臺灣大學光電工程學研究所學位論文
國立臺灣大學,正常發行
選擇卷期
- 學位論文
有機太陽能電池它具有非常多優越的特性，像是可彎曲、重量輕、低成本、溶液製程可大面積製造等優點，目前被大家所矚目成為新一代的太陽能電池。 首先我們運用銅銦鎵量子點，將之與以P3HT:PCBM 為主動層的有機太陽能電池做巧妙的結合並大幅度地提高了電池的效率。銅銦鎵量子點不但在吸收方面與有機高分子的吸收有互補的效果，而且它也減小了主動層與電子傳輸層的能階差，使得電子傳輸更有效率。此外，添加銅銦鎵量子點於氧化鋅表面能夠提升氧化鋅的結晶性，使得氧化鋅的缺陷減少，同時提升太陽能電池的並聯電阻。由於量子點非常小，在量子點表面會有非常強的偶極矩能夠幫助激子的分離。造成短路電流與填充因子分別有 9.43% 與 3.38% 的上升，光電轉換效率從 3.32% 上升到 4.11%，約有 23.80% 的增加。 第二，由於可彎曲、方便可攜帶的光電元件已經成為下個世代研究的主流。嘗試製作可穿著的抗電磁波光伏元件為此實驗的目標。因此我們運用碳纖維布其高導電與輕薄可彎曲的特性，在其上成長奈米碳管與蒸鍍有機分子製作成同時擁有光伏效應與抗電磁波特性的元件。發現到此元件產生明顯的光電流並且擁有很好的電磁波屏蔽效果。在手機頻率 0~2 GHz，屏蔽效果達到20 dB，意味著在此區間抗電磁波的應用達到商業價值的水準。
- 學位論文
微流道與磁性粒子長期被應用在生物醫學和化學領域，功能包含分子操控、化學混和、細胞分離或者蛋白質的篩選萃取等等，主要原因即是因透過微機電技術製成之晶片成本相較過去實驗低廉許多。然而過去主流的微流道實驗研究都專注於「實體」通道的發展與改善，儘管成本比舊式實驗低廉，但礙於為了侷限住流體，最後過程仍需對晶片加以覆蓋並接合，使溶液的流動會限制於晶片的微流道中流動，覆蓋接合之過程不僅耗時耗本，更可能致使微流道晶片無法長期重複使用，所以「非實體」通道就成為本篇論文的探討方向。本篇論文的重點在於設計多種非實體通道，目的為促使死水溶液中的粒子可依循設計上的通道流動，優點不只不必對晶片加工，在操作方面更是不必透過外加電流、電壓或水流幫浦等，成本比實體通道來的更低廉。 在多次實驗觀察下來，會發現磁性粒子的流動性不只由磁場強度來決定，更重要必須要考量到晶片上鎳材受極化之影響，我們分別分析了不同寬度(體積)的鎳材在外加磁場下對於粒子之影響，同時也分析了不同流道結構於外加強磁下的影響，考量變因有外加磁場方向、流道寬度與流道形狀等等，種種的分析結果都顯示極化現象的考量是未來流道設計之成敗關鍵。
- 學位論文
在這篇論文中，我們提出了一個在三維空間中模擬進軸光學系統的方法，這方法是以傳統的ABCD光傳遞矩陣(ABCD ray transfer matrices)為基礎來建立。我們的模擬方法不需要繁瑣的繪圖，而且可以很簡單的藉由更改參數來改變各種條件，如被模擬元件的各個結構尺寸、光的入射角度以及材料的折射係數等。我們將這個模擬方法應用在模擬貓眼回射器的模型上，完整地研究了不同結構尺寸對於貓眼的表現，包括貓眼的回射效率、接受角度、回射光的發散以及回射光的偏移。
- 學位論文
隨著溫室效應越來越嚴重，綠能已成為未來重要的議題之一，而其中太陽能電池具有非常大的潛力。第二代薄膜型太陽能電池改善了太陽能電池製造費用昂貴的問題，但也犧牲了光電轉換的效率。目前有許多針對第二代薄膜型太陽能電池的相關研究，不過還是有很多改進的地方。 有很多方法可以改善薄膜型太陽能電池的效率，使用串疊型太陽能電池可以將吸光效率提升至二到三倍甚至更高。本篇論文探討如何再進一步的提升串疊型太陽能電池的吸光效率。我們所模擬的對象為矽串疊型太陽能電池，其上主動層為氫化非晶矽、下主動層為氫化微晶矽，適當設計兩材料中間的反射層可提高矽串疊型太陽能電池的總體吸收效率。首先我們預想中間反射層的反射頻譜的形狀為帶通濾波器時會有很好的效果，經過模擬以後證實不但可以提升矽串疊型太陽能電池的效率還減少了上主動層的厚度。在實作結構中，我們選用光子晶體當作中間反射層，因為其具有類似帶通濾波器的反射頻譜。在本論文中我們探討了一維光子晶體和二維光子晶體對矽串疊型太陽能電池的影響。 在一維光子晶體方面，我們以多晶氧化鋅和單晶氧化鋅交疊成十週期的高低折射率堆疊結構來改善矽串疊型太陽能電池的效率。固定氫化微晶矽的厚度為1.5 μm，將一維光子晶體各層厚度及氫化非晶矽的厚度利用基因演算法做最佳化來求出最大的吸光效率。在二維光子晶體方面，我們將透明的導電層銦錫氧化物中間挖圓形的空氣柱形成二維週期折射率分布的結構。二維光子晶體的好處是可以形成更大的折射率反差而有更大頻寬及峰值的反射率頻譜，不過也會形成更大的波瓣。改良方法是在二維光子晶體後面加一層銦錫氧化物，調整其厚度可以降低波瓣。固定氫化微晶矽的厚度為1.5 μm，將二維光子晶體的週期及銦錫氧化物的厚度做最佳化來求出最大的吸光效率。 我們利用傳遞矩陣法模擬利用一維光子晶體和二維光子晶體提升矽串疊型太陽能電池的吸光效率。一維光子晶體最佳化後可以提升13.5%的效率。二維光子晶體可以提升13.4%。二維光子晶體還有一項優點，當入射光不是垂直入射時，使用二維光子晶體作中間反射層的矽串疊型太陽能電池吸光效率較一維光子晶體還高。本論文所提供的計算流程及方法不僅可以明顯的提升雙層串疊型太陽能電池的吸光效率，還可以推廣至三層或四層不同材料的組合上，因此有很大的應用價值。
- 學位論文
利用光學特性來傳遞資訊可以擁有時間上及空間上的編碼，相較於利用磁場做為識別系統，光學特性的身分辨識系統(Optical ID)擁有較高的隱密性以及安全性。本論文主要探討設計架設光學系統，利用此光學系統以擷取來自回射器的回射影像，並且利用美商國家儀器所開發的程式LabVIEW做影像處理以及影像辨識。 在光學系統部分，將訊號顯示於位在回射器正前方液晶顯示器上，利用回射器將來自LED光源的回射影像訊號經由衰減片及透鏡聚焦後成像於CCD上，之後再利用LabVIEW的Visual Assistant模組做影像處理以及影像辨識。 在影像處理上利用LabVIEW 中的Visual Assistant模組，其中使用傅立葉變換(Fourier transform)以及快速傅立葉轉換濾波(Fast Fourier Transform Filter)的概念做影像處理，再將處理所得的影像字元利用光學字元辨識程式來識別。
- 學位論文
我們在砷化鎵基板上成功製作單層砷化銦量子點的光子晶體奈米共振腔，在製程方面，藉由電子束直寫微影技術，以及經由乾式蝕刻與濕式蝕刻的步驟，將光子晶體奈米共振腔製作出來。並在室溫利用連續波雷射激發出雷射光，在300K的臨界激發強度為11.6 μW。 我們設計以線缺陷L3系列為主的共振腔，藉由改變特徵尺寸，我們發現共振模態會紅移，與預期理論吻合。並利用兩側相鄰孔洞半徑減小和位移，以期製作出高品質係數和低臨界激發強度的微共振腔。 我們使用微光激發螢光系統在不同溫度做量測，在80K溫度下，最低量測到的臨界激發強度為217 nW，接著我們做變溫量測，在室溫300K仍然可以清楚觀察到共振腔模態，臨界激發強度為11.6 μW。而由於不同溫度下，共振腔的有效折射率會產生變化，導致模態紅移，紅移量為0.054 nm/K。在不同的激發強度下，模態的紅移量因光子晶體散熱不佳的因素，在高溫特別明顯。
- 學位論文
在本篇論文中，我們利用嚴格電磁數值分析法來模擬並分析含有週期結構發光二極體的發光特性，目前被視為能夠有效改善光萃取效率(light extraction efficiency, LEE)的方法，是在氮化鎵發光二極體(GaN-based LED)表面製作一層週期性結構，利用週期性結構具有繞射的特性來提升光萃取效率。我們所使用的模擬方法是利用電偶極作為光源，並將電偶極在層狀結構中所產生的電磁場以平面波的方式表示，而經由週期性結構所產生的繞射波，可藉由嚴格耦合波分析法計算獲得，此分析法主要是利用平面波展開法的方式，解得各個滿足馬克斯威爾方程式的繞射波之解析解。我們的研究工作主要是模擬並分析薄膜垂直型發光二極體，在不同的結構參數下對光萃取效率所造成的影響，並試著提出一系列的設計準則在這一堆的結構參數中找出最佳化的數值，以達到最大光萃取效率改善的目的。我們所提出的設計準則，不但是藉由理論分析的方式找出各個結構參數與光萃取效率之間的關係，並且利用數值模擬的方法來驗證，以獲得最佳化的結構參數。最後我們證明薄膜垂直型氮化鎵發光二極體結合週期性結構，在適當的設計結構參數下，可得到超高光萃取效率~90%。
- 學位論文
本篇論文利用液晶光學元件應用於偏振眼鏡式與裸眼式3D立體顯示技術，以解決3D顯示器的漏光與左右眼相互干擾現象。 一般常見的液晶光學元件，可用於1.偏振光相位延遲與 2.折射率漸變而改變光的行進路徑。前者目的在於使單一偏振光改變其偏振型態，例如線偏振改圓偏振，或是偏振角度改變；後者在於使單一偏振方向的光，穿過折射率漸變的液晶元件，改變其行進路徑，進而形成發散或聚焦。以上兩種基本特性，我們在本篇論文應用在3D立體顯示器上，並討論其結果。 在偏振眼鏡式立體顯示技術方面，我們利用可固化式液晶做為圖形化相位延遲片與偏光片(patterned retarder and polarizer)，並將其製作於面板內部(in-cell)，使其達到無垂直視角限制之3D顯示系統。然而本質上，相位延遲片在不同入射角與不同入射波長的光會產生不同的相位延遲效果，因此我們利用雙軸式波片(biaxial waveplate)來達成寬頻與廣視角的圖形化偏光片。並且討論可能的設計情況適用於不同的液晶配向製程，包括單一配向層使用兩次曝光；和圖形化配向層(patterned alignment)。此研究目的在於提供無視角限制之大尺寸家庭劇院3D顯示器。 在裸眼式立體顯示器方面，我們利用藍相液晶(blue-phase liquid crystal)設計出可調式透鏡使用在產生非偏振光的顯示器，例如有機發光顯示器(OLED)。由於有機發光顯示器的色彩、亮度與低耗電性在小尺寸面板上有極佳的特性，但其產生非偏振光，因此需要非偏振光的可調性透鏡達成2D/3D切換功能。我們利用高介電係數之平坦層與多電極設計且最佳化透鏡相位圖案。此研究目的在於提供非偏振光之中小尺寸手持式3D顯示器。
- 學位論文
關於有機發光二極體(OLED)應用於平面顯示器用途，目前待解決的問題是在出光效率低下的部分，因此在元件的玻璃基板表面貼附一層微結構陣列，目前已確定是可大幅增加出光效率的一種方法。然而對於顯示器的畫素而言，其影像會因為其正上方微結構耦合自鄰近畫素的光跡，導致畫素間的模糊效應產生。 在本論文中，我們經由光學模擬軟體LightTools®對光線進行幾何追跡的方 法，採用一種與畫素對準貼附的微梯形陣列膜層(mTAFs)，確保當有機發光元件維持較高的出光功率同時，能透過配合發光元件規格以調變微梯形的結構參數，使其在正向視角的觀察下能夠消除畫素間的模糊效應，並且進一步提升個別畫素在正向亮度方面的效益。在玻璃基板厚度450 μm、個別畫素尺寸 、間距100 μm的條件下，可使有機發光元件的發光功率效率獲得61.5%的增益，並且具有消除模糊效應後最佳為2.59倍的正向亮度值。 我們更配合一主動矩陣有機發光元件(AMOLED)的實際規格再行設計，並選取先前研究的中央鏤空式微透鏡陣列與微梯形陣列作出比較。然考量到觀測視角傾斜下的亮度分布結果，會發現當微結構在特定的水平位置上，仍有遮蔽畫素並造成其相互干擾的現象。因此在最後也總結了應用於顯示元件上的微結構設計理念，乃至達成全角度耦合的方面，實質上是有待進一步改善的。
- 學位論文
本論文的研究主要在於探討如何透過溶膠凝膠法搭配水熱法於矽基板上製作出高品質且準直性良好的氧化鋅微奈米柱陣列。在論文之中，首先介紹溶膠凝膠法和水熱法的基本原理，接著透過薄膜的調製來消除依溶膠凝膠法製備之氧化鋅薄膜表面產生之不均勻的條紋現象，而當無條紋的氧化鋅薄膜經一般熱退火處理後，雖然薄膜表面在退火後已無條紋所產生的結晶顆粒現象，但會出現一區一區高底起伏之形貌，所以需再經金層壓制退火處理使其表面的形態在退火完依然保持很平整，使之後成長在其上之氧化鋅微奈米柱陣列都可釣百分之百準直的目的 。最後再藉由改變退火溫度、生長溫度、成長液濃度、成長時間，了解氧化鋅奈米柱成長在退火後很平整之氧化鋅薄膜上的影響，進一步再提升氧化鋅的結晶品質和降低氧化鋅的缺陷放光比。最後再搭配黃光曝光顯影技術或E-beam顯影技術來限制奈米柱成長之位子，但因氧化鋅薄膜單晶排列不整齊且重疊，所以在同一個位子上會有不同方向之微奈米柱成長在同一個位子上，所以我們透過圖形化種子層來觀察種子層在何種尺寸下所成長出來的氧化鋅奈米柱是單根性的。 接著我們以掃描式電子顯微鏡分析氧化鋅薄膜表面的型態在預熱過程和退火過程後所產生的形貌變化，並且在不同退火溫度的氧化鋅薄膜使用不同濃度的生長溶液成長氧化鋅奈米柱。最後再藉由XRD分析和PL分析，探討在鍍金退火完後之非常平整之薄膜表面上所成長奈米柱的尺寸、結晶性及缺陷放光比上和退火溫度、成長條件的關係。透過以上的分析發現，在0.45 M的薄膜依300度預熱後經鍍金退火後所成長出來的奈米柱品質最佳，且經900度鍍金退火一小時後氧化鋅在XRD ( 0 0 2)的peak強度可由500度的44,006提升到75,684，缺陷放光比則由55%降低到20%。接在再藉由調整生長條件從90度100mM成長十小時調整到120度200mM成長十時，可進一步將氧化鋅在XRD(0 0 2)的peak強度從75,684提升到36,3070，缺陷放光比則由20 %降低到9 %