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以全向量虛軸有限元素波束傳播法分析金屬光波導與金屬條狀表面電漿子波導

本篇論文中，我們以曲線混合型元素為基底的全向量有限元素虛軸波束傳遞法以及完美匹配層來分析表面電漿波導。我們分析了金屬方形波導、圓形波導、金屬孔洞光纖以及在非對稱環境的金屬條狀波導。金屬方型與圓形波導在可見光波段的性質與其在微波波段時可被視為完美電導體的性質不同，我們研究了邊長以及半徑對於增加截止波長的影響。金屬孔洞光纖是一個類似光子晶體的結構，但在其最內圈灌入金屬，因此不僅存在光子晶體的模態，也會存在表面電漿模態。我們分析了以上結構的等效傳播常數。最後在非對稱環境的金屬條狀波導裡，我們分析了完美匹配層中的反射係數對於洩漏模態的影響。

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應用微光學元件設計微型發光模組

可攜式顯示產品趨向多元，現在亦有非自發光式的顯示面板問世。為了因應反射式顯示面板的需求，補強其不足之處，我們進行了可攜式微型前發光系統的研究以提供額外光源，使此類面板在暗處亦能進行閱讀。 在這個研究中，我們先使用反射式楔型導光管來進行導光，除進行軟體模擬照明，並能與實物照明的情形做為對照。為了提升光傳遞的效率，及消除亮點的影響，我們亦進行折射式元件的研究。藉由自由曲面透鏡或微透鏡陣列的使用來進行光的重新分配，以進行效率與均勻度的調整。 最後，我們比較了自由曲面以及轉換為微透鏡陣列後的照明效果。

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次波長金屬光柵應用於相位延遲

頻率選擇面之二維週期結構決定了其濾波特性，經由適當設計，可以使其具有雙折射晶體之特性，除了受到材料以及厚度之限制相對較小，其設計之自由度也相對較高。頻率選擇面元件係由次波長金屬光柵所構成，可直接整合至發光元件電極之製程中，並能增加發光元件效率。本篇論文旨在設計出一在可見光操作範圍內具有相位延遲片特性之金屬光柵，主要方法係利用電磁模擬方式分析金屬光柵圖形變化對其相位延遲之影響，針對微波頻段上被廣泛使用作為圓偏振片使用之蜿蜒線(meander-line)圖形，將其分為L、C、長方環作討論，然金屬在可見光波段會有色散影響，故操作頻率之改變以及幾何圖形調整並非呈現線性關係，在設計方法修正下，蜿蜒線圖形在波長為496 nm下，其場強比可達1.037，相位差為0.4745π，而L與C圖形在波長等於734 nm以及660 nm下，也可達到場強比為1，相位差分別為0.4989π以及0.434π。除蜿蜒線外，對於具有極化旋轉特性之螺旋環圖形也作一分析討論，在模擬結果中可發現螺旋環圖形之兩特徵入射偏振角度，對於不同入射偏振角度，此一螺旋圖形可產生橢圓偏振、圓偏振以及線性偏振狀態，並可產生最大值可達45度之極化旋轉角度。

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高分子太陽能電池光電性質之研究

有機高分子太陽能電池有著市售太陽能電池所缺乏的性質，成本低廉、製程方便快速、重量輕且可曲，現已廣泛地被研究。 本篇論文著重在討論有機無機混成太陽能電池及倒置結構太陽能電池，加入了無機材料讓載子傳輸方向不同於傳統結構。最重要的是避免了poly(3,4-ethylene dioxythiophene): poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS)與Indium Tin Oxide (ITO)電極的接觸及低功函數金屬的使用，大大提升了有機高分子太陽能電池的使用壽命。 首先，利用簡單方法讓有機層薄薄的附在矽奈米線表面上的有機無機混成太陽能電池，載子在有機材料中的傳輸更加有效率，溶液濕蝕刻製程的矽奈米線更具備抗反射的優點。比起有機層將奈米線空隙填滿並形成元件平整表面的電池比起來，此種結構的太陽能電池有61%短路電流的增強，造成效率比其高出約31%。研究中也發現，元件表現受到持續照光的影響而漸趨提高(提高至約140%)，拉曼量測及電子穿隧式顯微鏡結果證實，這是因為高分子材料的排列受到無機材料表面能的影響。 第二，論文中利用一個簡單的摻雜方法來製作氧化鋅鋁薄膜，且證明摻雜後無論在穿透度以及導電率上都表現較氧化鋅薄膜良好。實驗顯示，利用此種薄膜當作倒置結構有機太陽能電池的電子導電層讓元件效率有明顯的提升(約14%)。主要是因為它讓電子的傳輸更容易，同時優化了串聯及並聯電阻。由光譜分析得到，摻雜鋁之後的氧化鋅(Al-doped ZnO, AZO)薄膜費米能階會提高，讓電子從主動層到電子傳輸層的躍遷能力有效提升，進而增加元件的填充因子(fill factor)。從AZO/P3HT的吸收譜，在AZO上的poly(3-hexylthiophene) (P3HT)會有較好的結晶，這可以減少在此接面上的能量耗損。 最後，有鑑於濺鍍的AZO薄膜有跟ITO一樣優越的導電度及穿透度，最重要是還擁有較ITO低的功函數，直接使用摻鋁的氧化鋅薄膜當作電極可以快速達到能階匹配的效果。又由於ITO中In的產量降低及In所含有的毒性，成本不斷上升及使用上的憂慮成了有機元件普及的一大絆腳石，使用氧化鋅鋁是一個未來的趨勢。此外，配合使用簡單的酸液蝕刻方式，讓光在主動層中路徑增加，達到效率改善的結果。降低材料的使用且效率不比含有很多有機主動層材料的電池低，是有機太陽能電池普及化的一大步。

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於平面基板與滾筒表面以步進對準式干涉微影技術接合次微米週期性圖案

本論文研發一套步進對位式干涉微影系統，可於四吋矽晶圓與直徑五公分的金屬滾筒上製作大面積次微米週期性圖案，藉由雙光束干涉微影於基板上曝光出小區域方形面積的干涉條紋圖形，再透過高精準度的控制系統定位平台步進移動或轉動基板，將小面積的次微米週期性圖案接合成大面積。 步進對位式干涉微影系統可分為兩種模式：平面與滾筒模式，即可分別在平面基板或滾筒表面接合製作大面積次微米週期性圖案，利用一可翻轉之反射鏡控制雷射光束的傳播方向，可簡易地切換干涉曝光操作在平面或曲面模式。每個模式之光學系統均包含三組光學機構，分別為光束穩定機構，其將來自於另一張桌面上的氬離子雷射光束做持續性追蹤穩定光束的飄移；光擴束機構，將小直徑之雷射光束擴大為大面積平面高斯光束；雙光束干涉機構，由分光鏡將擴束光強度均勻等分為兩道，再重合於塗佈有光阻之基板上，以產生干涉圖形。 針對步進對準接合的需求設計一適當光束以產生小面積曝光區域，其曝光劑量在這小區域中的分佈可於大面積完全接合後達到均勻劑量分佈的效果，然而目前尚無技術可將雷射的高斯光束轉換為此設計之光束，因此利用一金屬片遮罩於其中央開一方型孔洞，將擴束後之高斯光束入射於基板前，截取出中心能量強度較為均勻的區域做為單位曝光面積。擴束後之高斯光強度分佈於小面積內較為平緩，因此對於光束重合於基板上時有較大的錯位誤差容忍度，即使有約2毫米的疊合錯位，兩道入射光束重合的強度分佈依然可達到干涉對比度高於0.99的效果。 於晶圓與滾筒上利用步進對準式干涉微影成功將週期約700奈米與800奈米的干涉圖案接合，晶圓接合約90塊單位曝光面積耗時約半小時，而滾筒接合約120塊單位曝光面積耗時約一小時，相對於其他次微米週期性結構製造技術，例如電子束微影，所耗費的時間大幅縮減，雖然有些許干擾因素造成干涉條紋在一次曝光區與接合區的光學反射頻譜不同，利用光學顯微鏡與電子顯微鏡的高放大倍率觀察下，次微米週期性條紋的連接與長距離的連續性沿伸均獲得證實。在不接合圖案的條件下，僅利用光學干涉微影模組，可製作週期小於300奈米之一維與二維週期性結構。

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有機太陽能電池薄膜形態之修飾與效率提升

太陽能電池發展至今，仍以結晶矽太陽能電池為主流，然而最大缺點在於生產成本太高。有機高分子太陽能電池則提供另一種發電方式，其製程簡單、成本低廉，且具有透光性、大面積製造及可撓性的優點，顯示其巨大的發展潛力。在本論文中，我們藉由一種新的外加電場處理方式來提升有機高分子太陽能電池的效率表現，與先前的文獻比較，使用此處理方式的優點在於避免造成元件電極的破壞，還能夠配合有機高分子材料的極性方向來施加。我們利用化學軟體HyperChem (Hypercube Inc.)分析有機分子材料的極性方向，並針對極性方向進行外加水平方向電場處理，成功的提升元件效率。使用外加水平方向電場處理對於有機吸光層薄膜的表面形態有兩個重要的修飾：第一是當外加水平方向電場後，有機高分子材料會由於極性而受到電場影響而移動，且有機高分子材料主鏈會沿著有機吸光層薄膜表面垂直方向規則排列，因此載子便能經由主鏈有效且快速的傳遞到相對應的電極，提高載子遷移率。第二是由於有機高分子材料移動而造成薄膜表面粗糙度提升，由原子力顯微鏡圖分析，外加時間長短與方均根粗糙度大小有關，而越大的方均根粗糙度則表示有機吸光層薄膜與電極的接觸面積會增加，使載子可以快速且大量的被電極捕捉形成光電流。因此，藉由外加強度為10000 V/m水平方向電場處理，能夠提升以P3HT:PCBM混摻溶液製作之倒置結構有機高分子太陽能電池的光電轉換效率到達4.16 %，其開路電壓為0.57 V，短路電流為11.9 mA/cm2，填充因子為61.3 %。論文的最後，我們使用台灣大學材料所趙基揚教授團隊提供的PBF低能隙有機高分子材料，應用在倒置結構有機高分子太陽能電池上，並藉由調整有機吸光層混摻比例與預熱溫度，在不同旋塗轉速下找到最佳的製作參數，最後再使用外加電場處理改善元件表現。

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參雜奈米金粒子之PEDOT:PSS在有機太陽能與光感測器之應用

在這個研究中，我們發現PEODT:PSS薄膜的電阻會因為加入奈米金粒子而下降，而因為當外加偏壓為零時電流密度也是零，所以我們確定這不是光電流所造成的效應，而是真的電阻下降。為了驗證這個效應，我們使用DDSCAT作為模擬軟體，模擬奈米金粒子在可見光波段的吸收頻譜。利用這個模擬來對照PEDOT:PSS薄膜的電阻對不同入射光波長的變化。因為實驗結果與模擬結果非常的相近，讓我們相信電阻下降的現象是由於奈米金粒子所產生的侷限性表面電漿效應所產生的。 另外，我們利用有機太陽能電池來驗證侷限性表面電漿效應對電阻的改變在有機太陽能電池效率上的影響。首先我們利用NI Multism 來模擬電阻因為表面電漿效應而下降的有機太陽能電池的I-V curve。在實際上作出參雜奈米金粒子的有機太陽能電池，將實驗結果與模擬結果相互映證。由於實驗結果與模擬結果十分相近，我們完成了整個LSPR(Socalized Surface Plasmon Resonance) 對有機導電高分子以及太陽能電池影響的理論。

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多個金屬奈米粒子電磁場分佈之數值模擬

本論文中，吾人提出一套新穎的簡化邊界積分方程(SBIE)法，以模擬均質空間中多個任意分佈之金奈米球的散射、吸收與侷域電磁場分佈。吾人將SBIE與商業軟體COMSOL所計算之近場作比較，發現兩者相似度高，而且計算多個奈米粒子時，SBIE的計算效率遠勝COMSOL。接著將金奈米球排成各式一維、二維和三維的陣列，模擬結果顯示侷域表面電漿子(LSP)共振強度大幅提升，且其頻寬亦可拓寬至近紅外光波段。吾人亦發現，藉由改變金奈米球的幾何尺寸、粒子間距、奈米球總數、環境的介電常數與各式排列，集體的LSP共振將有顯著可調頻的效果。值得一提的是，此SBIE法比常用之耦合電偶極近似法更嚴謹，更有潛力處理具有不同尺寸、不同形狀與不同材質等的三維多體散射問題。易言之，此套彈性度高的SBIE法有助於設計各式新穎的表面電漿子元件。

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發展平行運算核心之物件導向有限差分時域架構以分析二維電漿子奈米結構與波導元件

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高均勻度及高效率LED照明之自由曲面透鏡設計

欲達到高均勻度及高效率的LED照明，二次光學透鏡是必需的。本篇主要根據LED初始光源強度分佈來設計自由曲面透鏡來達到高均勻度及高效率的照明。由於整個光學系統屬於旋轉對稱，所以只需找出二維軌跡並旋轉掃出成三維立體透鏡即可。整個設計流程主要是根據折射定律、邊緣光線定理、及能量映射等理論。設計初步先分析LED光源強度分佈並於經緯度方向作等角度分割，接著計算每個區塊被分配到目標平面上的區域大小，接著利用近似解析方法來建構自由曲面透鏡。完成透鏡建構後，使用光學模擬軟體LightTools®對整個模型作光追跡分析，模擬結果發現確實可達到高均勻度極高效率照明。最後將二次透鏡設計進行修正調制，並使用Cree XR-E光源針對1公尺遠半徑1公尺之圓形照明(半視角45度)可達均勻度94.8%、效率89.1%。