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
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The development of solar cells has emerged to be the best solution for the ongoing shortage of energy worldwide today. Among various solar cells, perovskite solar cells have achieved significant progress in the short duration when compared to other solar cells. Perovskite not only exploits the potential of large-area cells but also opens up the field of flexible substrates. Thus, in this research study, we focused on the development of glass perovskite solar cells and flexible perovskite solar cells by various techniques which improved the power conversion efficiency of the device. We even used the effective process like solution process to deposit the electron- transport layer (ETL), light-absorbing layer, and hole-transport layer (HTL) which effectively produces the high-quality film, and we used a low-temperature process technique for the TiO2 (ETL) deposition to reduce the energy consumption during the production. We post treated the TiO2 layer (ETL) with a low temperature (<40°C) dielectric barrier discharge (DBD) jet using the Helium gas, and mixture gas with He – 95%, and O2 -5% as the carrier gases. We treated both the glass and flexible perovskite solar cells with the DBD-jet. We varied the scan parameters such as scan speed from 1 cm/s – 3 cm/s, and by scanning from 5 – 15 times, maintained at a scan height of 1.5 cm, and determined the device performance for the perovskite solar cells. Whereas, we varied the scan height from 4 cm – 6 cm, and scan speed from 1 cm/s – 3 cm/s, and by scanning 5 – 15 times and determined the device performance for the flexible perovskite solar cells. We considered the optimum scan parameters and found that the device performance has been improved when compared to that of the device without the DBD-jet treatment for both the glass and flexible perovskite solar cells using the two carrier gases. By using He-DBDjet to treat the ETL, the glass perovskite solar cells exhibited improvement in its power conversion efficiency (PCE) from 13.91% to 14.43%, whereas the flexible perovskite solar cells exhibited improvement in its power conversion efficiency from 12.3% to 13.6%. When the mixture gas (He + O2) DBD-jet is used to treat the ETL, then the glass perovskite solar cells improved its power conversion efficiency (PCE) from 13.91% to 14.3%, whereas the flexible perovskite solar cells improved its power conversion efficiency from 12.3% to 13.37%. Several material analyses such as EIS, XPS, XRD, water contact angle determination, SEM, and AFM are conducted to confirm the results.
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老年性黃斑部病變（age-related macular degeneration, AMD）是一種常見的眼科疾病，在各個國家中都會引起中心視力的逐漸退化。它的特徵是在黃斑部出現隱節（drusen），並伴有脈絡膜新生血管（choroidal neovascularization, CNV）或地圖狀萎縮（geographic atrophy, GA）。它們的大小，數量和位置可作為疾病進展的生物標記。光學相干斷層掃描（optical coherence tomography, OCT）是獲取視網膜三維影像的一種快速且無創的方法，並且越來越多地用於監測AMD的發作和進展。AMD疾病的嚴重程度很可能由隱節和地圖狀萎縮的定量確定。由於手動分割OCT影像既費時又主觀，因此有必要開發自動圖層分割演算法。本文提出並實現了一種深度學習的OCT影像自動分割方法。利用一種以U-net架構為基礎的語義分割網路加上遞歸神經網路的架構進行分割。實驗結果表明，與其他最新方法相比，該方法大大降低了錯誤率。
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本研究主要分文兩階段，第一部分為摻雜物對石墨烯的影響，我們透過光電子能譜對摻雜物做定性分析，從碳1s特徵峰的位移以及材料功函數改變中，了解摻雜物確實與石墨烯發生了載子交換，並改變了石墨烯的費米能階，以TEPA為N型摻雜物，Catechol為P型。接著，透過霍爾量測分析摻雜時間對石墨烯載子遷移率以及電阻率的變化，藉由德汝德公式可知載子濃度、載子遷移率對電阻率的相關性，了解載子遷移率及電阻率都隨摻雜時間增加而下降是透過載子濃度的補償。最後透過拉曼光譜以及電性狄拉克點的位移做定量分析。 第二部分將利用傳輸線量測(TLM)進一步探討石墨烯與金屬的接觸電阻，發現石墨烯對不同功函數的金屬其接觸電阻差異很大，因此，透過摻雜物輔助改質石墨烯使其功函數匹配變的非常重要，結果顯示，以鈦金屬作為接觸的元件，透過TEPA摻雜其接觸電阻最低；而鎳金屬作為接觸的元件，Catechol摻雜顯示最低的接觸電阻。
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為了提升運動員在國際比賽上的表現，分析運動員在真實比賽中的狀態是必要的。因為含有標記的追蹤裝置會影響選手表現，本論文提供一個無標記的模型來重建運動員的3D人體姿態。模型中使用不同相機影像的2D人體姿態來進行三維重建。根據核面幾何(epipolar geometry)理論，兩台相機足以將影像座標投影到世界座標。如果使用多相機系統(>2)，可以利用更多雙相機組合配對來重建空間座標，提供更準確的世界座標。以克服可能來自於關節遮蔽或辨識錯誤所產生座標點的錯誤投影。因此，相機在空間中的位置和數量會決定場景的準確度。本論文討論相機在球場中的架設角度與關節點偵測率之間的關係。實驗上，以現有的OpenCV函式庫來建構多相機之間的幾何關係。本論文的2D人體姿態由深度學習模型(AlphaPose)來偵測。為了解決不同相機視角下的2D人體姿態準確度不一致的問題，結合核面幾何以及反投影誤差來得到多相機中的最佳的影像座標。最後以訊號後處理演算法來修正每個關節點於空間中隨時間的訊號。為了驗證我們的模型，本論文使用分別安裝在針對國立台灣體育運動大學(NTUS)球場上的三台高速相機來辨識投手姿勢。首先進行相機校準，我們使用二維的單平面棋盤格來計算相機的內部參數，並且利用三維的立方體來計算相機之間的相對參數。k-means聚類演算法被用來自動選取影像中適當的平面棋盤格，這可以防止內部參數在特定的影像區域下的過度擬和。使用K-fold來交叉驗證多相機系統的相對參數。三維訊號中，由於許多無法避免的辨識錯誤，挖除錯誤的特徵點可以使該訊號更接近真實訊號。本論文採用2D人體姿態的信心分數(cs)以及異常偵測(nd)來判斷錯誤的特徵點。訊號後處理上，使用傅立葉高頻濾波器以及高階多項式在時間序列上對3D數據擬合，可以減少訊號擾動以及修正不合理的點。”human_B20”右投的測試集中，對於右手腕、右手肘、右肩膀、左腰、左膝蓋以及左腳踝的關節點中，自動化的處理模型在平均每個關節位置誤差(MPJPE)達到15毫米以內。
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在此研究論文中，我們成功開發了一套操作於近紅外光II-b波段之掃頻式光學同調斷層顯微術(SS-OCM)系統，為一高解析、全自動化且廣域之成像技術。本套系統中，使用中心波長為1.69微米、頻寬為170 奈米，縱向掃描頻率為90 kHz的長波長掃頻光源可以在散射介質中提供更深的成像深度，且其靈敏度可達96.3 dB；透過結合光學同調斷層掃描和共軛焦顯微鏡，本套系統的橫向解析度可達到〜11.7微米，軸向解析度（半高全寬）可達到〜17.4 微米。此外，利用馬賽克鑲嵌式的掃描成像方式可以擴大系統成像範圍，以補償了由於樣本端中的高數值孔徑（NA）而導致的有限視野。而在此全自動SS-OCM系統中，包括物鏡切換，參考端中的平移台和樣本端中的三維電控平移台，都可以通過客製化圖形使用者介面(GUI)進行控制。我們的客製化GUI不僅可以自動化控制系統中的電控零件，還能及時成像和立即查看拼接完成後的馬賽克式OCM影像。為驗證本套SS-OCM的成像效能，我們針對膠帶，人類的手指和口腔粘膜進行了三維成像。在上述之OCM影像結果中，可以清楚地觀察到膠帶中的分層結構、人類手指中的指甲接縫、表皮、真皮以及人類口腔粘膜中的上皮、固有層等，而這些結果成功地證明了本套高解析度SS-OCM在生物醫學影像中的成像效能。此外，為了達到廣域的成像特性，我們利用馬賽克成像模式針對固化的鼠腦切片和新鮮的鼠腦進行成像及將其重建，不論是客製化GUI中即時查看拼接完成後的馬賽克OCM影像功能，或離線馬賽克影像拼接的演算法都證明了廣域SS-OCM的可行性。在未來的研究中，我們將致力於使廣域SS-OCM系統在進行馬賽克拼接演算法時更加自動化，且在即時查看拼接完成後的馬賽克OCM影像功能，和離線馬賽克影像拼接的演算法中將圖像融合應用於拼接圖像之間的邊界，在不降低解析度的情況下使其邊界平滑化，以達到更完善的高解析、全自動、廣域之SS-OCM系統。
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本論文主要探討百奈米級二硫化鉬電晶體元件之接觸電阻，以及利用摻雜方式提高二硫化鉬載子濃度，窄化與金屬接觸之蕭特基能障寬度，降低接觸電阻並提升其電特性。 第一部分首先調變及優化氦離子束微影之參數並穩定其電晶體製程，使元件通道微縮至100奈米進行接觸電阻的討論。接著選擇不同功函數之金屬，利用調變功函數降低二硫化鉬與金屬接觸之蕭特基能障高度。以銀、鈦和鎳三種金屬進行比較，實驗結果為以鎳金屬為電極表現最佳，其汲極電流可達約100 μA/μm。 第二部分則是以摻雜方式調變二硫化鉬載子濃度，使得二硫化鉬的費米能階更靠近導帶，進而窄化蕭特基能障寬度，使得電子更容易注入通道中，以降低接觸電阻。首先我們利用氮化矽基板進行摻雜，使得汲極電流躍升至424 μA/μm，接觸電阻下降至0.97 kΩ*μm。接著利用長碳鏈分子-四乙烯五胺(Tetraethylenepentamine ，TEPA)以氣相摻雜的方式使其吸附在元件通道上，使得電流升至461 μA/μm，同時載子遷移率也提高到72.17 cm2/v·s，並使接觸電阻降至0.86 kΩ*μm。透過摻雜的方式，我們得以製備出高電流、高載子遷移率並有著極低接觸電阻的二硫化鉬短通道電晶體。
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本文主要探究以不對稱之類鹵素分子來取代鈣鈦礦中的X位陰離子，以達成分裂三維鈣鈦礦，並讓其成為二維鈣鈦礦，再藉由二維鈣鈦礦有遠優於其三維時的特性，將其與二硫化鉬結合，形成具有極高光響應率之混合型光偵測器。 內容大致上分為本文所使用之二維鈣鈦礦特性之探討，首先我們將原本用於鈣鈦礦X位的陰離子從鹵素原子換為不對稱類鹵素分子SCN，由於其不對稱的特性，將會導致鈣鈦礦X位失去了連結鈣鈦礦上下層的能力，以造成鈣鈦礦從三維分裂為二維，並對其之物理特性進行探討。第二步則是將二維鈣鈦礦塗佈於二硫化鉬之上，並觀察兩者之間能帶關係所造成的電子轉移，以及二維鈣鈦礦對於二硫化鉬之中的硫空缺進行填補。第三步，將會對此混合型光偵測器進行光電特性上之量測，並觀察到其有相較於過往期刊中鈣鈦礦與二硫化鉬結合之光偵測器有更高的光響應率，並且也有不差的反應時間。最後一步，我們會著重於此元件之穩定性，相較於傳統鈣鈦礦非常差的水、氧耐性，此元件能長期保存於真空中而不劣化，在大氣下也能保存上許多天而不致水解。 而本二硫化鉬/鈣鈦光混合型光偵測器，擁有非常高之光響應率，最大值可在0.5伏特之外加偏壓下達到1.22 x 105 A/W，遠遠高於多數期刊論文中所紀錄之二硫化鉬/鈣鈦礦混合型光偵測器之光響應率。而反應時間中的上升時間，也只需要0.16秒，相較於純二硫化鉬的121.1秒，大大的縮減到了可以於生活中應用的程度。最後該元件在保存了一個月之後，光響應率亦沒有明顯的下降，由此可見該元件可觀之穩定性。
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本文介紹了一個新概念-擴增實境領域中的多層光學鍍膜光波導。實際上，隨著數十年來的蓬勃發展，擴增實境已經建立了與眾不同的功能，使其在各個領域中得到廣泛應用。將虛擬圖像疊加到外部現實世界的視野上，擴增實境促進了諸多領域的應用，例如教育，醫療手術，工程，娛樂，圖像導航，甚至軍事應用。然而，AR仍然存在兩個主要缺點：（1）擴增實境頭戴式顯示器設備的龐大笨重帶來的不便； （2）有限的視角。為了改善上述缺點，我們引入了多層光學鍍膜光波導，其厚度比擴增實境頭戴式顯示器的傳統設計要薄。我們將光波導分為兩部分：（1）基於non-pupil forming system的自由曲面准直儀，該系統由三個高階項extended polynomial表面構成，（2）波導後段直接接合了多層光學鍍膜耦合輸出反射層。傳統上，FOV的寬度取決於單一一個耦合輸出反射層的尺寸，因為單一一個表面決定了所有反射進入觀察者瞳孔的反射光。我們的多層塗層表面使光波的反射更加靈活。每個塗層都具有一個臨界角，該臨界角過濾並反射具有匹配之入射角的光波。換句話說，具有不同入射角的光波在相應的塗層表面處反射或穿透。因此，與傳統光波導眼鏡相比，我們通過光學鍍膜光波導眼鏡達到了40°的超廣角，其厚度也被壓縮到了3 mm。
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本論文以探討有無摻雜銦(In)之量子井結構的短波長 850 奈米(nm)垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的特性分析與討論，包含磊晶結構與量子井結構設計、製程步驟、變溫直流特性分析、變溫高頻特性量測、小訊號模型分析。 第一章我們會先介紹光通訊的優勢及垂直共振腔面射型雷射的優勢和未來展望，並探討 850 nm垂直共振腔面射型雷射在光通訊上的應用和我們的研究動機。 第二章會介紹我們的垂直共振腔面射型雷射之基本原理，並探討磊晶結構與量子井結構之設計、製程步驟、室溫下之直流特性分析。磊晶結構我們會設計兩種不同的量子井結構並會以軟體PIS3D來分析有無摻雜銦之量子井結構在微分增益方面的模擬結果做討論，再來會介紹垂直共振腔面射型雷射的製程步驟，最後會將製作出來的元件做室溫下的直流特性量測，探討量子井結構為GaAs/AlGaAs光孔直徑5.3 um和6.8 um與量子井結構為InGaAs/AlGaAs光孔直徑4.6 um和6 um之垂直共振腔面射型雷射元件在25°C下的直流特性，包含 L-I-V曲線、L-J-V曲線和光頻譜分析，並探討不同量子井結構的垂直共振腔面射型雷射元件在室溫下之直流特性的比較。 第三章我們將探討量子井結構為GaAs/AlGaAs光孔直徑5.3 um和6.8 um與量子井結構為InGaAs/AlGaAs光孔直徑4.6 um和6 um之垂直共振腔面射型雷射元件在25°C下的高頻特性，以及建立垂直共振腔面射型雷射的小訊號模型，由寄生電路模型和雷射本質物理模型組成。我們會先介紹電路模型中電路參數和萃取方法，再由速率方程式推導出雷射本質轉移函數，並了解本質函數中物理參數的意義及萃取方法，並探討室溫下的小訊號分析。 第四章我們將探討量子井結構為GaAs/AlGaAs光孔直徑5.3 um和6.8 um與量子井結構為InGaAs/AlGaAs光孔直徑4.6 um和6 um之垂直共振腔面射型雷射元件在變溫下(25°C、70°C、85°C)下的直流和高頻特性，以及變溫下的小訊號分析，最後探討如何優化量子井結構才能達到更快的調變速度。
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在本篇論文中，我們使用了圖形處理器(GPU)加速傅立葉式光學同調斷層掃描術(FD-OCT)的影像重建。首先、我們透過AlazarTech提供的應用程式介面編撰加速OCT影像處理的程式，並與我們實驗室所開發的使用者介面結合。透過將其與現有多執行緒的程式做影像重建的速度比較，發現使用GPU在影像處理的速度上有顯著的提升。再者，我們透過鑷子在牙齒樣本上的移動模擬手術的過程，即時影像的呈現相當流暢。即便AlazarTech提供很方便的開發工具，但針對需要波長校正的光源並沒有相對應的函式，且實驗室未來需對GPU上的資料作更進一步的處理。基於這些原因，我們開發了利用統一整合架構的影像處理方法，透過平行運算的方式加速OCT影像處理，並且用NVIDIA Visual Profiler對程式進行分析及優化，使其在影像處理的表現與AlazarTech所提供的函式是可媲美的。最後我們比較幾種常見的內插方式在計算效率以及影像品質的表現，選定三次樣條插值(Cubic spline interpolation)做為波長校正的方式。在未來的研究方向，可以利用目前所發展的程式對空間頻域式光學同調斷層掃描術(SD-OCT)進行影像的處理，甚至可以利用GPU進行三維OCT影像的視覺化或是進行組織分類。