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有機發光二極體光萃取研究，具高玻璃轉換溫度主體材料之磷光有機發光二極體與強共振腔有機發光二極體之壽命延長

本論文有三個部分，第一部分介紹以咔唑(carbazole)與苯並咪唑(benzimidazole)衍生物為主體材料製作高效率藍色磷光與長壽命綠色磷光有機發光二極體，第二部分為高效率綠色磷光有機發光二極體之光萃取研究，第三部分為具有強共振腔效應之有機發光二極體壽命延長。 在第一部分我們使用台大化學所梁文傑教授實驗室所提供的三種具有咔唑與苯並咪唑之衍生物作為主體材料製作高效率藍色磷光與長壽命綠色磷光有機發光二極體。藉由增加咔唑的數量使得所有化合物的玻璃轉化溫度(Tg)皆在180 ℃以上。在這三種化合物中，9-(1,2-diphenyl-1H-benzo[d]imidazol-4-yl)-9H-3,6-di(N-carbazolyl)carbazole (4-3cbzBIZ)摻雜bis[2-(4,6-difluorophenyl)pyridinato-C2,N](picolinato)iridium(III) (FIrpic)之藍色磷光有機發光二極體其最高電流效率、功率效率和外部量子效率分別為58.73 cd/A、59.31 lm/W和28.58%。而在4-3cbzBIZ中摻雜tris[2-phenylpyridinato-C2,N]iridium(III) (Ir(ppy)3)之綠色磷光有機發光二極體在初始亮度為30,000 cd/m2下的壽命為使用4,4’-Bis(N-carbazolyl)-1,1’-biphenyl (CBP)作為主體材料之3.03倍。 第二部分我們使用東華大學魏茂國教授實驗室所提供的三種不同週期之光柵(833.33, 416.67, 277.78 奈米)來製作綠色磷光有機發光二極體，藉由調控陽極及元件電洞傳輸層之厚度優化並搭配週期為416.67奈米的光柵作為內部結構且利用半球透鏡作為外部結構製作元件，最高可得52.59%的外部量子效率以及106%的外部量子效率增益，且利用偏振片量測並進行波導模態與表面電漿模態的光萃取分析。 第三部分我們以薄鋁金屬作為陽極製作有機發光二極體，並且比較了1,4,5,8,9,11-Hexaazatriphenylenehexacarbonitrile (HAT-CN)與氧化鉬(MoOx)兩種不同的電洞注入層，其中以氧化鉬作為電洞傳輸層之有機發光二極體有較低的阻抗及較高的穩定性，此外我們比較了以薄鋁和氧化銦錫做為陽極之有機發光二極體元件表現。利用薄鋁作為陽極搭配氧化鉬作為電洞傳輸層之有機發光二極體在調控電子傳輸厚度優化後，在定電流密度下操作壽命為使用氧化銦錫為陽極之有機發光二極體的2.92倍。

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三重態-三重態湮滅上轉換電致發光元件與異質接面薄膜

本論文分為兩個部分，第一部分將介紹一種基於三重態-三重態湮滅上轉換設計出來的有機發光二極體發光機制，利用 Tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) 當作綠色的敏化層和 9,10-Bis(2-naphthyl)anthraces (ADN)作為藍色的三重態-三重態湮滅與放光層，其三重態激子可具有極高的轉換利用效率(86.1%)，元件表現比傳統的三重態-三重態湮滅有機發光二極體具有較高的元件效率與較長的操作壽命。另外，我們可以引入”三重態擴散與單重態阻擋層”提高元件的效率，並且摻雜一種磷光材料於螢光材料敏化層裡面，更可將元件效率和色彩純度表現更大幅提升。 第二部分我們使用光激發光譜系統之量測， 來瞭解以激基複合物(Exciplex)作為敏化層之化三重態-三重態湮滅上轉換的激子與載子動態特性，我們可以利用受體-橋梁-施體的這種模型來敘述我們在這使用的三層的架構，並總結出了三種方法: 增加三重態-三重態湮滅層的厚度，引入在三重態激子擴散與單重態阻擋層和於放光層內之高放光效率螢光的摻雜，都可使得藍色的三重態-三重態湮滅上轉換訊號提高。除此之外，我們也演示了三重態激子擴散與單重態阻擋層亦可利用於綠色及紅色的熱活化型延遲螢光敏化三重態-三重態湮滅上轉換，使得其轉換效率提升。

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氧化銦鎵鋅薄膜電晶體生物感測器應用於生物化學反應之分析

這篇論文介紹以氧化銦鎵鋅薄膜電晶體與感測金屬電極組成之生物感測器偵測生物分子擴散與混合狀態並探討蛋白質與配體之動態反應，此研究分兩部分： 第一部分，以溶菌酶及其適體三乙醯殼三糖作為動態反應分析標的物，使用薄膜電晶體結合微流道作為感測的平台。將溶菌酶跟三乙醯殼三糖溶液注入微流道中來感測電流訊號。首先，單獨通入溶菌酶溶液至流道中，以建立溶菌酶濃度與電流變化關係。接者，將三種濃度比例的溶菌酶與三乙酰殼三糖混合在離心管中，並控制混和的反應時間；對擷取之電流變化，考量屏蔽效應進行修正後，可將建立之溶菌酶濃度與電流變化關係將電流變化轉為剩餘溶菌酶濃度。以此，可建立剩餘溶菌酶濃度與反應時間的擬合曲線。透過化學公式，可從曲線中得到反應級數、結合速率常數與分解常數。其中，分解常數之結果為39.10μM，與其他團隊之研究所提出之數值十分接近。 第二部分， 以煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，還原形式，蘋果酸脫氫酶和草酰乙酸之間的化學反應動力學為研究目標。首先，將不同濃度的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，還原形式溶液注入微流體通道，以觀察電流訊號。通過擬合適當的擴散模型，可以得出汲極電流隨時間變化的函數。接著，測量不同濃度倍數的NADH，OAA和MDH溶液混合物。通過生化公式的計算，量測出的曲線可提供解離常數等信息。值得注意的是，導出的平衡常數為（8.06±0.61）×104，與其他團隊的研究結果相近。

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表面聲波調變可見光通訊之研究

隨著光通訊系統的興起，如今已廣泛運用在我們的日常生活中，透過傳統照明與無線通訊的應用，使得可見光通訊的技術越來越重要，在無線電的領域裡扮演重要的角色，尤其可以大量應用在室內定位或車間通訊等。近年來無線通訊的需求大量提升，增加元件的操作速率一直都是重要的議題。如今最主要的照明來源以藍光發光二極體為主，但常常受限於較長的自發性輻射複合生命週期，使得調變頻寬不甚理想，因此在以照明功能為基礎的前提下，提升元件操作速率是本論文的主要目標。 近年來三五族的材料非常熱門，尤其是具有壓電特性的相關半導體，這吸引更多人參與表面聲波的研究，應用在軍事、無線通訊等相關領域，而以表面聲波進行聲光調製的機制同樣也被廣泛研究。本論文嘗試利用交叉指狀電極產生表面聲波，以此來提升垂直式發光二極體的特性，當二極體受到110 MHz的表面聲波影響下，聲電流透過聲波的位能傳遞，可以提升二極體約2.5%的輸出光強度。而表面聲波的共振頻率會由二極體的腔體結構所決定，透過適當的表面聲波頻率輸入至發光二極體中，會使之產生990 MHz的光學振盪。 另外，表面聲波對於二極體發光強度的影響亦是值得探討的一大重點。當聲波於壓電材料上傳遞時，其伴隨的位能會造成晶格振盪，於位能的最小值處捕獲載子並帶往主動區，但同時聲波位能亦會使得量子井的結構更加傾斜，造成波函數的空間分離。本文中利用不同頻率的表面聲波可以觀察到發光二極體的不同光輸出，這取決於上述所提到的物理機制。而隨著外加於二極體的電壓提升，電場強度的增加使得量子井的能帶更加傾斜，額外的熱能也影響表面聲波的傳輸特性，進而影響發光二極體的光學響應。了解聲波的作用機制後，不僅可以於常溫下達到超過1 GHz的光學振盪，更可以透過外加偏壓的改變實現可調式光學頻率響應裝置。

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應用奈米結構設計薄型化長焦距鏡頭

近年來，由次波長結構所組成的超穎表面開始蓬勃發展。超穎表面是藉由界面上的相位梯度來改變光行進的方向，在所有的超穎表面中，超穎透鏡用於聚焦並應用於成像光學。與傳統的透鏡相比，超穎透鏡的優勢是平坦，精小且擁有非常薄的厚度。在本文中，我們提出了一種模擬方法結合光束追踪模擬(Ray tracing)，有限時域差分法(FDTD)，S參數方法和近遠場轉換，建立了一套設計超穎透鏡系統的標準操作流程。我們的模擬方法可以達到快速優化整個超穎透鏡系統，並使用有限時域差分法來建立並模擬由奈米結構所組成的超穎透鏡表面。我們的超穎透鏡系統縮小了整個系統的厚度並解決了傳統望遠鏡頭所遇到的體積大的問題。最後，我們驗證了我們的模擬方法成功地結合了兩種用於不同結構尺度的模擬工具，並且都能得到相同且一致的結果。此外，藉由這套模擬的操作流程，我們未來可以設計由超穎表面組成的各種光學系統。

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利用電子束轟擊二硫化鉬光感測器以提升激發光與光電流偏振選擇性

本研究目的在於利用電子束轟擊單層二硫化鉬光感測器以調變能帶結構以達到區分左旋光與右旋光。在單層二硫化鉬動量空間中的第一布里元區的K與K'這兩個位置的能帶因價電帶上的電子自旋方向不同導致一個價電帶分裂成兩個能量不同的價電帶不同的價電帶上分別有自旋方向相反的電子，而為了要滿足動量守恆，不同自旋方向的電子只能吸收某個圓偏振方向的光，因此利用不同方向的圓偏振光可激發不同位置的能帶，而K與K'的能帶為直接能隙可放光，我們利用左旋光或右旋光激發單層二硫化鉬光感測器去偵測左旋光與右旋光光致發光的強度以及量測其激發光光電流，利用某個方向的圓偏振光其光致發光強度占總共偵測到的光致發光強度的比例計算圓偏振度，同理，利用某個圓偏振光光電流占總電流的比例計算光電流偏振度，比例越高代表區分左旋與右旋光的能力越強。我們利用電子束轟擊對單層二硫化鉬產生硫原子的缺陷，當我們轟擊適當的電子束濃度，產生適當硫原子缺陷濃度，可達到最高的偏振度。

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以單載波正交分頻多工直調雙/三模雷射二極體建構毫米波光纖整合第五代無線通訊

為了因應大容量於長距離的傳輸，本研究工作在於開發適用於第五代無線通訊並整合長距離毫米波光纖傳輸系統。為了建構毫米波光纖傳輸系統，雙/三模發射器的開發是不可或缺的。另一方面，長距離傳輸所伴隨的色散效應也是無法忽視的。因此本研究透過注入鎖定無色雷射二極體與垂直面射型雷射二極體來開發正交極化之雙/三模發射器用於建構適用於第五代無線通訊之毫米波光纖通訊系統。另外，在有限的頻寬下透過M階正交振幅調變-正交分頻多工(QAM-OFDM)、廣義分頻多工(GFDM)與位元承載(Bit-loading)等技術來提升傳輸位元率並整合於毫米波光纖通訊系統將有助於實現適用於第五代無線通訊之長距離有線整合無線傳輸系統。 在第一部分中，首先透過正交雙模光載波注入鎖定無色雷射二題體來產生正交雙模且單載波調變之雙模光載波來抑制長距離所產生之色散效應並用於建構毫米波光纖有線於無線傳輸系統。在傳統平行即化之雙模載波注入比較下，所產生之四波混頻模態在經過調整雙模間距在0.32 nm下可被抑制致-26與-41 dBm。在經過正交極化與單載波調變的優化下，被調變之64-QAM OFDM且傳輸位元率為24 Gbit/s在經過背對背及25公里單模光纖傳輸下，其各自的誤碼率及錯誤向量分析分別為2.2X10-4/6.48%與2.2X10-4/7.07%。再經過1.6公尺的無線距離後，最大可傳輸16-QAM OFDM且傳輸位元率為8 Gbit/s，對應之誤碼率以及錯誤向量分析分別為3.4X10-3和17.14%。 相較於雙模光載波系統，三模光載波可以產生功率為原本兩倍大之毫米波載波並提升無線傳輸之品質，在第二部分的研究中，透過正交注入鎖定產生正交之三模且單載波調變之光載波用於建構75公里長距離之28-GHz毫米波光纖傳輸系統。透過無色雷射二極體只支持TE極化之注入鎖定成功達到單載波調變。和傳統之平行三模光載波相比，正交三模光載波於75公里單模光纖有線傳輸下最大可傳輸64-QAM OFDM且調變頻寬以及傳輸位元率可高達8.3 GHz與50 Gbit/s，伴隨的訊雜比、誤碼率以及錯誤向量分析分別為21.2 dB、3.5X10-4與8.8%。除此之外，在透過Bit-loading的技術下，透過從64-QAM至1024-QAM其最大傳輸位元率可達88 Gbit/s。經過10公尺之無線傳輸後，透過正交三模光載波且單載波調變最大可傳輸16-QAM OFDM達4.5 GHz (18 Gbit/s)。除此之外，在透過Bit-loading的技術下可提升最大傳輸位元率到29.6 Gbit/s。 在本研究之第三部分中，透過極弱功率注入鎖定垂直面射型雷射二極體來產生正交雙模光載波用於建構無須本地震盪之28-GHz毫米波光纖傳輸系統。另外，為了在有縣頻寬中最大化傳輸位元率，將使用新型QAM-GFDM以及Bit-loading技術整合至傳輸系統中。首先，在經過-26 dBm (2.5 μW)下注入後可產生雙模功率差只有5.43 dB之正交雙模光載波，且經過全光拍頻後可產生28 GHz之毫米波且尖峰功率達-59.8 dBm。另一方面，在經過注入鎖定後，其雷射的相對強度雜訊幾乎沒有改變，除此之外，在模間雜訊的分析下，經過極弱功率注入後期雜訊僅提升2 dBc/Hz。在經過50公里單模光纖有線傳輸後，在調變64-QAM GFDM下最大可傳輸之頻寬為6.75 GHz (40 Gbit/s)。此外，透過Bit-loading技術下，可用調變頻寬可延伸至12.23 GHz，且最大傳輸位元率可達51.9 Gbit/s，此時頻寬使用率可提升至4.24 bit/s/Hz。在經過2公尺無線傳輸且透過功率偵測器達到自我降頻後，透過調變4-QAM GFDM最大可達調變頻寬2 GHz (4 Gbit/s)。另外，透過Bit-loading技術下，最大調變頻寬及傳輸位元率可達4.11 GHz及11.1 Gbit/s，其頻寬使用率為2.69 bit/s/Hz。相較於使用QAM-GFDM，其傳輸容量可提升177.5%。

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時域有限差分法模擬分析生物體表色彩結構

在本研究中，我們使用時域有限差分法（finite-difference time-domain method，FDTD method）針對下列五種生物進行體表色彩的光學性質分析：大藍閃蝶、夏威夷短尾魷魚、赫克力士長戟大兜蟲、蔚藍金龜以及霓虹脂鯉。在建立上述生物體表結構的實驗模型後，我們模擬光線在結構傳播的情形，並分析結構材料特性以及其幾何特徵對體表色彩的影響。考慮的因素包含結構材料的折射率、厚度及排列形式。最後，我們比較模擬結果與真實生物情形的光譜特徵差異，用以分析模擬結構的準確度，使我們建置的模擬結構能提供正確的生物體表色彩資訊。

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具深槽源極孔洞之氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體電流崩塌特性分析

氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體擁有高能帶及高電子遷移率的材料特性，使其大量應用於高電壓電子元件以及高效率電源轉換系統；異質接合結構所產生的大量二維電子氣，更能提供元件大電流、低阻抗之特性。然而，由於傳統氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體為在高速切換下，材料缺陷所造成的漏電流以及電流崩塌效應使得電晶體無法達到所預期之高效率電能轉換，降低了元件的效能。本研究致力於探討局部移除矽基板及深槽源極孔洞結構在不同操作電壓下的電流坍塌現象的表現。 在此研究中，我們探討氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體在局部移除矽基板之後的特性。藉由霍爾量測和拉曼量測，研究發現材料在移除矽基板之後並不會有負面影響; 然而，因為移除良好導熱性的矽基板，電晶體遇到更嚴重的熱效應導致電流下降。接著我們探討電子陷阱的捕獲效應，結果指出挖除基板後能夠大幅抑制電流崩塌效應。 下一步我們研究出有效利用深槽源極孔洞的氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體轉換效率提升之方法，同時探討電流坍塌現象之影響，藉由直流特性發現，在具孔洞的結構下，直流汲極電流有些微增加，然而接著我們探討電子陷阱的捕獲效應，透過動態導通電阻分析缺陷捕捉機制，量測結果指出具源極深槽孔洞的結構，能抑制電流崩塌效應。

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P通道錫鎳氧化物薄膜電晶體

本論文主要目的有兩個，一是研究p 型SnNiOx 薄膜性質，二是開發p 型SnNiOx 薄膜電晶體及探討其電性。長期以來，n 型高效能氧化物薄膜電晶體(TFT)的特性遠優於p 型，特別是p 型氧化物TFT 的載子遷移率往往不足以應用於互補的反相器和邏輯電路。因此，提高p 型氧化物薄膜電晶體的載子遷移率是本研究的目標。 研究中我們使用磁控射頻共濺射技術沉積 SnNiOx 薄膜，在固定錫槍的功率、工作壓力、濺鍍時間、氬氧流量比和後退火溫度條件下，調變鎳槍的功率(0 – 50 W)，以獲得不同鎳摻雜量的SnNiOx 薄膜。 在薄膜分析部分，從低掠角X 光繞射分析得知，隨鎳槍濺鍍功率增加，SnNiOx薄膜結晶方向從α-SnO(110)轉變為非晶再轉變為α-SnO(101)。接著根據X光光電子能譜縱深分析發現，在錫槍/鎳槍的濺鍍功率為50 W / 50 W 時，從表面到薄膜深處，錫的價數從Sn4+為主，再到Sn2+為主，最後是以Sn0+為主，這表示越靠近表面越容易氧化。此外，Ni 的成分也隨著縱深而增加。從光學分析得知，隨鎳槍濺鍍功率增加，SnNiOx 薄膜的光學直接能隙逐漸降低。從賽貝克係數的量測確認使用不同鎳槍濺鍍功率所沉積的SnNiOx 薄膜除了錫槍/鎳槍的濺鍍功率為50 W / 20 W 之外其餘均為p 型。 接著利用不同鎳槍濺鍍功率下所獲得的SnNiOx 薄膜作為主動層，採用高介電常數材料氧化鉿作為介電層，製備下閘極交錯型p 型SnNiOx 薄膜電晶體。在錫槍/鎳槍濺鍍功率為50 W / 35 W 時，電晶體具最高開關比 (1074)，而在錫槍/鎳槍濺鍍功率為50 W / 50 W，有最高的場效遷移率 (6.2 cm2V-1s-1)，大約是氧化亞錫薄膜電晶體 (0.48 cm2V-1s-1) 的13 倍之多。