虎尾科技大學光電與材料科技研究所學位論文
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本研究以四甲基矽烷（tetramethysilane; TMS）、氨氣與氧氣等混合氣體為源氣體，利用電漿增強化學氣相沉積系統（Plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD），在可撓式塑膠基板以及矽基板上製程，在低溫環境下製備有機/無機多層結構，藉由調變有機矽基薄膜及無機氮氧化矽薄膜的薄膜厚度來做多層堆疊，降低水氣的滲透路徑並提升機械撓曲特性，藉由鈣測法觀察水氣的滲透的情形，並研究薄膜的階梯覆蓋特性對於水氣滲透率的影響。 研究顯示，單層無機氮氧化矽薄膜100 nm擁有較好的薄膜品質(0.036 μm-g/m2/day)以及機械撓曲特性(臨界破裂點12.4 mm)，當加入有機矽基薄膜做為緩衝層後，多層結構的附著度皆提升至5B等級，另外，其三對最佳化有機/無機多層堆疊結構，因為有機矽基層大幅地降低了水氣的滲透路徑，超出了水氣量測儀(MOCON)的量測極限(5×10-3 g/m2/day)，故藉由鈣測法(Calcium test)量測水氣滲透率，於室溫環境下觀察其水氣滲透率約為3.333×10-5 g/m2/day，另外，利用自製撓曲冶具觀察一對、二對以及三對的多層結構，與單層無機氮氧化矽薄膜100 nm、200 nm、300 nm比較，其臨界破裂的曲率，也有明顯的改善，顯示出多層薄膜結構沉積在可撓式塑膠基板上具有較佳的機械撓曲特性，接著研究水氣通過裂紋的滲透機制，利用三對最佳化有機/無機多層堆疊結構與1 μm之無機氮氧化矽薄膜在撓曲至曲率半徑2.5 mm下，透過鈣測法的觀察顯示，其多層結構能有效地降低水氣滲透路徑，使水氣無法輕鬆地通過裂紋直接使鈣金屬氧化，而是僅由一部份的區域進行氧化，顯示出有機矽基層對於降低水氣滲透路徑的貢獻。 最後，本研究將沉積無機氮氧化矽薄膜在光阻圖案化結構以及矽膠微粒的矽基板上，藉由掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）探討其階梯覆蓋率，研究顯示，沉積在光阻圖案化結構以及矽膠微粒上時，側壁的薄膜厚度小於預期沉積厚度，影響氣體阻障層的阻障效果，其側壁覆蓋率分別為為64 %以及50.6 %，顯示側壁覆蓋率下降時，將會影響到無機氮氧化矽薄膜的阻障效果。
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本研究以微機電製程技術進行非對稱結構的高分子波導製作，並使用軟式微影模仁壓印技術結合全像干涉微影技術(Holographic Interference Lithography) 其週期可調且封裝成本低等優點，來製作光塞取多工器(optical add-drop multiplexer，OADM)元件。 此元件之波導結構分為兩通道一細一粗，在粗端波導底部利用全像干涉微影技術，製作布拉格光柵(Bragg Grating)於通道底端，形成非對稱的結構。製程中使用兩種不同的高分子材料填入波導，並且由折射率高的導光層和低折射率的批覆層所構成，達到全反射條件使光能在介質中進行傳遞。 本研究中以原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)、場發射掃描式電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscope，FE-SEM)等方法來觀察與探討波導結構，在量測的部分，以光頻譜分析儀與光波量測系統測量本元件之光學傳輸特性。
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本文主要以高分子非對稱波導結構來探討，以微機電的微加工技術為基礎，將波導結構微小化，並將波導結構製作至高分子材料上，配合此技術將其中一條波導通道遮蔽，接著利用全像干涉微影技術製作布拉格光柵於波導上，形成非對稱的波導結構，並藉由此技術，在具有布拉格光柵段的波導結構中的一小區段加入了高折射率的液晶以擷取出兩個波段為目的。 本文研究中，會以場發射掃描式電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscope，FE-SEM)與原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)觀察其波導結構及繞射光柵深度與週期，並配合近場量測技術中near-field coupling來觀察光飽和強度，最後以可調式雷射Tunable Laser來測量元件的穿透光譜與反射光譜。
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本研究本研究主體分為三大項，第一項是磷光系統製作藍色與白色有機發光二極體；第二項螢磷混合系統製作白色有機發光二極體 首先第一項磷光系統研究主題分為三大類，主題一研究雙層主發光體結構，利用兩種不同載子傳輸特性及能階差異的主發光體搭配藍色磷光摻雜物(FIrpic)製作藍色磷光有機發光二極體，由於雙層發光層結構其電洞電子複合區域會隨這工作電壓的改變產生遷移，造成白光元件會產生色偏的情形，因此本研究將利用捕捉電洞特性的紅色摻雜物材料(Os)在兩發光層接面處，可有效降低色偏的產生，以得到高效率白色磷光有機發光二極體。主發光體結構利用具電洞傳輸特性TCTA及雙極性傳輸特性26DCzPPY做為雙發光層的主發光體材料，藉由不同載子傳輸特性及能階的差異，使電洞電子在發光層內再結合機率提升，以提高元件發光效率。藍色磷光有機發光二極體在亮度為1000 cd/m2時，電流效率為35.1 cd/A，功率效率為25.6 lm/W及CIE座標為(0.144, 0.328)；再將捕捉電洞特性的紅色磷光摻雜物(Os)摻雜於於TCTA與26DCzPPY接面處，利用Os具有電洞捕捉的功能，使電洞可有效捕捉在其介面處，進而避免白色磷光元件隨電壓改變而發生的色偏的現象。在亮度為1000 cd/m2時，電流效率為34.4 cd/A，功率效率為22.0 lm/W及CIE座標從4至10 V偏移為"∆" x=+0.005，"∆" y=+0.004。 主題二研究單層混合式主發光體結構，研究降低電洞電子注入至發光層能階能障的影響，以提升元件載子注入效應，藉以得到較佳的再結合機率，提高藍色磷光元件發光效率。研究中利用單極性電洞傳輸特性材料(TCTA)與電子傳輸特性材料(3TPYMB)，以共摻雜1:1方式製作混合式雙極性主發光體結構。電流效率為36.0 cd/A，功率效率為27.5 lm/W。而紅色磷光摻雜材料Os則摻雜於單層混合式雙極性主發光層中間處，以得到高效率白色磷光有機發光二極體。電流效率為36.1 cd/A，功率效率為26.4 lm/W及CIE座標從4至10 V偏移為"∆" x=+0.019，"∆" y=+0.005。 主題三結合上述兩主題所提到的雙主發光體結構與單層混合式結構製作雙層混合式主發光體結構，研究中使用雙極性材料26DczPPy搭配具電洞傳輸特性材料TCTA與電子傳輸特性材料PPT透過共摻雜(1:1)方式製作雙層混合式主發光體結構，以提升電荷載子注入至主發光層，提升藍色磷光元件發光效率。其元件發光亮度為1000 cd/m2，操作電壓為4.4 V，電流密度為2.4 mA/cm2，電流效率為41.7 cd/A，功率效率為30 lm/W。紅色磷光摻雜物Os摻雜發光層中間，以製作高效率白色磷光元件。在元件發光亮度為1000 cd/m2下，操作電壓為4.6 V，電流密度為2.9 mA/cm2，電流效率34.0 cd/A，功率效率可達23.6 lm/W，在操作電壓從4至10 V，其CIE色座標由(0.311,0.357)偏移至(0.307,0.358) ("∆" x=-0.004，"∆" y=+0.001)。若再搭配BEF，元件電流效率可再提升至42.5 cd/A，功率效率達到29.5 lm/W。 第二項研究主題為螢磷混合式白光有機發光二極體，利用雙極性螢光主發光體材料BH-05搭配藍色螢光摻雜物EB-502作為藍光發光層及雙極性之磷光主發光體材料EPH-31摻雜Os作為紅色磷光發光層，並且將兩種系統間加入間隔層，能有效抑制能量的損失。其間隔層於兩發光層之間厚度為4 nm分別為BH-05 (2 nm)/EPH-31 (2 nm)及磷光發光層與電子傳輸層之間2 nm為EPH-31 (2 nm)，其發光亮度在1000 cd/m2時，操作電壓為4.5 V，電流密度微5.9 mA/cm2，電流效率17.5 cd/A，功率效率為12.5 lm/W及CIEx,y為(0.362,0.410)。
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市售上大部分所看到的經皮神經電刺激器主要是以低頻的電壓模式輸出，因為人體皮膚是呈電容性，因此要以低頻的電壓模式輸出，必須要提高電壓，以達到人體內離子細胞的活躍，刺激經絡的功效，如此會造成對人體皮膚的刺痛感。而本論文研製之經皮神經刺激器是利用電流模式輸出，所以不會對人體皮膚造成刺痛感且能達到刺激深層皮下組織的功效。本論文利用盛群單晶片微處理器(HT66F50)為核心，透過單晶片來控制周邊整合的硬體電路，主要功能為控制其波型強度與模式選擇。
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本研究利用射頻磁控共濺鍍系統，分別利用ZnO、AlN靶材，製作未摻雜ZnO薄膜、AlN-ZnO共濺鍍薄膜，並以AlN-ZnO共濺鍍薄膜作為阻障層，未摻雜ZnO薄膜作為活化層製作雙異質結構以及量子井結構，再藉由真空環境熱處理活化薄膜中的摻雜原子，量測熱處理後薄膜之光電特性、光激發螢光發光特性、薄膜成分以及薄膜結晶構造，分析薄膜內部自由載子的形成機制與型態。研究結果顯示，在AlN-ZnO/ZnO/AlN-ZnO雙異質結構以及量子井結構在真空熱退火後，平均穿透率均可達80%以上，由於AlN-ZnO/ZnO介面處鋁原子擴散取代鋅原子，提供更多的電子載子，因此，與未摻雜ZnO相比，雙異質結構以及量子井結構之電子載子濃度有明顯提升。接著將AlN-ZnO阻障層及未摻雜ZnO井層重複堆疊形成多重量子井結構，可以發現，多層結構能提供更多的位能井，使更多的電子與電洞被侷限於位能井區中，增加電子與電洞的復合數量，進而致輻射複合放射峰強度隨著量子井的對數增加而有明顯的增強現象，當量子井的對數增加至二十五對時，由於過多的薄膜堆疊，導致結構中應力的大量累積，造成結晶特性變差，進而導致多重量子井薄膜之發光強下降，即使在對數大於25對時，發光強度會逐漸呈現一水平之趨勢。
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本研究以氧化鋅奈米柱同質製作光電元件為研究主題，使用水熱法用不同濃度鋰摻雜氧化鋅奈米柱薄膜陣列，製作P型氧化鋅奈米柱薄膜陣列後再堆疊N型氧化鋅奈米柱，形成PN接面光電元件，減少晶格不匹配。其主要研究 大致可分為兩個大部分： 第一部分：使用射頻磁控濺鍍機在玻璃基板濺鍍一層鋁氧化鋅薄膜作為晶種層後，放入配置硝酸鋅、六亞甲基四胺與鋰不同濃度混合溶液中生長後，使用快速熱退火處理，接著量測霍爾效應分析儀、二次離子質譜儀、多功能X光薄膜繞射儀、光激螢光譜儀、高解析場發射掃描式電子顯微鏡、高解析場發射掃描式穿透式電子顯微鏡、紫外光-可見光光譜儀探討鋰不同濃度氧化鋅奈米柱薄膜陣列表面結構與形貌、載子種類(N or P type)、電阻率、載子濃度、載子遷移率、 光學特性。 第二部分：將P型氧化鋅奈米柱薄膜陣列，放入硝酸鋅、六亞甲基四胺之溶液 生長N型氧化鋅奈米柱，形成P-N接面氧化鋅奈米柱薄膜陣列後，塗上銀膠做為電極並使用太陽光模擬量測I-V是否有整流特性。
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壹、新型脫鎂葉綠素輔助甲醇分解 甲醇是一種具高能量密度、在許多環境下都保持液態的物質。以其為燃料的電池不需要像間接式電池般必須經過複雜的汽化產生氫氣的過程。一般，甲醇分解依賴鉑(Pt)或釕(Ru)作為催化劑，其中Pt效率較高，但是甲醇氧化過程中未完全氧化的含碳中間產物會殘留在Pt催化劑表面上(在酸性電解液中，可能以Pt=C=O吸附形態存在)，因而阻礙後續甲醇分子的吸附，導致Pt催化活性的降低，此即CO毒化(poisoning)效應。本研究以脫鎂葉綠素(pheophytin)進行甲醇分解。以簡單的化學電池結構實驗，使用不鏽鋼(stainless steel)作為負極、碳(carbon)棒作為正極、鹽酸(HCl)水溶液作為電解液，再以脫鎂葉綠素塗佈在負極後加入甲醇(CH3OH)。經測量放電曲線，發現可以得到可觀的電能。 貳、探討駐極體製作為粒子加速器之可行性 粒子加速器(particle accelerator)的應用很廣泛，即使日常生活中也常見到粒子加速器的應用，例如用於電視的陰極射線管及X-ray等設施，在各個科學領域更能看到它的應用。通常將帶電荷粒子加速到高能要耗費很多的外加能量，然而，駐極體(electret)是一種自身帶有電場的物體。本研究試圖以完全被動之駐極體取代高壓電源產生電場。首先以目前較為普及、但只帶弱電場之的鈦酸鋇(barium titanate, BaTiO3)進行CASTEP量子計算模擬其可行性。鈦酸鋇在絕對零度時晶格呈現三角晶系，自發極化軸方向為[111]，在室溫下呈現四方晶系，自發極化軸方向為[001]，自發極化強度Ps(saturated polarization)=26×10-2 C/m2。經使用Matlab計算在巨觀下鈦酸鋇晶體(2cm×16cm)的外部電場形狀與電場強度，外部電場呈現所需之連續性、電場強度約1000 V/m。初步研究顯示，利用鈦酸鋇晶體、不外加能量，欲將一個電子加速至50 keV需要約60公尺長的鈦酸鋇晶體結構。 參、新型能源收集方法:自動上鏈機構 本研究試圖產出一種受到震動後能長期持續充電的裝置。亦即，利用發條使機械能轉換為電能，包含一個上鏈擺陀、兩組磁鐵與線圈、發條裝置。實際上，其為利用上鏈擺陀將機械能儲存在發條裝置。第一組磁鐵位於上鏈擺陀，並且隨著上鏈擺陀運動與第一組線圈互相作用產生電流。第二組磁鐵藉由傳動齒輪連接於發條裝置，當發條裝置釋放機械能時，經由傳動齒輪帶動與第二組線圈互相作用產生電流。 發電裝置藉由至少兩磁性元件作為轉子進行發電，可以提升發電效能。另外，利用位於上鍊擺陀上之磁性元件來發電之方式，可以減少所需零件的數量，具有節省空間及降低成本之優點。機構擺陀與齒輪組件使用3D列印技術製作，使用銣鐵硼磁鐵尺寸為直徑D = 15mm、厚 = 2.5mm、1個直徑D =16mm、厚 = 5mm的線圈，整體機構體積54cm3輸出功率為7.71mW。使用精密齒輪可將機構體積縮小到18 cm3得到相同的輸出功率。
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本論文提出利用二次奈米壓印技術來降低導模共振元件的調制深度，來實現窄頻的光學濾波器。首先使用聚二甲基矽氧烷(PDMS)經由軟微影技術製作模仁，然後使用奈米壓印技術將光硬化材料之光柵結構翻印在玻璃基板上， 控制紫外光曝光時間使光硬化樹脂呈現半固化狀態，接著再使用PDMS製成的平面板對半固化的光柵結構進行二次壓印，利用這個可方法以降低光柵調製深度，製作成導膜共振濾波器時可以使線寬變窄。我們固定光硬化樹脂呈現半固化狀態之曝光時間，控制二次壓印的力量來控制光柵結構地調製深度，證實此製程具有良好的重現性。實驗結果顯示當施以最大壓力（2 kg）時，可使光柵調製深度從原先不加壓力之深度90 nm縮小至41 nm，共振角半高寬度最窄可達至0.1875˚，而共振波長半高寬度最窄可達至0.8 nm。
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本研究利用PPG(Photoplethysmogram)所量測的心跳訊號，藉由低成本的系統晶片MSP430擷取訊號並運算出其心跳間隔時間，再利用藍芽通訊將數據傳送至手機端進行相關頻譜轉換與心率變異分析，提供我們觀察自律神經協調性，不只提供自己了解身心狀況，也可以協助醫院醫生診療之用，整體系統具體積小方便攜帶、低成本、與簡易操作介面等特性。 所使用之系統晶片為MSP430G2553其記憶體為512 Byte、含一10 Bit A/D供量測系統截取量測訊號，相關量測訊號設定為取樣週期10ms相當於取樣頻率100 Hz取樣數目每200個為一個循環總共循環150次，系統晶片進行運算心跳與心跳之間間隔再將運算結果利用藍芽通訊將數據傳送至手機端進行相關頻譜轉換與心率變異分析，運算後主要的顯示項目為：TP(total power)、HF(high frequency power)、LF(low frequency power)、LF/HF(低高頻功率比)。