獲得最佳的奈米柱陣列的幾何特徵，使氮化物太陽能電池表面的抗反射層，在可見光的波長範圍內，達到最高的穿透能力，並進一步了解結構與成長條件對電子傳輸與光特性之影響。此外，使用針狀式的氧化鋅奈米柱陣列將可大幅改善氮化物太陽能電池光伏特性。

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量子井結構上製作金屬奈米顆粒 並研究所產生之表面電漿子與量子井耦合現象

為瞭解表面電漿子與量子井耦合以提升發光二極體效率之物理機制，我們首先在氮化銦鎵/氮化鎵量子井結構上，使用聚苯乙烯奈米球微影技術製作金和銀的金屬奈米顆粒。以此技術，我們可以有效控制金屬顆粒的大小和表面覆蓋率。本研究中我們選擇適當大小的聚苯乙烯奈米球，且適當的調整熱退火條件，可以製作出侷域表面電漿子共振波長與量子井發光波段吻合的銀奈米顆粒。經由銀奈米顆粒所產生的侷域表面電漿子與量子井的耦合，不僅加速了量子井中自由載子的發光結合速率，也增強量子井光致螢光的發光強度。經由此耦合的機制，我們也觀察到光致螢光的發光頻譜紅移與光致螢光的衰減時間縮短的現象。隨溫度變化的光致螢光量測結果也顯示量子井內部量子效率的增強效果。

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以干涉微影在光纖端面製作相位光柵及其應用

近來，在光纖端面製作微奈米結構十分受矚目，因為光纖細小，成本低及易於量產的特性，適合應用在感測器、通訊和導光方面。除了文獻中已有的應用報導外，我們提出在光纖端面製作相位光柵，並使用此種端面具有相位光柵的光纖，可輕易地將雷射光導至任意形狀的試片上面，直寫干涉條紋。 在此論文中，我們將會利用商用軟體R-soft來模擬不同結構形狀的相位光柵的繞射效率，以及利用雙光干涉微影術來製作相位光柵。並且利用在離子蝕刻機(RIE)中蝕刻擋罩縮小的機制，簡單地將梯形相位光柵製作在玻璃基板及光纖端面上。而後，我們會針對這些不同高度及填滿率(duty cycle)的結構，對壓抑0階繞射光的影響進行量測以及討論。 在製作梯形相位光柵在光纖束(fiber bundle)的端面方面，我們設計並製作了光纖束。製作光纖束的過程中，較大的石英柱半徑可在旋轉塗佈阻劑時，擁有較均勻的膜厚。而我們設計製作光纖束的直徑為15公厘，可以提供足夠大的面積做旋轉塗佈阻劑，並有效降低邊緣不均勻的現象。在經過干涉微影及半導體製程後，完整無破損的相位光柵可製作在光纖束的端面上。再使用端面具有相位光柵的光纖，將一維光柵製作在一微米尺寸的區域。除此之外，在曲面上直寫週期性結構預期也是可行的。

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使用三維時域擬譜法分析生物細胞的光學特性

摘要 在本篇論文中，我們主要的研究目標是:「利用時域擬譜法 (pseudospectral time-domain method, PSTD法)，來模擬生物細胞的光學特性。」；而在我們研究中，只要能夠有效的提供出細胞的折射率分佈，任何的生物細胞我們都可以去模擬的，在這只是剛好用到HT-29細胞來做為研究。而我們主要是利用模擬的方法，將生物細胞的光學特性模擬出來。 模擬的方法主要是使用時域擬譜法，時域擬譜法是使用快速傅立葉轉換 (fast Fourier transform, 簡稱FFT)，來對Maxwell方程式的空間項做處理，而時間項的部分依然是使用中央差分法來計算。而光學特性方面，是以光學定理 (optical theorem) 為主，主要都是在觀測總散射截面 (total scattering cross section, TSCS) 和微分散射截面 (differential scattering cross section, DSCS) 之差異。 最後，我們希望藉由改變HT-29細胞內的折射率分佈，來觀測出總散射截面和微分散射截面值的變化，探討這些細胞內的折射率分佈，對於整體光學散射特性的影響。

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雙奈米狹縫金屬光柵光反射與穿透之模型化與分析

雙奈米狹縫金屬光柵為每個週期存在兩個奈米狹縫的金屬一維週期性結構。光波入射雙奈米狹縫金屬光柵反射和穿透的特性會隨著兩個狹縫的參數和兩個狹縫模態的能量耦合程度變化。本篇論文推導出來解析模型分析光波入射雙奈米狹縫金屬光柵反射和穿透的特性。雙奈米狹縫金屬光柵的金屬狹縫區域類似金屬和介電物質交錯排列五層平板波導，因為金屬和介電物質交錯排列五層平板波導存在兩種表面電漿子模態，所以光波入射雙奈米狹縫金屬光柵可能會在金屬狹縫區域激發兩種表面電漿子模態。本篇論文推導出來金屬和介電物質交錯排列五層平板波導的模態特性方程式，求解模態特性方程式可以得到兩種表面電漿子模態的等效折射率。金屬狹縫區域類似Fabry-Pérot共振腔，兩種表面電漿子模態在金屬狹縫區域各自獨立來回反射，發生干涉現象。如果滿足共振條件，反射率譜和穿透率譜就會出現尖峰。利用兩種表面電漿子模態互相為正交的關係可以展開邊界條件關係式，推導出來光波入射雙奈米狹縫金屬光柵反射和穿透的解析模型。我們使用解析模型計算的結果和電磁模擬軟體使用嚴格耦合波分析(RCWA)數值模擬的結果相當吻合。雖然只有考慮Fabry-Pérot共振模態影響的解析模型不會完全精確，但是可以幫助我們具備對於雙奈米狹縫金屬光柵在近紅外光波長區段光反射與穿透現象的物理直覺，並且大幅減少計算時間，快速得到計算結果。

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六甲基二矽氮烷與氧氣製備之封裝膜阻水阻氣特性研究

本研究利用低溫電漿輔助化學氣相沉積法開發低溫、可撓有機/無機混成抗水、氧封裝膜。藉由前驅氣體流量及製程參數的調配來調控混成膜之成分與特性，所沉積之薄膜並具良好覆蓋性，可避免水氧側漏。本研究所使用的前驅氣體為六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane, HMDSZ)以及氧氣(O2)。使用玻璃、PI、以及矽晶圓(Silicon wafer)三種基板，製程溫度為室溫，HMDSZ 單體流量選定10sccm及20sccm 配合O2 流量為0~200sccm，電漿功率則設定在15W~60W 之間。 我們由傅式光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)，來觀察混成膜鍵結，發現在1073cm-1 這個波長下的Si-O-Si 鍵結，隨著氧氣流量的升高而增加，代表無機鍵結隨著氧氣分量增加而逐漸增加。並由水接觸角( Contact angle)觀察到HMDSZ 薄膜表面隨著氧氣分量愈來愈多呈現愈來愈親水，亦應證Si-O-Si成分漸增。再透過原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM) 來量測其薄膜表面粗糙度，發現沒有通入氧氣的HMDSZ 薄膜的粗糙度大約是0.5nm，通入氧氣後則將粗糙度降低到大約0.1nm，透過AFM 的圖也可以發現，表面的微小顆粒在通入氧氣後明顯的數量變為較少。由可見光至近紅外穿透光譜得知，無論有無氧氣通入，混成膜於可見光之平均穿透率都保持在90%左右。接著由奈米壓痕儀(nanoindentator)量測混成膜之機械性質，隨著氧氣流量比例增加，楊氏係數與硬度均隨之上升，代表製程中Si-O-Si 鍵結的生成，使得薄膜的無機性質增加。同時我們在上述的量測皆觀察到，在通入氧氣的製程中，若提升製程電漿功率可達到和增加氧氣流量比例同樣的效果。 最後經由鈣測試法(calcium test) 量測其水氣穿透率(water vapor transmission rate, WVTR)以及氧氣穿透率(oxygen transmission rate, OTR)。我們觀察到，沒有通入氧氣製程的HMDSZ 薄膜，WVTR 約在大於10-3g/m2day，OTR 大約等於0.3cc/m2-day。通入適當比例氧氣流量後明顯讓薄膜阻水氣性質有顯著的提升，不過通入過多氧氣流量卻因μm 等級的微小顆粒產生，使得薄膜阻水氣性有劣化的現象。在調變製程功率的觀察上，我們也發現到同樣的現象。經量測，氧氣及HMDSZ單體流量比例為2.5，製程功率為30W 時，厚度0.5μm 的薄膜之WVTR 降到6.8 10-5 g/m2-day，OTR 降至2.11 10-2 cc/m2-day。當混成膜厚度增加至3μm 時，水氣穿透率為8.4 10-6 g/m2-day，氧氣穿透率為2.64 10-3 cc/m2-day。

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金屬光柵耦合表面電漿波以增加非晶矽薄膜太陽電池 光吸收之模擬研究

藉由基於有限元素法之模擬軟體COMSOL Multiphysics，本論文進行具有一維或二維金屬光柵結構的非晶矽薄膜太陽電池對於光吸收之數值研究。太陽電池由三部分所組成，依序是作為表面電極之氧化銦錫透明導電層、非晶矽半導體層以及作為底部電極之金屬銀光柵層。論文中使用AM1.5G之太陽光譜作為光源，改變入射角度與金屬光柵高度以探討其對太陽電池光吸收之影響。以金屬光柵為底部電極之薄膜太陽電池能在表面形成漸變等效折射率之抗反射層，並且根據非晶矽材料特性，吸收較差的紅光能在底部金屬光柵激發表面電漿波。藉由表面電漿波共振及其散射，可提高場強分佈以增加太陽電池的光吸收。此種太陽電池同時具有抗反射效果以及寬頻吸收的特性。經由適當的金屬光柵設計，相較於水平金屬底部電極之太陽電池，本太陽電池之光吸收最高可提升約56%。

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砷化鎵/矽異質磊晶成長之結構與光學特性研究

本論文研究矽基板表面結構以及磊晶成長於矽基板上之砷化鎵結構與光學特性分析。主要分成兩個主題：第一部分透過穿隧電流掃描影像，探討經由不同製程方式做表面處理後，矽基板表面形貌之變化。實驗發現，標準(001)方向之矽基板，表面交錯分布A、B型階梯，高度落差為單層原子；然而，偏高角度基板表面主要為雙層原子高度的Ｂ型階梯(DB)，但於邊界有許多單層原子高度差的Kink。標準(001)方向之矽基板經由以氯氣為主要反應氣體的電漿蝕刻後，表面之B型單層原子層從56%縮小至14%，而趨向雙原子高之A型階梯，A型階梯不易產生Kink而較為穩定。相對於傳統透過偏角度或加熱技術來達成DB表面，以氯氣為主的電漿蝕刻提供了另一種達成雙層原子表面之方式，具有消除反相位晶界(antiphase boundary)的可能性。 第二部分研究砷化鎵成長於矽基板之結構與光學特性。首先，存在反相位晶界的樣品，SEM照片呈現兩種不同晶向，透過計算此兩種晶向的面積比例，我們發現矽基板表面經氯氣為主的電漿蝕刻後，對於成長砷化鎵薄膜，有造成單一晶向的趨勢。由於砷化鎵與矽基板之熱膨脹係數不匹配，磊晶成長後降溫將造成拉伸應力，此應力在低溫12K約為2.19×10-3而在室溫下約為1.5×10-3，與理論計算相近。其次，研究反相位晶界在砷化鎵晶體中所造成的特性變化。在能隙間(Inner-band)的缺陷放光研究中顯示，反相位晶界的存在會抑制整體載子放光，且阻擋矽原子的內部擴散。且這種結構上的缺陷，在拉曼頻譜上造成被禁止的TO聲子強度增加，且降低砷化鎵在XRD(004)的強度。進一步利用拉曼與螢光電子在反相位晶界上聚焦量測，皆看到頻譜紅移現象，推測為反相位晶界造成、沿著平行於Ga-Ga或As-As鍵結的方向的一維拉伸應力。最後探討反相位晶界對砷化鎵XRD(002)繞射造成的影響，實驗證明了因反相位晶界的出現使得砷化鎵XRD(002)繞射強度降低，並觀察到反相位晶界造成XRD(002)譜形不對稱之現象。

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中孔性二氧化鈦光電極對染料敏化太陽能電池效能的影響

本論文利用添加聚苯乙烯球的二氧化鈦薄膜經過燒結所產生的微米孔洞所製作之中孔性二氧化鈦光電極改善染料敏化太陽能電池的短路電流與效率，本實驗所研究的二氧化鈦光電極主要包含了三種結構。第一種結構採用均為相同成分的二氧化鈦膠體溶液，網印共三層所製作出之 12 um 勻相薄膜結構光電極，定義為 Monolayer，在此結構下，除了本身的奈米多孔隙之外又增加了微米的大孔洞，因此增加了光的散射與光路徑(optical path)，使染料對於光的吸收機會增加，進而提升了元件的效能。在此結構下，使用摻雜濃度 2 wt.%、平均直徑 2um的聚苯乙烯球有最佳化元件效能，其元件光電流為14.50 mA/cm2、光電轉換效率為6.70 %，比起傳統奈米多孔隙薄膜染料敏化太陽能電池光電流提升約11.2 %，而光電轉換效率也提高11.16 %。第二種結構則是含有兩種不同濃度的聚苯乙烯球之二氧化鈦膠體溶液製作出的非勻相薄膜結構光電極，第一層膜厚為8um，第二層膜厚為4 um；利用添加不同濃度的聚苯乙烯球於不同膜層中，此結構不 但能利用微米的孔洞增加光的散射與光路徑，而膜層之間濃度的改變亦能使光侷限於薄膜之中，提升了光在二氧化鈦光電極行走的路徑，進而增加染料對光的吸收，再次提升了元件的光電轉換效率。在摻雜濃度2 wt.% 為第一層膜、10 wt.%為第二層膜、平均直徑2um 聚苯乙烯球所製備的雙層中孔性二氧化鈦薄膜之染料敏化太陽能電池有最佳化條件，元件的光電流為15.3 mA/cm2、光電轉換效率為7.00 %，其光電流大於傳統奈米多孔隙薄膜染料敏化太陽能電池約11.90%， 而元件效率也提升了11.67 %。為了進一步利用光侷限效應提升染料敏化太陽能電池的光電轉換效率而採用第三種Trilayer 結構，其為含有三種不同濃度的聚苯乙烯球之二氧化鈦膠體溶液製作出的非勻相薄膜結構光電極，每一層不同濃度的膜厚均為4um。在聚苯乙烯球平均直徑2um、濃度2 wt.% 為第一層膜、5 wt.%為第二層膜、10 wt.%為第三層膜之聚苯乙烯球所製備三層中孔性二氧化鈦薄膜之染料敏化太陽能電池有本實驗最佳化條件，光電流密度和轉換效率分別提高 了22％和20％（光電流密度從12.9 mA/cm2 提升15.7 mA/cm2 和光電轉換效率從6％至7.2％）。在長波長區域可觀察到光吸收率和入射光子-電子轉換效率（IPCE）有顯著的提升，在加入聚苯乙烯小球的中孔性二氧化鈦薄光電極提升了光在長波長的吸收，也彌補了N719 染料於長波長吸收率不佳的情形。