中央大學光電科學研究所學位論文
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具有可調變波長和高同調性的光參量振盪器在遙測、光譜學、非線性光學、測距儀、光通訊、生醫等，都有很廣泛的應用。 本篇論文致力於把兩種功能的元件整合在同一塊晶體上。此兩種元件分別為一電光布拉格繞射元件及光參量產生器與光參量振盪器。利用一二維週期性、非週期性晶格極化反轉鎂摻雜鈮酸鋰晶體來同時滿足驅動此二元件所需之相位匹配，並將它放置在一Nd:YVO4 雷射共振腔內同時作為雷射Q調制器及腔內多波長光參量產生器與光參量振盪器。 此晶體的y 軸方向符合1064nm 布拉格條件的週期性結構，其週期為20um，布拉格角度為0.7度。晶體的x 軸方向則利用模擬退火法設計符合多波長相位匹配條件，作為多波長光參量產生器。 當施加電壓為350V，脈衝頻率為1KHz 的電訊號，於此二維晶體的z方向時，在環境溫度為40 度，吸收功率為7.5W，可量測到1550nm波段的腔內光參量振盪器尖峰功率大於430W。
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本論文中，我們使用高功率白光LED光源，設計出兩款微型化自行車前燈，分別為直投式自行車前燈與下投式自行車前燈。模擬中我們以德國StVZO 22A No.23 (K-mark) 法規為規範，設計光形的高對比度與寬廣的道路照明，以提升行車安全性。除此之外，下投式自行車前燈的設計能夠適用兩種不同光強度分佈的光源，有助於實際量產的可能性。最後，我們實際製作出兩款自行車前燈設計，同時驗證了模擬的準確性。
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全像術的概念首先是D. Gabor在1948年所提出，他證實了「波前重建」的可能性；到了1969年，D. J. DeBitetto提出了複合全像術的製作方法，它是利用人眼的水平視差，分別讓觀賞者左、右眼接收具有不同水平角度的二維影像，而最後經由大腦解讀成三維影像。 在過去的全像複製光學系統研究中，其中由於極化(TE和TM重建影響)的影響，使圓盤各區域繞射效率不均的現象，藉此研究可發現，用線極化光入射重建圓盤型複合全像片，會因極化而造成兩正交曝光區域繞射效率不同的現象。為了解決此二區域繞射效率不均的現象，藉由旋轉入射光極化方向的方式進行二次曝光，達到縮小兩區域繞射效率的差異性目的。 本篇論文為了實現單步驟單光束複製光學系統實用性，降低極化所造成的問題對繞射效率的影響，同時省去利用二次曝光的方式，我們提出了在複製系統中加入四分之一波板，使線極化光轉換為圓極化光，而由於圓極化光具有對稱性(TE和TM重建情況相同)，因此可解決由極化所造成繞射效率不均的問題，本論文將藉由理論與實驗，提出可有效降低圓盤各區域繞射效率不均的複製技術。
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如今產業上的太陽能電池發展多以矽晶圓為主要材料，因為矽晶圓本身材料較貴，且在矽晶圓上產生PN接面 (PN junction) 多是利用離子佈植或雜質擴散的方式，這兩種方式皆是高溫製程，相對的製程成本較高，是以本研究希望以沉積薄膜的方式，在矽晶圓上覆蓋相對摻雜特性的含氫非晶矽薄膜完成異質的PN接面。 因此企圖找出高摻雜濃度 (高導電率) 且低吸收係數的P型含氫非晶矽薄膜，是本研究前半段的目的，因為高導電率、高摻雜的薄膜是較適合應用於製作異質接面太陽能電池。而後半段的目的則是希望對元件做優化的動作，不論是薄膜或基板厚度、半導體─半導體或金屬─半導體接面都是需要被探討並改善的地方，研究中也將針對部分作分析與探討。 實驗中以射頻磁控濺鍍法沉積的P-type a-Si:H薄膜，經過添加硼顆粒於濺鍍源、調變氫氣與氬氣分壓比例和快速熱退火處理後，已具備有高導電率的特性，將其沉積在N-type c-Si基板上，並完成異質接面太陽電池的製作。 研究與分析完本實驗自製的太陽能電池，得到一有1.9%轉換效率的異直接面太陽能電池，其開路電壓VOC約為0.5 V，短路電流密度JSC約為9.6 mA/cm2，填充因子FF約為39.7%。
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本論文以不連續製鍍法來製鍍高低折射率材料 Ta2O5 與SiO2 的光學薄膜以達到「在不影響光學常數與薄膜品質的條件下，減低薄膜的殘留應力」的目標。 本實驗在光學性質的測量部分，是利用光譜儀量測，看不同參數的不連續製鍍法會不會對光譜產生飄移，來決定光學常數是否產生改變；在薄膜應力的量測部分，利用Twyman – Green 干涉儀測量其鍍膜前後樣品的撓曲量變化，再代入Stoney 公式得到薄膜應力大小；掃描式電子顯微鏡來觀看薄膜橫切面的介面；原子力顯微鏡用來量測薄膜的表面粗糙度，以驗證在此實驗中粗糙度跟應力變化的關係。 實驗結果部分，我們發現用使用不連續製鍍法中，應力並不隨切層數的增加而有增加或減少，反而會呈現增減交錯的變化結果。因為本實驗主要原理是利用增加介面應力來降低薄膜的殘留應力，所以當增加的介面應力無法與切薄厚度的薄膜應力抗衡時，總殘留應力就會增加；相反的，如果介面應力可以抵消每一層薄膜應力，那麼總殘留應力將會減小。 應用不連續製鍍法的到高反射鏡的結果，可以發現，在光學常數上的影響極小，而在降低應力的結果方面，可以達到17.6%的降低效果。
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本論文研究重點為了拓展矽薄膜太陽能電池對太陽光頻譜的吸收，因此在單一p-i-n的結構下，於本質層中堆疊非晶矽與不同結晶率的微晶矽，利用模擬軟體AMPS-1D有系統地探討不同的堆疊對太陽光吸收的響應。 研究結果顯示：一、在只有單一本質層的矽薄膜太陽能電池中，本質層的材料會影響最佳效率的是厚度；當使用結晶率越高的微晶矽薄膜，其需要更大的厚度才可以達到最佳的效率；二、本質層以雙層堆疊時，若要有效的增加太陽的光萃取，非晶矽與微晶矽其材料厚度與排列方式對於頻譜響應有很大的影響；三、在固定厚度下，雙層結構中以”微晶矽–非晶矽”的堆疊結構對於光吸收有較好的表現，而這樣的結構中也擁有較高的短路電流 (Jsc) 與填充因子 (FF)。當結構為微晶矽–非晶矽的排列，厚度各為單位厚度的4倍，則效率最高可以達到11.1%。
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透明導電膜在許多光電元件中都扮演著相當重要的角色，TNO 為二氧 化鈦(TiO2)摻雜鈮(Nb)，除了具有導電特性之外，由於TiO2 本身就具有光觸 媒效果，摻雜Nb 後能隙會變大可增加光催化效果，故TNO 薄膜將成為具 有潛力的材料。本論文研究的TNO薄膜是以脈衝式直流磁控濺鍍鍍製完成， 薄膜特性之分析包含不同退火溫度與不同鈮摻雜功率下的光學特性、電特 性、薄膜結構與元素組成特性。實驗結果顯示在退火370 ℃、鈮摻雜功率 為90W 下可得到最低電阻率1.26×10-3 Ω-cm，遷移率為1.46 cm2/V-s，載子 濃度為1.89×1021 cm-3，最佳的鈦/鈮原子比為6.12；可見光波段的平均穿透 率約為70%、吸收率小於10%。 光觸媒特性之分析則透過接觸角量測、亞甲基藍水溶液降解實驗來判 斷其光催化反應效果。隨著照光時間的增加，薄膜表面的接觸角越來越小， 由原來的疏水性變為親水性，鈮摻雜功率為90 W 的TNO 薄膜更在照光6 分鐘內小於10°，所有樣品在照光18 分鐘內接觸角都可以小於10°；同時在 照光過程中片電阻值幾乎不變。分解亞甲基藍水溶液的實驗可知道不同鈮 摻雜功率之TNO薄膜在照光後濃度變化速率與接觸角量測結果有相同的趨 勢，且與導電率成正相關。TNO 薄膜的導電性越好，載子就越容易傳輸， 所以光激發產生的電子電洞對就能越快擴散到表面進行光催化反應。
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本論文利用脈衝直流磁控濺鍍法（Pulsed DC Magnetron sputtering），使用價格便宜AZO靶材鍍製AZO（Al-doped zinc oxide）薄膜，在鍍膜過程中改變氫氣氣體流量，在室溫鍍製之下探討在不同氫氣體流量下，含氫AZO薄膜之電特性以及光學特性之改變，在通入適當流量之H2的情況下鍍製之含氫AZO單層膜，其最低電阻率為4.31×10-4 Ω-cm，而其在可見光波段之平均穿透率可達85.63%，相較於未通入H2的AZO單層膜，其電阻率5.55×10-3 Ω-cm下降了許多。 在含氫AZO薄膜在高溫退火之後，導電率會大幅下降，其主要原因是氫氣跑出膜層之外，載子濃度由1.7×1021cm-3大幅降低至7.51×1020cm-3。 由於含氫AZO薄膜在高溫退火下並不穩定，因此在其上加上一層AZO保護膜，以減少氫跑出膜層的機會。擁有50nm AZO保護膜的含氫AZO在經過500℃退火之後，由5.91×10-4Ω-cm 降低至5.63×10-4Ω-cm(減低4.7%)。而不具保護膜的情況之下，4.31×10-4Ω-cm 增加到7.79×10-4Ω-cm (增加66.8%)。
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在本論文中，我們將光聚合物與液晶混合製作成高分子分散液晶 (polymer dispersed liquid crystal, PDLC)薄膜，利用這種材料記錄全像影像資訊，並且藉由外加電壓改變液晶的排列方向，使液晶折射率改變，而做出可由電壓調變的全像片。在實驗方面可分為兩個部分，第一部分為利用高分子分散液晶記錄光柵並分析其光電特性。我們利用NOA61 與E7 混合製作成PDLC薄膜並以雙光束干涉的方式記錄光柵於薄膜中，所記錄的光柵在外加0V 電壓時繞射效率為4.7%，而加入40V 電壓時繞射效率提升至11.4%。 第二部分為複製全像片影像於高分子分散液晶。我們將可360 度 環繞觀賞的成像面圓盤型複合全像片做為複製母片，利用單光束複製 系統，將影像資訊複製於高分子分散液晶中，而隨著外加電壓上升， 影像亮度也隨之提升，具有可由電壓調變的效果。
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本論文以一新式製程方式，利用脈衝直流磁控濺鍍法(Pulsed DC Magnetron sputtering)，使用價格便宜的純金屬鋅靶材鍍製FZO(Fluorine-doped zinc oxide)薄膜，在鍍膜過程中改變氫氣、氧氣、以及四氟化碳之氣體流量，探討在不同氣體流量下，FZO薄膜之電特性以及光學特性之改變。 從文獻得知，氫氣可在氧化鋅薄膜間隙裡形成shallow donor，可大量增加載子濃度，降低電阻率。 常溫製程下，FZO:H最低電阻率可達到8.2×10-4Ω-cm、遷移率10.1cm2/V-s、載子濃度7.52×1020cm-3，。 但在退火過程中，由於shallow donor的氫，極容易溢出薄膜，使載子濃度在500℃，從原先8×1020cm-3下降至5×1019cm-3，從此結果得知，FZO:H在高溫中使載子容易流失。 FZO:H雖不耐高溫，但在紅外光譜，表現極為出色；波長800~1800nm之平均穿透高達82%，而同波段下，其他TCO最高只能達到64%，對於利用到紅外光發電之太陽能電池相當有利。