臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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在研發新產品的過程中，人們不太可能不計成本地嘗試各種可能性，因此便有人開始將各種條件加注於程式的設定當中，利用虛擬世界中較高的可塑性來評估設計上可能會碰到的問題以及最後效果的好壞。這種利基於程式上的分析尤其常用於光學上且已行之有年，市面上的套裝軟體亦不斷修正，使得人們不斷地逼近實際的情況，因此模擬出來的結果更具有參考價值。 本論文主要可以分成兩大主題，分別利用不同軟體的特長針對光學中的兩大範疇（成像和照明）進行分析。在第一個主題中，我們利用成像軟體分析微投影機在抬頭顯示器中應用時的各種情境，並且把此模型實體化得到相當的效果；在第二個主題中，我們利用了照明分析軟體來評估側向入光的導光板表面上的微結構所造成的光線逸散之分布，用以評估未來實體化時的設計走向。
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在能源需求大增的時代，太陽能電池成為當前重要的課題；其中高分子太陽能電池不僅生産成本低廉、重量輕，而且能夠橈曲，製成各樣型態的太陽能電池。近年來，在有機太陽能電池的發展下，為了促使主動層中的施體與受體材料接觸面積增加，發展出塊材異質接面(bulk-heterojunction)結構，藉由混合大幅增加施體與受體接觸面積進而提升激子分離機率，然而這種做法雖然成功提升效率，卻存在著無法控制混合的施體與受體在主動層中的分布情形的問題，因此後續研究者為了改善施體與受體在主動層中的垂直分層(morphology)利用了幾種方法，熱處理、慢乾法、在主動層中加添加劑、混和溶劑、加額外電場或是加中介層PCBM在ZnO薄膜與主動層之間，惟獨以溶液製程的中介層PCBM簡單又可大面積製程且不受基板限制，且無須考慮高分子材料是否具有結晶性質，只需在ZnO與主動層之間懸塗上中介層PCBM，就可借由PCBM的表面能量將主動層中的PCBM往其方向聚集，然而這方法雖然簡單卻也存在一大問題，中介層PCBM本身溶於有機溶劑，因此在旋塗以有機溶劑配置的主動層時，會將中介層PCBM清洗掉，使得原先塗佈的中介層PCBM蕩然無存，這使得中介層PCBM變成一無法控制的參數，且未能達到因有的效果。 Amare Benor Belay et al.發表了將PC61BM薄膜放入UV-ozone經由紫外光及臭氧的處理，產生C-O-C的鍵結，使得PCBM產生交鍊，可降低對有機溶劑的溶解度，因此本篇研究將PC61BM交鏈化，使得其不容易溶於有機溶劑，如此一來可有效控制中介層PCBM的參數，再將交鏈化的PC61BM做為中介層，製作以P3HT:PC61BM為主動層的倒置太陽能電池，而透過這個研究卻又有一重要發現，交鏈化後的PCBM雖然確實不被有機溶劑所清蝕，但卻因PCBM表面出現大量的OH鍵，使得電子傳輸時產生了電荷累積的現象，導致在JV curve中出現了S shape的情形，反而使得效率降低。為了降低PCBM表面的OH鍵，我們找出了經由UV-ozone處理使PC61BM交鏈化的最短時間，1分鐘，然而元件依然有S shape產生。因此為了改善這現象，本研究利用獨創的方式，在經由UV-ozone處理完後的中介層PC61BM表面旋塗0.1%的Triton X100，透過水滴接觸角的量測，原PC61BM表面與水接觸角為27度，經由UV-ozone處理1分鐘後變為13度，而在由Triton X100旋塗在其表面後，又恢復成了27度。利用此方法成功的消除S shape的，不但比他種同樣消除OH鍵的方式來的更為簡便並成功的提升了元件開路電壓、短路電流、填充因子至67%和元件效率至3.44%。 而在搭配低能隙高分子材料，多以PC71BM與其混層，因此我們同時也研究將中介層PC71BM交鏈化，並在以PBDTT-DPP: PC71BM為主動層的倒置結構中，加入此交鏈化的PC71BM層，並用Triton X100消除其表面OH鍵，使得元件效率從2.8%提升至3.8%。而為了提升短路電流，在氧化鋅種子層上生長氧化鋅奈米柱，透過不同的氧化鋅種子層濃度0.3M~0.6M控制奈米柱的疏密程度，從而影響主動層滲入柱間的狀況，使短路電流提升至14 mA/cm2且元件效率達到4%以上，而在奈米柱與主動層間旋塗的中介層PC71BM並交鏈化，藉由其改善主動層的垂直分層，高分子層與氧化鋅介面的改善，使得元件短路電流提升至17 mA/cm2，更能預防氧化鋅奈米柱直接與施體材料接觸而降低Voc，整體元件效率提升超過5%。 而普遍長柱元件的填充因子(FF)普遍來的較低~40%，雖然在加中介層後有所提升，但並未有大突破，因此我們嘗試了換不同的金屬氧化層V2O5，以及減少氧化鋅奈米柱生長時間，但都未能有效提升填充因子。而後藉由控制氧化鋅奈米柱在氮氣下退火溫度，在退火溫度為175度、1小時下，成功的使得填充因子提升至~53%，而在此倒置結構與奈米柱結構元件效率提升至6.4%。
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本篇論文主要在於探討氮化銦鎵/矽多接面堆疊太陽能電池，為 了研究多接面堆疊太陽能電池，我們發展了一個等效穿隧層模型來 模擬多接面堆疊太陽能電池。當我們想計算多接面堆疊太陽能電池 的電流電壓曲線時，我們必須先計算出在高濃度的電子和電洞區的 電流穿隧的機率，然而在波松方程式，電流飄移擴散方程式以及連 續方程式中並沒有包含計算穿隧機率的式子。因此我們假設在高濃 度的電子電洞區之間有一層虛擬的等效穿隧層，藉由調整等效穿隧 層的能隙及輻射耦合係數我們可以用來解釋曲線能階對穿隧機率的 影響。 此外我們也提出電子電洞阻擋層對於光伏元件的影響，我們討論 了在單接面的太陽能電池中，電子電洞阻擋層對於太陽能電池效率 的影響。根據我們的研究結果，完美的電子電洞阻擋層的確有機會 提升太陽能電池的開路電壓和短路電流，因此我們從文獻中選取氧 化鎵及氧化鈦作為矽太陽能電池的電子電洞阻擋層，模擬的結果顯 示有了電子電洞阻擋層太陽能電池的開路電壓可以從0.65伏特提升 到0.80伏特，短路電流可以從35.1毫安培/平方公分提升到35.9毫安 培/平方公分，效率可以從21.9%提升到27.6%。 最後我們利用以上的方法，討論氮化銦鎵/矽多介面堆疊太陽能電池。我們找出在雙接面以及三接面最佳的音的比例以及各層的厚 度，我們也發現當我們以氮面生長漸變的氮化銦鎵層時，在異質接 面上的極化電荷可以幫助載子流出元件並且形成電子阻擋層，模擬 的結果顯示效率可以從29.6%提升到33.4%。
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在本論文中，我們建造了一個品質因素達到470,000的微光纖線圈共振腔。 實驗以及模擬的結果都指出當微光纖線圈共振腔纏繞的圈數增加時，即使是線圈中每一圈的間距並不全都相同，只要能將圈與圈的間距控制在1.5 μm的範圍之內，共振腔平均的品質因素將會隨著圈數增加而增大。比較先前的研究結果，多圈的微光纖線圈共振腔提供了另一個製作高品質因素的微光纖共振腔的新選擇。 此外，本論文也對微光纖線圈共振腔在光纖陀螺儀的應用以及折射率感測的應用上進行可行性分析。在光纖陀螺儀方面，我們證實了其最小可感測轉速與共振腔的品質因素是正相關的。若將我們的微光線線圈共振腔應用在光纖陀螺儀的系統上，我們預期可以最小可量測轉速理論可達0.1°/s。在折射率感測方面，模擬的結果指出雖然提升微光纖線圈共振腔的品質因素對提升折射率的靈敏度是沒有幫助的，但是可以提升可量測的折射率變化的極限，對於一個品質因素達到470,000的微光纖線圈共振腔，我們估計其可量測的最小折射率變化為3×10-6 RIU。
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石墨烯(Graphene)是一種由碳原子組成呈六角形蜂巢結構的二維薄膜，其擁有許多 極佳的特性如透明、特高的熱傳導率及載子遷移率、極其強韌的機械特性等，因 此石墨烯在實際應用上有極高的價值，例如可成為下一世代超高頻場效電晶體的 導電通道和取代銦錫氧化物 (ITO)成為觸控面板、LCD 和太陽能電池中的透明導 電薄膜。然而在此篇論文中，我將探討石墨烯的另一項尚未被發掘潛力：基於石 墨烯的極薄特性，其厚度比任何實際用來當聲能轉換器(acoustic transducer)的金屬 薄膜都薄了十倍，而由金屬薄膜產生的同調聲子(coherent acoustic phonons)頻寬大 略與其厚度成反比，因此石墨烯有極大潛力擔任聲能轉換器來產生極寬頻的同調 聲子。使用石墨烯作為聲能轉換器將有一項無可取代的優勢，其易於製備及轉印 於任何基板的特性，使其有機會取代其他寬頻聲能轉換器，將奈米超音波顯微技 術應用到任何的材料上。 在上述的應用中，石墨烯載子受光、電激發後的動力及釋能機制顯得格外重 要，因此在本論文中，我們首先利用飛秒雷射激發探測(femtosecond pump probe) 技術來研究石墨烯載子的釋能動力學。透過此項技術及理論分析，受激載子透過 載子-載子、載子-聲子、聲子-聲子交互作用來釋能的特徵時間、發生順序等特性 都可被了解。此外，透過量測在本論文中使用的石墨烯樣本的載子釋能動力學， 並與其他研究團隊對原始石墨烯(無基板、無參雜等)的理論及實驗研究做比較，我 們使用的石墨烯樣本因基板的使用、製程等引起的差異可進一步被了解。 接著，我們同樣利用激發探測技術來研究透過飛秒雷射激發有基板支撐的單 層石墨烯是否可產生垂直表面傳遞的寬頻同調聲子。首先，藉著觀測反向布呂淵 振盪 (backward Brillouin oscillation)，我們印證了透過雷射激發由玻璃、藍寶石、 銦化鎵基板支撐之單層石墨烯，可產生具有垂直表面動量的同調聲子。因此我們 證實了將石墨烯轉印至基板上便作為聲能轉換器。 為了能了解透過飛秒雷射激發產生的同調聲子的完整頻譜，我們利用具有壓 電性質的氮化銦鎵量子井(在氮化鎵基底中)作為基板。透過使用3nm 的量子井， 我們可獲得高達2THz 的偵測頻寬。實驗結果顯示透過飛秒雷射激發有基板支撐之 單層石墨烯產生的同調聲子脈衝擁有兩極的波形，且其頻率高達一兆赫(最高值在 約0.2 兆赫)。這一部分的實驗結果證明了，儘管石墨烯擁有二維性質，透過飛秒 雷射激發由基板支撐的單層石墨烯，兆赫頻寬的同調聲子可被產生且傳遞進入基 板內，因此利用石墨烯作為超寬頻聲能轉換器的可行性已被證實。進一步，為了 了解同調聲子的產生機制，基於我們對於石墨烯載子釋能動力學的研究，我們提 出了一個假說，此假說可成功的解釋實驗中量測到的同調聲子頻譜及脈衝波形。
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微碟共振腔由於其迴音廊模態有良好的空間侷限性，因此擁有高品質係數與低模態體積之特性，結合量子點主動材料，可在砷化鎵材料系統實現光纖通訊用長波長雷射，並具有低臨界電流之潛力。在本論文中，我們研究了以砷化銦鎵量子點為主動材料的光激發式與電注入式之微碟雷射，針對這兩種元件，我們討論了其製程與量測分析的結果。 首先，在光激發式微碟共振腔雷射的研究上，我們利用光激放光量測，可以得知所製作出直徑為10微米的微碟雷射，其品質係數高達14000，同時，在製程中於微碟中心加入一小洞，可以有效壓抑其徑向上的共振模態。為了減少共振腔中的迴音廊共振模態數量，我們利用兩段式濕式蝕刻技術製作直徑約為3微米的微碟雷射，成功減少了模態的數量。在變溫實驗當中，我們也觀察到量子點放光頻譜和迴音廊模態波長的分佈重疊情形，將會影響雷射在不同溫度下的雷射閥值。 在電注入式微碟共振腔雷射的製作上，我們採取的是苯環丁烯聚合物包覆下的平坦化製程，並且透過光學量測，實現了世界上第一個室溫下操作的量子點電注入式微碟共振腔雷射，室溫下最低的臨界電流是0.45毫安培，其元件直徑是6.5微米。在變溫實驗當中，我們觀察到了量子點雷射的負特徵溫度現象，其最低的臨界電流出現在150 K，透過變率方程式的模擬，我們認為這個較高的臨界電流轉折溫度150 K正是微碟雷射元件品質係數較高的證據。 最後，我們分別對光激發式與電注入式微碟共振腔雷射來討論其動態的行為。透過時間解析下的光激放光實驗，我們分別量測了微碟雷射中共振波長與非共振波長下量子點的載子生命期，在普色效應下，其量子點的自發性放光速率被增強了4.3倍。在室溫下電注入式微碟共振腔雷射暫態行為的量測中，我們發現微碟雷射的起始時間很短暫，並且沒有觀察到弛逸震盪的現象，透過模擬可以了解到弛逸震盪被壓抑的原因是微碟雷射的自發性放光係數較大，同時較短的載子生命期使微碟雷射的起始行為相當迅速，在大訊號直接調變的實驗下，我們展示了此元件作為1 Gbps調變的可能。在變溫實驗中，我們看到在250 K以上電注入式微碟雷射在暫態與穩態下均為單一迴音廊模態雷射放光，因此證實了此元件可以應用在高度積體化光收發器模組中，做為高頻調變與單模操作的雷射光源。
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高分子薄膜Nafion 具備重量輕、尺寸薄、可撓曲以及耐酸鹼之特色，再加上與金屬複合後之材料同時擁有特殊的電性與機械性質。因此，離子性聚合物--金屬複合材料是近年來受到矚目重要軟性光電材料之一，並且有希望繼半導體和平面顯示技術之後，成為下一個新興產業。然而，傳統上離子性聚合物--金屬複合材料大多應用於微機電制動元件以及機械手臂，因此目前學界對於使用高分子為基底的離子性聚合物--金屬複合材料作為微機電光學元件的光學性質與機械性質之間相關的完整關聯性仍尚未建立完整的理論。於此，離子性聚合物--金屬複合材料要實現在光機電的應用上還有一些困難需要克服，例如高品質的表面優化處理、低光衰減性、適當的應力應變、元件制動時其工作電壓與電阻之間的調控等等。 本論文中，我們選擇了一個高分子薄膜Nafion (N117)來製造此離子性聚合物--金屬複合材料，整個低溫製程(< 55℃)不會破壞高分子薄膜基底。我們成功控制無電鍍製程中不同的環境參數，在Nafion表面沉積出高導電性的金屬電極。對微機電製程技術應用於光學系統而言，須選擇紅外光至可見光波段皆有良好反射率的金屬作為表面電極。然而傳統鉑製程過於耗時且昂貴，常見的鋁又由於其高電阻值( )特性使得訊號傳輸時間較長。而銅導電性極佳( )，因此銅製程之出現將提供未來微光機電技術一個新的方向。 實驗結果顯示，使用離子液體做為電解液可有效延長元件使用壽命，進而應用在通訊元件，例如：天線之製備；而第一代鉑製程與第二代銅製程其不同的參數設計可以獲得具有不同光學與機械性質的金屬電極，並且第二代製程有效縮短無電鍍時間來確保金屬電極表面的粗糙度不被過度放大以及獲得有效的表面平整度(Rq ~ 60 nm)，成功製作出更平滑之高反射性表面。因此，藉由控制無電鍍與電鍍製程中的各項參數，可以調整離子性聚合物--金屬複合材料表面的機械性質、表面平整度、光衰減、結晶形貌以及組成元素。
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在這篇論文當中，我們運用離子高分子材料來運用做為光學系統中的可形變面鏡，以達到自動變焦以及放大的功能。 離子高分子材料跟傳統的電驅動高分子材料(EAP) 比較，在三個方面上都顯示出了更佳的在可形變鏡面應用上的潛力: 更好的可撓性、更大的形變量以及更低的制動電壓 (約1-3伏特)。 在這篇論文當中，我們應用有限元素法(FEM)來模擬並預測離子高分子可形變鏡面的設計。 我們可以以應用灰盒模型近似 (gray-box model approximation) 的有限元素分析法來得到解析解。接著，我們以三個以上不同設計的量測結果來確認模擬值的正確性，另外更多細節以及複雜的設計將會在後段的章節加以討論。 大部分的模擬結果都能夠符合光學系統中對可形變面鏡的要求
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在文中我們將會介紹一種利用電致動高分子材料來當作射頻切換器的探討,主要的訴求為改變天線的操作頻率，利用這種製動氣有許多的優點比方說輕、小體積、低成本、低驅動電壓。正是因為其低驅動電壓(一般為3伏特)所以特別適合利用在可攜帶裝置上。這種切換器主要是以離子金屬高分子複合材料當作致動器，由制動器的切換作為控制狀態的方法。當加以電壓時切換器是為啟動的狀態，此時原本的天線可以等效為一個被延長的天線藉以達到在低頻操作的目的。 在我們設計裝置中，原始天線的操作頻率在2.86 GHz。而當加以3伏特的驅動電壓後切換器將會啟動並將操作頻率調整到1.35 GHz。經由實驗的量測後，利用離子金屬複合材料的切換器能夠把操作頻率從2.86 GHz調整成1.37 GHz，並且在這兩個狀態其反射耗損都小於10 dB。因此將離子金屬複合材料致動器應用在可重構性天線上是非常具有潛力的。
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