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色彩呈現新技術,噴霧法製備完美顯色鈣鈦礦量子點

PanSci_96
・2019/06/18 ・1337字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 591 ・九年級
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  • 量子點懸浮溶液,可調變不同鹵素成分,實現從深藍到紅外光光色的變化。圖/科技部提供

隨著顯示器技術的快速進步,由映像管電視、液晶螢幕顯示器、有機發光二極體(organic light emitting diode, OLED)至未來的 microLED ,呈現顯示技術的突破與進展。人類對色彩呈現的追求越來越高,因此在顯示科技上仍有許多可以突破的空間。

清華大學材料科學工程學系林皓武教授研究團隊成功研發領先全球的創新技術——「噴霧合成法製備完美顯色多彩鈣鈦礦量子點」。

對比過去以注入法合成之鈣鈦礦量子點的結晶性、穩定性與量子產率較差,使其在應用與量產上受到限制。林教授研究團隊,除了突破以往鈣鈦礦量子點結晶性差與不穩定性,噴霧製程還大幅增加了工業上大量合成的可能性。本技術日前已經成功取得台灣專利,也吸引韓國首爾大學、美國田納西大學等國際研究團隊主動合作交流。

研究團隊利用簡易且低成本的噴霧合成技術,開發出具有量子產率趨近於100%、高色純度高穩定度之鈣鈦礦量子點,其放光波長與頻寬符合下世代Rec.2020超廣色域規範,適合用於各顯示器技術;其獨特的光物理性質,更讓它們有機會實現室溫運行的量子計算。

此研究成果於2018年獲得國際知名期刊Advanced Materials報導,並得到背封面的重點特寫。圖/科技部提供

鈣鈦礦量子點調色方式

鈣鈦礦量子點只要透過改變組成成份即可調色,相較於三五族半導體量子點僅能透過篩選粒徑大小調整放光波長,鈣鈦礦量子點具有相當大的優勢。

在本研究中,清華大學林皓武教授研究團隊利用其研發出的噴霧合成法,將鈣鈦礦前驅物於反溶劑中析出產生奈米等級的鈣鈦礦晶體,再以離心方式分離並萃取粒徑大小較一致的鈣鈦礦量子點,此製程之鈣鈦礦量子點的光致發光量子產率在溶液中及固態薄膜皆可以達近100%。

透過調整鈣鈦礦的成分,生產出一系列由深藍色至近紅外光的放光,適合應用於microLED之色彩轉換層材料,以實現全彩均勻的完美顯示器技術;同時,利用鈣鈦礦量子點之高量子產率與高穩定性的特性,使其在室溫下能夠達到光子反聚束的特性,為理想的單光子源,增加了室溫運行量子計算之可行性,也減少了對超低溫系統的能耗依賴。

技術的實際應用

OLED電視。圖/wikimedia

OLED為目前最新的主動式發光顯示器技術,由於仍有壽命與耗能等問題,microLED之發展為勢在必行,不過 microLED 也具有許多問題需被克服,如巨量轉移、低色均勻度等。本研究中的鈣鈦礦量子點在RGB三種色光下,皆具有超高色純度與高量子產率,若將其與 microLED 結合,可以達到全色域、高純色與高穩定度之顯示器,並且有機會能夠解決microLED所面臨的問題。

此一技術已受到國際上相當程度的關注,然因本技術仍在研發階段,期盼後續能進一步推廣技術並與相關產業進行連結,希望未來能引進各領域前瞻技術進行跨領域產業結合,推動新穎光電科技與相關產業,以及推動技術產業化。

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PanSci_96
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泛科學專題:我念XX系,我現在是 OO
PanSci_96
・2019/05/10 ・709字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 456 ・五年級
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不論是推甄繁星填志願,選科系時,爸爸媽媽阿姨叔叔還有隔壁鄰居總要你想想你要唸的XX系未來出路是什麼。但在這世界好快心好累的時代,我們大學修的很多學分都很難學以致用,「不務正業」、做著跟大學主修乍看沒什麼關係的工作,可能才是常態!

已經出社會的人們啊,你大學念什麼系?現在又正在做什麼?

我們收到了大家的踴躍投稿,相關內容參見如下,並收錄至 特輯:我念XX系,但我現在在做OO !

原始徵文內容:

五月的主題是:我念XX系,但我現在在做OO

不論是推甄繁星填志願,選科系時,爸爸媽媽阿姨叔叔還有隔壁鄰居總要你想想你要唸的XX系未來出路是什麼。但在這世界好快心好累的時代,我們大學修的很多學分都很難學以致用,「不務正業」、做著跟大學主修乍看沒什麼關係的工作,可能才是常態!

已經出社會的人們啊,你大學念什麼系?現在又正在做什麼?跟我們分享吧!

  1. 請告訴我們:
    • 你是怎麼開始從事這份工作的?大學的訓練跟它有關係嗎?
    • 日常工作內容有哪些?最常面臨的考驗是什麼?
    • 周圍的人/家人對於工作內容有哪些誤解
    • 對於有志從事同業的讀者們有哪些建議
  2. 徵文時間:即日起至 5/31止
  3. 稿酬細節:每篇字數範圍 1500-2000字,如蒙錄用將於投稿一周內回覆,稿酬 1000元整
  4. 請將文章寄到:本次已經截止囉。

感謝大家的踴躍投稿,相關內容收錄至特輯:我念XX系,但我現在在做OO !

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不只台灣,德國和祕魯恐將於2017年與Elsevier學術期刊分手
valerie hung
・2016/12/29 ・1605字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 532 ・七年級
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  • 首圖來源:thomas claveirole@flickr, by CC2.0

總部位於荷蘭阿姆斯特丹的愛思唯爾(Elsevier),是世界上最大的學術期刊文獻出版社之一,旗下出版品超過 2500 本,包括知名學術期刊《刺胳針》(The Lancet)、《四面體》(tetrahedron)、《細胞》(Cell)等,佔全球學術期刊數量的四分之一。不過許多台灣、德國和秘魯的科學家,將迎來無法瀏覽 Elsevier 電子期刊資料庫的一年?

學術期刊出版巨人 Elsevier。
學術期刊出版巨人 Elsevier,旗下有超過 2500 本期刊。

面對國際學術期刊強硬的包套訂閱方案及逐年增長的費用,全球學術圈都叫苦連天。即使有大學嘗試以退訂、拒絕投稿和鼓勵研究成果採開放形式(open access)發表做抵抗,最後往往還是為了自家研究人員,選擇與出版社妥協。

但荷蘭學術圈決定採取更積極的行動。面對漲漲不休的年費,2015 年荷蘭政府出面協助談判,希望 2016 年開放四成荷蘭研究者的論文,可惜 Elsevier 不賞臉,隨後 14 所荷蘭公立研究大學組成的學術聯盟展開聯合杯葛,向 Elsevier 施壓。經過一番角力,最終以荷蘭學術聯盟再多付一點費用,而 Elsevier 同意到 2018 年開放三成荷蘭論文的階段性目標達成協議

學術界團結起來,抵制期刊付費高牆?

隨著荷蘭學術圈的反撲,2016 年年底,德國與台灣的學術圈也決定「硬起來」。

由德國國立大學、技職學校、研究機構與公立圖書館組成的 DEAL 聯盟,今年 12 月和 Elsevier 出版社討論 2017 年合約時遇到困難,他們希望所有德國科學家的論文都能開放,但 Elsevier 卻端出定價更高,且不含開放使用條款的方案,導致談判破裂。聯盟發言人希普勒(Horst Hippler)表示:「我們實在無法接受 Elsevier 目前的提案。」預計 2017 年 1 月重啟談判。

數百家德國大學不會立即「斷炊」,因為他們在 DEAL 成立前,多半有和  Elsevier 簽過自己的合約,但仍有 60 多間機構將受到衝擊,就看要不要和出版社單獨議價。

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圖/Mr impossible@wikipedia, by CC3.0

同時間在台灣,台灣大學圖書館 12 月 6 日發表聲明,因無法負擔固定漲幅 4%且不得刪訂期刊的方案,2017 年起停訂 Elsevier ScienceDirect 期刊。聲明中表示:

「該公司在期刊出版的壟斷現狀,以及不合理的訂價政策導致過於昂貴的訂費,早為全球各大學所詬病。」

台灣學術電子資訊資源共享聯盟(CONCERT)也在 12 月 7 日宣布,Elsevier 的 ScienceDirect 電子期刊全國購置費用逐年不斷攀升,2016年較 2008 年增加了 53%。經多次談判減價或削減期刊訂閱數無果,暫緩和 Elsevier 更新合約。許多大學校院圖書館與研究機構都表示支持 CONCERT 抵制 Elsevier 的行列(註:CONCERT 目前有 215 名會員,包含台灣眾多國、私立大學、科技大學、學院、專科與中研院等研究機構)

其實所處研究單位不續訂,研究人員還是有幾種合法管道可以瀏覽新出爐的論文。例如使用國際期刊文獻傳遞服務(Rapid ILL)、透過圖書館的館際合作調閱文獻、向原作者尋求論文原本、向作者所屬單位的機構典藏平台詢問,以及查詢網路資源如 Google Scholar。

除了德國和台灣的學術圈反彈,祕魯政府則是因為不明原因,砍掉秘魯科技委員會(CONCYTEC) 2017 年的 Elsevier Science Direct 及 Scopus 電子期刊訂閱補助金。

一位 30 歲的祕魯植物學家低調表示,未來會改透過非法網站如 Sci-Hub 下載論文,所以不太擔心,他身邊有 95% 的人都是這麼做的。但也有祕魯科學家不願意使用 Sci-Hub,認為這不是長遠之道,「希望政府了解資料庫的重要性」。(註:Sci-Hub 由哈薩克研究生艾爾巴金(Alexandra Elbakyan)在 2011 年創立,她攻讀碩士時因學校沒有期刊資源,改透過各種管道尋求研究文獻,這個經驗讓她開發 Sci-Hub 網站,收集付費期刊並供人免費下載,幫助各國貧窮的學生與科學家。想了解更多請參考報導者。)

 

參考資料:

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2 萬張蛾類影像 2048 維特徵,抽絲剝繭找出臺灣蛾類色彩與海拔環境的關係
PanSci_96
・2019/10/28 ・1396字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 569 ・九年級
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  • 圖/中研院提供

早在 19 世紀,英國博物學家華萊士(A. R. Wallace)就已留意到生物的色彩多樣性會隨著環境梯度變化,近年來也有不少發表於知名期刊的相關論文。然而此領域的發展一直受限於如何取得質、量兼具的影像資料,以及客觀量化生物的視覺特徵(如體色與紋路等),故未有解讀出一致的變化趨勢。

中央研究院生物多樣性研究中心沈聖峰副研究員與資訊所陳昇瑋研究員領導之研究團隊,結合蛾類公民科學資料與人工智慧深度學習技術發現,蛾類色彩多樣性會隨著海拔下降而增加,同時蛾類的身體與前翅相對於整體的明暗度有隨海拔升高而下降的趨勢。

研究在預測稀有種分布、生物與環境的對應關係有突破性的發現,這個成果對於高度多樣化分類群中的稀有物種相當有價值,特別是那些可能導因於人為氣候變化而經歷分布範圍變化的物種。除此之外,了解生物色彩特徵,亦是製造仿生材料的重要參考資料。

結合人工智慧方法與公民科學資料,找到研究突破口

目前已知臺灣約有 4 千 4 百種蛾類

這篇論文中的資料,多數源於 2011 至 2016 年行政院農委會特有生物研究保育中心副主任林旭宏與研究助理施禮正帶領 103 位蛾類公民科學志工,蒐集的逾 2 萬筆臺灣蛾類標本之數位化影像。這些影像經施禮正與本院生多中心博士後研究員吳士緯鑑定為近 2 千種蛾類。

蛾類色彩多樣,斑紋繁複,傳統色彩斑紋分析主觀且難度高。圖/中研院提供

和過往以人工方式決定視覺特徵的標記與量化方式不同

此研究以 2 萬筆影像為基礎,由研究團隊資訊工程師首先將標本資料去背、裁切,與縮放等標準化操作,應用人工智慧領域中遷移學習(transfer learning)的技巧,以殘差網路(residual network)迴歸預測物種的平均海拔分布,抽取出與海拔梯度相關之特徵,例如顏色和形狀。

蛾類色彩多樣性與海拔高度的關係

中研院生多中心吳士緯博士。圖/中研院提供

研究團隊進一步針對特徵分析,結果顯示蛾類色彩多樣性會隨著海拔下降而增加,同時蛾類的身體與前翅相對於整體的明暗度有隨海拔升高而下降的趨勢。至於為什麼會有這樣的現象,團隊推測,可能源於較高海拔低溫導致利於吸熱的較暗體色適應,而根據色彩基礎轉換理論,可推論出暗體色限制了較高海拔蛾類的色彩多樣性

此篇論文也顯示,在生物議題上,長年的公民參與所累積的基礎資料能用於較大尺度或關鍵的議題分析,透過深度學習技術(deep learning),除了用於類群辨識(例如:田間蔬果或雜草的自動化篩選、非洲草原上的物種動態監測),也能使用功能性狀(例如:此篇論文的色彩斑紋)非常精確地預測稀有物種的分布,並將功能性狀分析與物種分布模式結合在一起。

論文的最後也點出「深度學習」可以幫助我們用前所未有的深度來解密複雜的自然現象,並對達爾文(C. R. Darwin)曾著迷的無窮無盡的自然形態變異(the endless forms of natural morphological variation)提供探索的起點。

  • 本文改寫自中研院新聞稿,原標題為〈解析 2 萬張蛾類影像 2048 層特徵 _人工智慧找出昆蟲色彩與海拔環境有關〉。
  • 論文:《Artificial intelligence reveals environmental constraints on colour diversity in insects
  • 此論文成果於 2019 年 10 月 7 日發表在國際頂尖專業期刊「自然通訊(Nature Communications)」。
  • 論文的第一作者吳士緯,目前於中研院生物多樣性研究中心從事博士後研究,共同第一作者張鈞閔曾任中研院資訊所科技替代役,目前為美國威斯康辛大學麥迪遜分校信號處理和機器學習學程學生。

編按:2019/11/14 標題引言用字微調。

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