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奈米線LED挑戰發光效率瓶頸

NanoScience
・2012/07/25 ・821字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

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圖片來源:Mike Deal aka ZoneDancer@Flickr,根據創用CC-By 2.0條款使用

相較於傳統平面 LED 的異質結構(heterostructure),以奈米線(nanowire)製作的 LED 不僅錯位密度低,光輸出效率因表面積—體積比大而提高,而且還能與便宜、大面積的矽基板相容。不過目前已知的奈米線 LED 通常有一個致命傷:隨著注入電流增加,量子效率上升太緩慢。

為了瞭解箇中原因,加拿大麥基爾大學(McGill University)的研究人員仔細研究了奈米線 LED 的發光特性,試圖釐清基本的載子損耗機制。該團隊發展出獨特的氮化銦鎵/氮化鎵量子點嵌入奈米線式(dot-in-a-wire)異質結構,發光特性可藉由改變量子點的大小或/及組成成份加以控制。他們展示了不含磷且製作在矽基板上的白光 LED,其內部量子效率在整個可見光譜範圍創下破記錄的 ~58%,他們也發現注入電流較大時,元件效能下降的主因是電子漏出活性區,而非以往認為的歐傑重合(Auger recombination)。

研究人員在量子點活性區與 p 型氮化鎵之間嵌入氮化鋁鎵層來阻擋電子,讓這種氮化銦鎵/氮化鎵量子點嵌入奈米線式白光 LED 在操作溫度高達 150°C 且入注電流密度超過 1000 A/cm時,效能依然不會明顯下降,此元件還表現出高度穩定的發光特性。不過,相較於傳統的量子阱 LED,奈米線 LED 的量子效率通常隨注入電流增加上升得太慢,例如量子阱 LED 的最大效能通常出現在電流密度為 10 到 20 A/cm之間,奈米線 LED 則要在更大的電流密度(>100 A/cm2)才能表現最佳效能。

該團隊透過測量電致發光與溫度的關係及模擬計算,認為在奈米線側面因表面態、缺陷及大表面積-體積比所導致的 Shockley-Read-Hall 重合(SRH recombination),是量子效率上升遲緩的主因,例如在室溫下且電流密度約 100 A/cm時,大約 40% 的載子重合屬於 SRH 重合。

該團隊認為這項研究釐清了限制奈米線 LED 表現的各種損耗機制,這些理解有助於研發實用的奈米線光子元件。詳見 Nanotechnology 23, p.194012 (2012) | doi:10.1088/0957-4484/23/19/194012。

譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Nanowire LEDs: study examines efficiency bottleneck—nanotechweb.org [2012-06-28]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-07-14] 

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NanoScience
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主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。

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頭髮禿禿該怎辦?國外研究有一種療程是以「低能量雷射療法(LLLT)」來照射頭皮
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/19 ・1752字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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本文由 蓓麗嘉國際 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳彥諺,皮膚專科陳昱璁醫師

看似無用的頭髮,除了防曬、保暖的功能外,還有外表上的美觀作用。「美觀」雖然乍看之下並不實用,但是,如果生得一張好看的臉,偏偏頂上荒涼,好看的外貌卻極容易因此而消減幾分。

以往在治療禿頭上,有四種主要方法:改善作息、塗抹含有米諾地爾(Minoxidil)成分的生髮水、口服抗雄性禿之藥物、植髮手術。不過,隨著科技進步,科學家們也不斷地探索著新方法!

目前除了上述四種常見方法外,還有另一種安全且可居家執行的療程,是以「低能量雷射療法(LLLT)」來照射頭皮,進而達到讓落髮毛囊重回生長期的方式。

毛囊(hair follicle)是毛髮生長的搖籃。圖/Wikipedia

什麼是低能量雷射療法(LLLT)?

低能量雷射療法,全名叫做 Low-Level laser(light) therapy。這是一種運用低功率雷射(通常是紅外線)來治療特定症狀的治療方式。低能量雷射與傳統雷射並不相同,傳統雷射是高能量的雷射,常用單位是瓦特(Watt),大多用在切割或止血等大手術上。然而,低能量雷射是能量較低的雷射,具有安全性外,用途也更加廣泛,常用於減輕疼痛、治癒傷口、神經再生等。

不過,會發現低能量雷射也許能增生毛髮,其實完全是歪打正著的結果,為何會這樣說呢?有個故事小插曲是發生在 1960 年代後期,匈牙利醫生恩德雷・梅斯特(Endre Mester)原本在進行一系列實驗,想證明雷射光到底會不會致癌。

他將小鼠背部毛髮剃光,再使用低功率紅寶石雷射光(694nm)照射,結果,小鼠並沒有因為照射雷射光而得到癌症,出乎他的預料,雷射光的照射,反而改善了小鼠背部剃毛區域的毛髮生長狀況。

恩德雷・梅斯特發現雷射光可以改善小鼠的毛髮生長狀況。圖/Wikipedia

這項發現,也引起了學界對於 LLLT 治療禿頭的關注。近年來,實際研究成果中也指出了患有雄性禿症狀的患者,在經過定時定量的低能量雷射照射下,能有效改善部分受試者的禿頭狀況。

雷射光與 LED 的差異

LED 光源就是家裡的省電燈泡,這些燈泡發出的光,波長較雷射光廣泛,也沒有特定方向性,此外由於光波的相位並不統一,會互相干擾影響光波的能量。

雷射光源的產生是來自雷射二極體,通過電流產生光後會在共振腔中共振,產生更多同波長的光。因此,雷射光源的波長較為單一,具有高度指向性,且相位一致,更容易控制能量。而這些性能也反映在價格上,雷射光源每 nW 的成本,更是高於 LED 光源近 100 倍。

皮膚專科陳昱璁醫師表示:「造成落髮常見的因素包括:雄性禿、壓力、產後落髮甚至是打完疫苗或確診後的副作用都有可能引發落髮,目前通過台灣衛福部核准改善落髮的治療方式有生髮水、口服藥、低能量雷射與植髮手術,而低能量雷射的優點是非侵入、無顯著副作用、可居家使用的生髮器材,不過,若雷射波長不同會造成波長干擾,建議民眾使用 650nm 單一雷射光,至於適合用什麼樣的方式治療建議民眾到門診由專業醫師評估。」

衛生福利部雙和醫院皮膚科主治醫師陳昱璁。圖/衛生福利部雙和醫院

在傳統的髮療法當中,皆存在著潛在的副作用風險,比如,使用含米諾地爾的生髮水,有可能會造成頭皮刺激不適,初期使用也可能有掉髮增加的情形,女性也偶有出現臉部多毛症的狀況;而口服藥常見副作用包含性慾減低、勃起異常、不孕等副作用。

陳昱璁醫師也提到:「雷射生髮帽屬醫療器材,若不當使用仍會造成傷害之虞,因此不鼓勵民眾自行購買,若有異常落髮徵兆,建議尋求專業醫師諮詢,才能對症下藥,找到符合自身需求的療程。」

所以頭髮禿禿別害怕!遇到落髮難題,不要遲疑,及早開啟適合的療程,才能盡早回歸頂上的繁榮景象。

※ 以上屬醫療資訊分享,任何療程效果與副作用因人而異,如有需求請以專業醫師建議為主。

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什麼是「近場光學顯微術」?為何它是開啟奈米世界大門的關鍵?
科技大觀園_96
・2021/12/01 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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近場光學顯微術可突破繞射極限,使我們看到奈米等級的光學影像。圖/孔瀞慧繪

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後,從 20 世紀後半⾄今,突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸(約為光波長的⼀半,以可⾒光來說約 200-350 nm),仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑,⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場(far field)與近場(near field)兩⼤類,這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長(約數⼗奈米)處進⾏量測,若有則為近場,其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度, 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺,專攻近場光學顯微術,屬於探針掃描顯微術(Scanning probe microscopy, SPM)中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術,家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術,依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中,最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM),其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流(註1),作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離,⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術,其以針尖接觸(contact)或輕敲(tapping)物體,藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒,得知物體表⾯的高低起伏。 

探針掃描顯微術(SPM)家族。僅示意,並未包含所有的成員。圖/劉馨香製圖,資料來源:陳祺

在探針掃描顯微術中,控制針尖與物體的相對距離是重要的課題,STM 可控制距離在一奈米以下,AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外,要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」,其尺度都會在微米級別以上,這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場,⽽導致晶格長度的伸長或者收縮,即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術,探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎,外加光源於針尖上,即為近場光學顯微術(Scanning near-field optical microscopy, SNOM),依照光源形式的不同可區分為兩⼤類: 

1. 微孔式近場光學顯微術(aperture SNOM,簡稱 a-SNOM) 
2. 散射式近場光學顯微術(scattering SNOM,簡稱 s-SNOM)

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖,先鍍上⼀層⾦屬薄膜,並打上⼩洞,讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出,得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上,並量測散射後的光訊號。其中,針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡(Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式,主要為量測拉曼散射光譜,即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱,透過探針鍍上⾦屬薄膜,即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果,來增強待測物的拉曼訊號,並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

(左)a-SNOM 所使用的探針,針尖上有微孔。(中)a-SNOM 原理:綠色箭頭表示光從上方經微孔射入樣品,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。(右)s-SNOM 原理:綠色箭頭表示光聚焦於針尖,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。光源與偵測器的位置可互換。圖/陳祺提供

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間,其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測,需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合,用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主,曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果,維基百科的 TERS 條⽬,也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後,陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM,兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上,因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM,以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外,穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易,是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式(contact mode)的 AFM 方式掃描,以防止輕敲式(tapping mode)起伏會干擾光訊號,代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡,能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅(在⼀個奈米以下),可以大幅提高 AFM 的形貌解析度,也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗,才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

不同的顯微影像比較。樣品為一種二維材料異質結構,左為結構示意圖,中為 AFM 影像,右為 a-SNOM 影像。AFM 能精確解析樣品的高低起伏,然而 a-SNOM 可解析樣品的光學特性。圖/陳祺提供

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度,但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性,經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM,因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度,來解釋近場光學所量測的結果,以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外,陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測,將針尖與光學元件整合在自製的腔體(cage system)之中,得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像,這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後,⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員,「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽,陳祺分享⾃⼰的⼼得:「是不可能兼顧的啦!先集中精神做好⼀件事,等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事, 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1:量⼦穿隧電流:在量⼦世界中,物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質, 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時,有不為零的機率穿過去,並產⽣穿隧電流(tunneling current )。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減,因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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行人號誌「小綠人」每走 2 萬步就會跌倒 1 次?——《臺灣都市傳說百科》
蓋亞文化_96
・2021/08/28 ・2264字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 作者/楊海彥, 謝宜安, 阮宗憲, 臺北地方異聞工作室 

行人號誌上的小綠人,每走兩萬步就會跌倒一次……

圖/©臺灣都市傳說百科 / 楊海彥、謝宜安、阮宗憲 [臺北地方異聞工作室] 作 / 葒 插畫 / 蓋亞文化出版

今天臺灣大大小小的路口,到處都能看到「行走的小綠人」,它出現在行人專用號誌上,提醒行人何時該通過馬路。一開始「小綠人」是慢慢行走,隨著號誌上方的秒數逐漸減少,「小綠人」還會快跑起來,並在讀秒為零的時候消失;此時,上方的秒數也隨之轉變為站立不動的「小紅人」。據說,這個小綠人每走兩萬步就會跌倒一次,許多人對此深信不疑,過馬路時紛紛緊盯著小綠人,只為了親眼見證這個瞬間。

行人專用號誌的起源,最早可以追溯到一九六一年的東德。當時東德的車流量大幅增加,使得交通事故和傷亡人數與之俱增,交通部於是委請道路心理學家卡爾·佩格勞(Karl Peglau)設計新的交通號誌,以改善這樣的情況。為此,卡爾將人車的號誌系統分離,並將單純的紅、綠燈號改為小人的形狀:綠色的小人姿勢形似箭矢,紅色的小人雙臂外張,形似路障,並稱之為「交通號誌小人(Ampelmännchen)」,行人專用號誌於焉誕生。不過,那時的交通號誌小人還不會移動。

東德交通號誌小人 (Ampelmännchen) 。圖/Wikipdia

一九九八年,臺北市政府參考世界部分城市的做法,打算將行人專用號誌加入讀秒功能,後來經過多家廠商的集體討論,最終又加入了小綠人走動的動畫。根據《聯合報》的報導,當時整個 LED 產業還處在萌芽階段,光是「要讓小人和數字同時能動,就花了一年多的時間去研發和設計程式」。終於在一九九九年三月十八日,全世界第一盞「動畫式行人專用號誌」,被設立在臺北市的松壽路和市府路口。

由於民眾反應良好,「行走的小綠人」很快就普及到全臺各地,於此同時,「跌倒小綠人」的都市傳說也隨之而生。根據報導,傳說是透過電子郵件傳播(當時的新聞稱之為「發燒信件」),這則傳說誕生得很快,雖然難以追溯出處,但可以確定至少在二○○○年左右傳說就已經出現——這點可以從二○○一年,黃麗群以筆名「九九」出版的《跌倒的小綠人》一書看出來。當中與書同名的篇章,便是以「跌倒小綠人」的都市傳說為主題,描寫兩個男人等待小綠人跌倒的故事。書中寫到:「有時候,不定期的(也有人說是每二十次),那個綠小人,在倒數兩秒快跑的時候,會跌倒。」而除了書中的版本之外,「跌倒小綠人」還有許多變體。

跌倒的時機,有人說是每兩萬步一次,也有人說是每二十次會有一次,而且只有在即將變換為紅燈時才可能見到。設計的動機,有人說是某個工程師無聊設計的彩蛋,有人則說是臺北市交通管制工程處的特殊設計,用以提醒行人隨時注意腳步。而除了跌倒之外,還有小綠人會倒立、走的腳步會跨得比較大,或是本該原地踏步的小綠人,卻會偷偷往前走一點點的說法。針對這些傳聞,當初主導設計的林麗玉受訪時曾表示,她們沒有設計小人跌倒的圖案,不過有時燈號故障,是有可能讓小人變成半身倒下的樣子。

事實上,「行走的小綠人」的確很常故障,二○○四年七月,《聯合報》便報導了許多行人專用號誌故障的消息;而二○○五年九月,《聯合晚報》一則〈小綠人累趴?〉的新聞,故障的小綠人顯得步履蹣跚,一副很累的模樣,顯示小綠人要因為故障而呈現跌倒的姿勢並非不可能。只不過,「跌倒小綠人」的傳說出現時間是那麼地早,顯然這則傳說之所以出現,並非單純只是號誌故障出現的錯覺。

首創於臺北市的動態式小綠人,如今在臺灣街頭隨處可見 。圖/WIKIPEDIA

對二○○○年左右的人們來說,會行走的小綠人絕對是新奇的玩意。如同其他都市傳說,我們如今已難以追溯傳說究竟因誰而起,但不難想像,這樣一個引起大眾廣泛討論的話題,要產生流言是多麼地容易。首先,並非所有人都知曉 LED 動畫的原理,對於科技的不了解,是讓謠言得以存在的原因;其次,「跌倒小綠人」的可驗證性,也讓這則傳說流傳得更加快速——每個初次聽過傳說的人,或許都曾像《跌倒的小綠人》裡的兩個男人一樣,等待著小綠人跌倒的瞬間吧。

有趣的是,從網路上關於「跌倒小綠人」的討論可以發現,《跌倒的小綠人》一書經常被人提起,並被作為支持都市傳說存在的證據。故事中,兩個男人最後真的看到小綠人跌倒——然而故事只是故事,自己的創作竟被拿來替都市傳說背書,這恐怕是作家始料未及的事。

參考資料

1. 維基百科,〈卡爾·佩格勞

2. 馮復華,〈小綠人,會跑步 台灣交通號誌 老外驚艷〉,《聯合報》,二○○四年四月二十六日,A5 版

3. 九九,《跌倒的小綠人》(遠流出版,二○○一年)

4. 馮復華,〈小綠人 倒數號誌 常故障 年底更新〉,《聯合報》,二○○四年七月二十二日,B2 版

5. 吳家詮,〈小綠人累趴?〉,《聯合晚報》,二○○五年九月三日,5版

——本文摘自《台灣都市傳說百科,2021 年 8 月,蓋亞文化

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蓋亞文化_96
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蓋亞文化,記憶與想像的國度。成立於2001年,致力於挖掘、出版台灣與香港、中國的華文原創作品,同時也譯介歐美日韓書籍。 2009年起,新增圖文漫畫品牌(原動力出版),透過圖像說故事,累積原創漫畫能量。 不論是文字作品或圖文漫畫,我們期許透過精準選書與合宜的編輯行銷,提供讀者多元題材的閱讀樂趣, 在作者與讀者,個人與社會,這個世界與其他世界之間,扮演文化傳遞者的角色。