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在反射式架構下將可形變面鏡應用在薄型光學變焦鏡頭之設計

目前市面上主流之智慧型手機，厚度多在1公分之下，而隨著越來越薄的體積限制，其相機鏡頭的製作難度也不斷提升。因此，如何能在更小的空間中，賦予成像裝置更多的功能，也成為各家手機業者不斷研究的課題之ㄧ。在本論文中，我們提出了一種結合微機電元件與反射式光學架構而成的薄型光學變焦系統，其特點在於藉由可形變面鏡的曲率改變，以達到影像的真實放大與縮小、且因為採用了全反射式的架構，在沒有透鏡的存在下，同時消除了可觀的色像差。總體來說，因其制動系統的低功率消耗，與多重摺疊的光學路徑，使得這種成像系統有實現在未來手機製作上的潛力。

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兆赫波非侵入式血糖量測研究

糖尿病是一種慢性代謝性疾病，隨著社會文明的進步，其盛行率與發生率有愈來愈高的趨勢，因此被世界衛生組織（WHO）宣布為全球性的流行疾病。2004年，根據世界衛生組織報告：2000年時的糖尿病患者人數為1.71億人口，估計到2030年時，糖尿病患者人數將倍增至3.66億人口。 對於糖尿病患者來說，經常性的血糖監測是控制糖尿病的每日所需，以維持血糖值在生理範圍內。目前被廣泛採用的電化學血糖機的使用方式為〝指尖採血法〞，採血使用32號的針頭從指尖取得一滴血，並使用血糖機的血糖試片量測血糖值。檢測過程不僅會造成感染的風險，也帶給糖尿病人疼痛感，且血糖試片為昂貴的耗材（∼1美元/片）。因此，發展非侵入式血糖監測法為必要之技術，以減緩病人每日血糖監測所帶來的疼痛感與感染風險。 在這篇論文中，我們利用兆赫波時域光譜（THz-TDS）量測體外全血的吸收常數。藉由統計分析方法，我們從複雜血液成分之中找到與兆赫波吸收常數最具相關性的血液成分。我們發現血糖為最相關的血液成分（r = 0.865, p < 0.001, R2 = 0.748, N = 47, f = 340 GHz）。 除此之外，根據體外全血分析的結果，我們設計了一套兆赫波量測系統，以測量活體糖尿病鼠耳朵微血管的兆赫波吸收常數。其結果與體外全血一致：高血糖血液在兆赫波段擁有較高的兆赫波吸收常數。 我們相信這些量測結果，對於未來發展快速且準確之非侵入式兆赫波血糖量測技術極具幫助。

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電子槍蒸鍍之絕緣層對雙層石墨烯電性之影響

本論文探究電子槍蒸鍍技術應用在雙閘極石墨烯元件之可行性，實驗先對三種常用之絕緣材料Al2O3、SiO2、MgO進行漏電及電容分析，發現Al2O3及MgO蒸鍍出的薄膜有較小的漏電流，適宜做為閘極絕緣層之材料。並在不同環境下對石墨烯元件進行量測並比較；在大氣環境下及氮氣吹拂環境下，易因水氣的吸附造成量測上的誤差。而真空環境能避免水氣的問題並減少量測上的雜訊產生。 而在真空環境下，探究三種絕緣材料對於石墨烯元件的影響。電子槍蒸鍍技術之絕緣材料會降低石墨烯元件的載子移動率，而蒸鍍過程中的charge trapping會造成石墨烯元件電中性點(charge neutral point；CNP)的變動，而透過HSQ作為蒸鍍絕緣材料及石墨烯當中的緩衝層，對於電中性點的變動有所改善。最後將Al2O3、MgO及HSQ與MgO複合結構做成雙閘極石墨烯元件。並透過上下閘極電場的施加與調變進行雙層石墨烯能間隙的調控。

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使用奈米結構提升發光二極體之性能

在本論文中，我們使用了包含電流導向結構、側壁奈米柱反射器、以及光子晶體等奈米結構來改善氮化鎵材料製成發光二極體之特性。這些結構為發光二極體元件之低光萃取效率、高接面溫度、以及發光指向性之控制等瓶頸提供了解決方案，以期能夠將發光二極體元件應用在一般照明以及顯示科技等應用。 電流導向結構是利用離子佈植製程方式降低Ｐ型氮化鎵摻雜濃度以達到一個相對高阻抗的區域。由此高阻抗的區域造成之電流以及載子的重新分佈，電流導向結構區域會有較低的電能及光能經過，因此可以把此結構視為相對低溫區域。而相對低溫的區域則提供了附近高溫區域的散熱途徑，因此可以得到較低的發光二極體元件接面溫度。我們使用了順向電壓法以及紅外線熱影像系統等兩種方式來分析元件的接面溫度。具有此類應用離子佈植製作之低溫區域的元件展示了較低的接面溫度（在順向電壓法下，注入電流為100毫安培量測下具有離子佈植低溫區域的元件接面溫度為39°C，而傳統元件為60.6°C）。較低的接面溫度也導致較低的元件效能下降，因此具有離子佈植低溫區域的元件展示較傳統元件高35毫安培的飽和電流以及300毫安培下 86.8% 的出光效率提升。 側壁奈米柱反射器是利用奈米球微影術製作於發光二極體發光區域的周圍以跟側向行進的光進行交互作用。奈米球微影術的製程包含了旋塗以及乾蝕刻的步驟，都是非常容易可以整合進入發光二極體元件的製程。此外，奈米柱陣列的填充係數則可以透過調整奈米粒子的濃度來加以控制。光輸出功率以及發光的場型都與奈米柱陣列的填充係數相關。其中奈米柱陣列排列最為稀疏的元件展示了最高的光輸出功率（較傳統元件提升30.43%），因為其具有最高的光耦合效率。另一方面，奈米柱陣列排列最為密集的元件具有最集中的發光場型，因為其緊密的分佈可以更有效地將側向行進的光導向至垂直元件表面的方向以被收集。除此之外，我們也設計了一個特殊的元件結構，利用金屬電極來覆蓋整個發光區域的表面，以期得到較高的出光極化比例。由於側向光與奈米柱陣列的交互作用，在垂直元件表面方向光的p/s極化比例可以達到1.88。 光子晶體是利用電子束微影術所製作的週期性結構，作為衍生自前一部份準週期性奈米柱陣列的延伸研究。首先我們將蝕刻超過發光二極體主動層的奈米洞光子晶體結構製作於發光區域的周圍以期得到氮化鎵材料中低階模態的高耦合效率。發光二極體的光輸出功率以及光束塑形的能力都跟光子晶體的週期以及圖樣直徑等參數有關。接著，我們結合奈米洞光子晶體的側壁反射器結構以及針對高階模態萃取之發光區域表面蝕刻較淺的粗化結構。對於具有奈米洞光子晶體側壁反射器、表面粗化光子晶體、以及結合兩者結構的發光二極體元件，其相對於傳統元件的光輸出功率提升分別為31.4%、40.2%、以及56.4%。表面粗化主要貢獻給光萃取效率的提升，而指向性的改善則是由於奈米洞側壁反射器對側向行進光的重新導向以達到垂直元件表面方向的高收集效率。

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利用同步輻射光研究有機發光二極體載子注入層之電子結構與介面分析

本論文利用高解析度的同步輻射光源光電子能譜研究電子及電洞注入層對有機發光元件的影響，並討論介面間的化學反應及電荷注入機制。 首先探討三氧化鉬(MoO3)在有機發光元件中所扮演的角色與能階的結構。在本篇論文的實驗中發現，若將三氧化鉬作為電洞注入層進行加熱處理，三氧化鉬會自分解產生大量的氧空缺，進而產生能隙能階(gap state)，這些能隙能階不僅提供載子的傳輸路徑，也拉近費米能階與電洞傳輸層最高佔用分子軌域的距離，達到降低電洞注入能障的效果並提升電洞注入效率。 再來比較可做為有機發光元件電子注入層的氟化銫(CsF)分別鍍在OXD-7、BCP、金與鋁之間的能階結構變化。由於OXD-7含有苯環與oxadiazole moiety，在鍍上氟化銫後電子結構會改變，導致氟與銫的離子鍵減弱。銫離子會被oxadiazole moiety上氮的孤對電子對(lone pair)吸引形成Cs-OXD金屬錯合物，氟離子則與苯環上面的氫離子形成氫鍵。在OXD-7/氟化銫之上鍍鋁，鋁會與氟離子結合形成氟化鋁(AlF3)，表示氟離子會較銫離子更優先與鋁離子產生鍵結。由於在OXD-7上鍍上氟化銫/鋁會產生一系列的化學變化，電子雲在離子鍵結的過程中會互相重疊，增加電子的傳輸機會，代表Al-F-Cs-OXD錯合物(Al-F-Cs-OXD complex)的產生會增進電子注入效率。另外在BCP與金上鍍上氟化銫/鋁作為對照組，由於BCP與金的分子結構沒有oxadiazole moiety，所以銫離子並不會與BCP產生反應，產生的氟化鋁數量會減少很多，更不會產生能增進電子注入效率的金屬錯合物。由以上的實驗可得知，若以含有oxadiazole moiety的衍生物材料作為有機發光元件的電子傳輸層，再配合氟化銫與鋁可提升有機發光元件的電子注入效率。

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p型氧化亞銅薄膜之製備和特性探討

本論文對各生成條件下之銅系氧化物薄膜進行了結晶相、光學、表面型態和電性分析。除此之外，我們也嘗試利用氧化亞銅製作薄膜電晶體。 　　在結晶相分析中，隨著濺鍍時氧比例的上升，銅金屬將被氧化而形成氧化亞銅結晶。額外摻入更多的氧則無益於氧化亞銅，過量的氧會阻礙氧化亞銅結晶導致晶粒粒徑的減小，而氧比例過高時則會直接生成氧化銅結晶。當氧化亞銅進行氮氣熱退火時會和氮氣中殘存的氧氣反應生成氧化銅，而進行真空熱退火則在高溫時會傾向析出銅金屬。 　　在光學分析中，成分呈現氧化亞銅的薄膜具有較高的光學能隙，其值落在2.31-2.42 eV之間。而當薄膜成分中開始出現氧化銅時，其光學能隙將遽降。 　　在表面型態分析中，未退火的薄膜呈現較為平整的表面。進行熱退火將導致薄膜表面型態的改變，200 °C氮氣和真空退火皆會使薄膜表面產生較明顯的奈米裂痕；退火溫度提升至300 °C以上則薄膜會有顯著的變化，氮氣退火會轉變為氧化銅的結晶型態，而真空退火則會導致銅金屬奈米粒子的析出。 　　在電性分析上，氧比例1%濺鍍未退火的氧化亞銅薄膜有具有最低的載子濃度和較高的載子遷移率。濺鍍時額外摻入的氧將導致兩種結果，其一為進入氧化亞銅結晶中成為間隙氧，間隙氧成為氧化亞銅中的受體進而使得載子濃度上升；其二是阻礙氧化亞銅結晶，導致氧化亞銅晶粒粒徑的變小和載子遷移率的下降。相對來說，進行200 °C真空退火則有助於結晶性和載子遷移率的提升。薄膜中部分氧化銅的出現將導致載子遷移率的顯著下降。 　　在下閘極結構之氧化亞銅薄膜電晶體製備中，氧比例1%濺鍍未退火的氧化亞銅薄膜電晶體具有電流開關比~2.1×10^1和場效遷移率1.21×10^-4 cm^2/Vs；氧比例1%濺鍍後經200 °C真空退火之氧化亞銅薄膜電晶體則呈現電流開關比~10^1和較高的場效遷移率1.17×10^-3 cm^2/V s。

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Mirau干涉儀應用於光學同調斷層掃描術之研究

光學同調斷層掃描術(optical coherence tomography)在現今之生醫光電領域與醫學研究已成為極重要之三維成像技術。而一般麥克森干涉儀式光學同調斷層掃描系統由於需透過參考臂之前後移動來達成縱向掃描，因此會有額外之震動雜訊、系統體積過大、參考臂光路校準等問題。 本論文中我們展示出一套利用本實驗室自製之雙纖衣結構摻鈰釔鋁石榴石晶體光纖(Ce3+:YAG double cladding crystal fiber)之ASE光源，結合Mirau干涉儀所架設而成之光學同調斷層掃描系統。其具備體積小、極高的空間解析度(橫向7 μm，縱向1 μm)、震動雜訊小等諸多優點。我們利用此系統掃描各種樣本如光柵，液晶面板，單顆細胞等並成功的解析出各種樣本的結構。另外，我們分析除了光源特性之外，聚焦物鏡之孔徑效應對光學同調斷層掃描系統之縱向解析度之影響。 利用本實驗室之Ce3+:YAG OCT系統掃描出之單顆皮膚基質癌細胞(basal cell carcinoma single cell)三維影像，我們藉由相關性(correlation)測試，成功的驗證了單顆細胞OCT影像的可靠性。

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利用可撓性不銹鋼基板製作染料敏化太陽能電池

本研究利用可撓曲基板製作染料敏化太陽能電池，其光電極中佈滿微米孔洞。 基板包括不銹鋼板、平坦化的二氧化矽阻絕層，以及用來導電的ITO，其上有一層二氧化鈦緻密層，最後具有微米孔洞的二氧化鈦光電極。而以不摻入孔洞的FTO作為光電極，其元件背面照光的效率為3.85%。我們利用摻入聚苯乙烯微米小球的二氧化鈦薄膜經過燒結所產生的微米孔洞所製作出之二氧化鈦光電極，藉以改善染料敏化太陽能電池的效能，本研究所包含的二氧化鈦光電極有兩種結構。 第一種結構採用均為相同聚苯乙烯微米小球濃度，將其摻入二氧化鈦膠體溶液，網印共三層所製作出之12 μm勻相薄膜結構光電極，在此結構下，微米的大孔洞增加了光的散射與光路徑，使染料對光的吸收機增加。此外，電化學阻抗分析與開路電壓衰減量測中顯示微米孔洞分佈在二氧化鈦薄膜中，對於電子的傳導性質與載子復合有很大的影響。使用摻雜濃度1.5 wt.% 聚苯乙烯小球所製作出的元件，其光電轉換效率為2.84 %。 第二種結構為含有三種不同濃度的聚苯乙烯小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4 μm。第一層膜不摻小球、第二層膜為1.5 wt.%，而第三層膜為5 wt.%之聚苯乙烯小球所製備的二氧化鈦薄膜，其效率可達到3.41%。此種非勻相結構之染料敏化太陽能電池的效能提升除了散射效應之外，更進一步利用聚苯乙烯小球之濃度由小到大產生的光侷限效應，還有二氧化鈦薄膜可以吸收更多染料分子。 接著，我們將此最好結構的光電極用0.05M的四氯化鈦溶液浸泡，處理溫度為70oC，時間20分鐘，所組裝而成的元件其效率為3.88%。

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反相有機太陽能電池效率及其界面電子結構研究

在本論文中，第一部分主要是碳酸銫在倒置有機太陽能電池中作為陰極緩衝層對整體元件的電性研究。利用溶液調配一定濃度的碳酸銫，並旋轉塗佈在氧化銦錫(ITO)電極上，使氧化銦錫功函數有效下降，從原本陽極角色轉變為陰極角色，形成倒置結構太陽能電池中的透明陰極。所使用的主動層有機材料是在有機太陽能電池領域中已成經典的電子施體材料『聚三己烷塞吩(P3HT)』與電子受體材料『苯基碳61丁酸甲酯(PCBM)』。將兩種有機材料在溶劑中均勻混合，再使用旋轉塗佈的方式成膜，就是太陽能電池中的主動層。由介面光譜分析可得知，經碳酸銫修飾後，氧化銦錫電極與受體材料『苯基碳61丁酸甲酯(PCBM)』之間的電子注入能障大幅減少。修飾後的氧化銦錫電極在光生電流、開路電壓等特性皆比沒有使用碳酸銫修飾的電極好，主要歸因於極薄的碳酸銫層有效降低受體材料與陰極間的電子注入能障以及碳酸銫層幾乎沒有光耗損，因此不影響元件的光電流，並完成高效率的倒置太陽能電池。 第二部分是倒置太陽能電池效率演進的探索。不同的倒置太陽能電池有不同的效率演進的成因。為了清楚了解這種新開發的倒置結構，其效率演進的成因也是探索的重點。藉由X-ray繞射儀與原子力顯微鏡，我們清楚了解微觀的有機層所發生的變化。此外，藉由介面光譜分析，電極的變化也得以清楚觀察。不同種類的量測方式讓我們可以清楚規納倒置太陽能電池效率演進的原因。

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有機發光二極體在變溫下的電流電壓特徵曲線與發光頻譜之變化

本論文主要研究在不同溫度下有機發光二極體之光譜變化。首先，我們調控元件摻雜濃度，觀察在不同濃度下元件的電流密度、亮度、效率以及光譜表現的趨勢；有機元件分為兩類：紅色螢光元件與藍色磷光元件，由摻雜濃度變化以及元件的特徵曲線觀察激子複合機制、能量轉移機制、發光機制等元件之特性，而不同元件下，不同機制對於溫度變化之敏感度各不相同。 由於螢光與磷光摻雜元件之能量轉移機制與發光機制完全不同，因此兩者元件在變溫下造成光譜改變的趨勢以及敏感度大不相同。在螢光元件中，不同濃度下必須考慮主、客發光體之吸收與放光效率以及能量轉移效率在變溫下所造成的影響；而在磷光元件中，因摻雜濃度較高，能量轉移機制於元件中效用不大，因此變溫下光譜變化並不明顯。