火眼金睛,無所遁形–光子與奈米材料共舞
 
2017/07/28
 
楊忠諺 | 國家實驗研究院國家奈米元件實驗室副研究員
 
 
活動(演講)時間:2017/06/02
 
在奈米尺度下,材料會顯現全然不同的物理與化學性質。目前的奈米科技即是藉由掌控電子與光子在奈米尺度下的材料或結構來探索這些特性,並有效率地製造與應用。為增進社會大眾對於奈米科技與日常生活關聯性的認識,本次演講將簡介半導體製程與本實驗室在奈米材料方面的發展,並利用簡單的科學教具,展示光子與材料之間的互動,加深學員對半導體製程與奈米科技的認識。本演講將使用較少的科學術語,以淺顯易懂的語言,透過隨手可得的材料,藉由親眼觀察光子與這些材料之間的互動,將背後所蘊含的科學知識,以寓教於樂的方式,傳授給社會大眾。
 
聽講心得(撰文|孫維新館長)
 
上週五(06/02)晚間的第六場春季展望演講,由國家實驗研究院國家奈米元件實驗室楊忠諺博士擔綱,楊博士以「火眼金睛,無所遁形-光子與奈米材料共舞」為題,帶領我們「Seeing the Invisible」,認識光子、半導體製程,與奈米科技的科學知識與日常應用。

首先,楊博士向大家強調跨領域合作的重要!他從大學開始,歷經了「上山下海」的求學經驗,直到臺大博士班畢業前,都專攻化學,卻在畢業之後因著服役,踏入了半導體製程和檢測分析的職涯,因緣際會跨界接觸到材料科學,也創造了不同的成果和貢獻。楊博士說明了生活周遭的「光」,平時大家在戶外看到的太陽光,藉牛頓色散實驗能將白光分出不同色光,這些色光實際上能以頻率區分,其中又以紫光頻率最高、能量最大。從太陽光譜中,我們可簡單分為:紫外光、可見光,和紅外光,而演講就是希望從不可見的光中讓某些東西現形,常見應用如紫外線防偽、紅外線監視器,和電視遙控器等。

楊博士接著介紹材料的種類,他將材料分為金屬、半導體,和絕緣體。金屬的導電性良好,這是因為金屬原子周遭的價電子,可以輕易的游走於價帶和傳導帶間。半導體與金屬不同,它的價帶跟傳導帶之間有較大間距,即為「能隙」;絕緣體能隙過大,因此無法導電。若將這三種材料比喻成樓梯:金屬就像是平地,半導體則是跨步不大的階梯,絕緣體則是太高太大的階高。

他接著提到現在相當熱門的奈米材料,它的定義是這個材料在三維空間中,至少有一個維度其尺寸介於1奈米到100奈米間。以大家可能佩戴的金銀戒指為例,一般稱作「塊材」,金色和銀色是大家都熟悉的顏色,但一旦物質分割到了奈米等級,便可能因為形狀與介質的改變,呈現出各種顏色。此外,金屬材料到了奈米等級也能分成兩種:金屬簇和金屬奈米粒子,奈米等級下的表面電漿和電子雲,能和白光產生作用。

楊博士也談到了「光致發光」,這是指物質吸收光子重新輻射出光子(或電磁波)的過程,表示物質經照光躍遷到較高階的激發態,因而發光。他進一步將光致發光分為三種:「下偏移」、「下轉換」,和「上轉換」。「下偏移」是藉著照射高能量的光子進而發出低能量的光子,例子為紙鈔和身分證的防偽檢驗,經照射紫外光而顯現影像。另外一例,還有以波長360奈米的光照射Au8和Au25後(大小不同的黃金粒子),會分別發出藍色和紅色金屬簇的螢光。之所以會產生不同波長的可見光,取決於照射的原子個數。楊博士把光的粒子性比喻成沙子或石頭,奈米粒子比喻為池塘,想像把不同的石頭投入不同形狀池塘裡,我們會看到不同的漣漪水花,就像奈米材料可呈現出多彩繽紛的顏色。

「下偏移」的量子效率小於1,「下轉換」的量子效率卻大於1,由此可比較出兩者的差異。楊博士說「下偏移」和「下轉換」,都是以高能量光子進入,「上轉換」則是將低能量的長波長光子,轉換成高能量的短波長光子,概念上可以想像成五枚一塊錢換成一枚五塊錢,但因收集五枚一塊錢所需耗費力氣不少,因此在轉換上顯得比較沒效率。

在光與半導體的交互作用中,可以分出兩種情形,一是光能大於或等於「能隙」,另外是光能小於「能隙」。前者會產生光與熱,後者則會「穿透」!如同小說情節,哈利波特穿牆進到九又四分之三月臺。楊博士講述了這種「穿透」的幾個應用實例,包括紅外線穿透8吋矽晶片,與紅外線解碼器的開發,還有熱影像的研究。在演講的最後,他也分享了自己獨一無二的名片:在名字的旁邊有個綠光,為作了「上轉換」的螢光粉,這樣也能防止偽造!透過今晚的演講,大家對奈米材料有了更多的瞭解,也期待這個領域能未來發展出更多有趣的應用!
 
 
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