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在黑暗中追尋光的男人

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撰文者:張玉明
發文日期:2018-08-07
點閱次數:1178
  • 聖經 創世紀  神初創天地。地是空虛混沌,淵面黑暗。神靈運行水面上,神說:「要有光」,就有了光。神見光是好的,就把光暗分開。神稱光為「晝」,暗為「夜」。從此天地有了白天跟晚上,這是頭一日。

    時至今日,雷射光譜科學家的日常則是:

    在黑暗中追尋光,只為了窮盡物理
     

    今年五月應物理雙月刊惠玉主編的邀約,希望我能介紹一下我們實驗室最近的研究工作,因此只能勉力為之,野人獻曝了。

    本人1998年在美國康乃爾大學結束博士後研究工作後,隨即返回台灣學術界服務,1998年回國應聘於花蓮東華大學物理系,2000年落腳於台北台灣大學凝態中心擔任助理研究員,並成為第一個進駐凝態物理新館的研究實驗室,倏忽之間已度過了二十年的研究生涯 (1998-2018)。
     

    回顧自己的研究興趣與歷程,從學術養成階段 (1991-1996美國加州大學河濱分校物理學博士),開創利用時間解析光學二倍頻技術探測半導體同調表面光聲子動力學的研究領域,到後來落腳台大凝態中心擔任助理研究員,成立「超快雷射光譜暨顯微技術實驗室」,最初十年(1998-2007)本人一直都是專注於研發超快雷射時間解析線性與非線性光譜技術,並運用於三五族半導體材料或其異質介面的聲子及導子動力學研究 [1]。最近十年(2008-2018)為了克服新穎材料及其奈米結構的光學量測需求,我們開始整合超快雷射光譜技術、傳統拉曼與螢光光譜技術、與雷射掃描共聚焦顯微鏡,建構完整的次微米尺度的雷射光譜顯微鏡平台,針對單一奈米顆粒進行時間解析、空間解析、與能譜解析的光學量測 [2]。

     

    跨領域學術合作 最近五年(2013-2018)我們實驗室共計發表 20 篇研究論文,這些學術論文的產出皆出於過去數年,我們以實驗室研發的雷射光譜與顯微影像核心技術為基礎,進行跨領域學術合作的成果。其中研究材料與主題涵蓋半導體奈米結構、非線性光學晶體、SERS 晶片、ZnO奈米線、NiO奈米顆粒、石墨烯、二維及三維機無機混成鈣鈦礦、離子植佈矽基板、矽奈米顆粒、Au-ZnO 奈米光觸媒、MEH-PPV高分子材料、金奈米天線、氮化鎵 LED 結構等各式各樣新穎材料;學術合作的對象則包括:美國維吉尼亞大學物理系S.-H. Lee、清華大學物理系果尚志、化學系黃哲勳、奈微所葉哲良、及材料系楊長謀、成功大學物理系羅光耀、化學系許桂芳、及材料系李玉郎、吳季珍、交通大學光電所盧廷昌、淡江大學物理系彭維鋒、台北醫學院郭聰榮、台灣大學凝態中心周方正、林昭吟、張之威、材料系陳俊維、及光電所林恭如。在這些共同發表的學術論文中,我們實驗室主要是針對各式新穎材料的線性與非線性光學特性進行探討並做出研究貢獻。在此要特別感謝所有願意跟我們合作的研究團隊,讓科學研究工作可以如此多元而精彩。我們認為這幾年來實驗室採取的跨領域學術合作策略與模式,具體提升了實驗室的技術能力及研究品質。其實台灣的科研社群規模很小,每個實驗室的研究資源也有其侷限性,我覺得如果大家願意用自己的學術專長,走出自我感覺良好的研究舒適圈,進行跨領域的團隊合作,或許更能感受科學研究的樂趣也說不定呢。以下挑選幾篇這幾年我們跨領域合作產出的代表著作,並簡述我們實驗室的具體貢獻。
     

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    我們2014 年最具代表性的研究成果是與清華大學化學系黃哲勳教授合作,利用我們實驗室建置的 Ti-Sapphire 飛秒雷射搭配雷射掃描共聚焦顯微鏡,研究金電漿奈米天線電漿子共振模態的雙光子光致發光調製效應,此研究解釋了奈米天線由吸收雙光子轉化成電漿子本徵共振模態,再透過可見光光譜輻射出來的過程,成果也順利發表於 ACS Nano [3]。
     

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    2014 年四月,我們利用實驗室自行研發的雷射掃描共聚焦顯微鏡技術,搭配 1064 nm 飛秒雷射光源,與清華大學物理系果尚志教授團隊合作,成功量測到單晶銀奈米結構的光學二倍頻光譜與影 像,並協助分析光學二倍頻的發光特性。經過漫長審稿過程,該研究工作於2015 年六月發表於 Nature Comm. [4],本實驗室能以實驗室自行研發的顯微雷射光譜與影像技術對此論文做出具體貢獻,深感與有榮焉◦值得一提的是我們與果尚志教授團隊的合作關係已持續十餘年,由於雙方對研究主題與研究品質的堅持,彼此激勵下常能在實驗研究技術作出具體突破,並建立亦師亦友的情誼,我覺得這是跨領域學術合作的一大樂事。
     

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    同樣地,我們實驗室與清華大學果尚志教授研究團隊在 SERS 基板的研究合作,經過多次的論文投稿與答辯過程,終於在2015年11月發表於JACS期刊 [5]。該研究解決了過去 40 年來 SERS 研究最令人詬病的訊號穩定性問題,清華研究團隊成功地製作出大面積且均勻 SERS 熱點的自組裝奈米銀顆粒基板,並證明此 SERS 基板具備單分子偵測的靈敏度與 SERS 訊號可量化的特性。我們實驗室在此篇論文的主要貢獻是提供具不同波長雷射光源的雷射掃描共軛焦的顯微拉曼光譜與 影像技術,成功地量測出 Crystal Violet 單分子的拉曼光譜,將 SERS 量測靈敏度提升到偵測單分子拉曼光譜的等級。

     

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    2017 年三月發表於 Scientific Reports 的學術論文 [6],是我們實驗室過去三年與交通大學光電所盧廷昌團隊合作的研究成果。其中交大負責提供商業用 GaN LED晶片,而我們則嘗試開發光學技術釐清LED發光效率drooping的可能機制與微觀證據。此篇論文我們的主要貢獻是使用客製的雷射掃描共軛焦顯微光譜技術建構LED晶片的3D顯微拉曼及螢光光譜影像,這是首次使用光學技術釐清LED的發光層與Sapphire 基板間的應力分佈關聯性,並以次微米的空間解析度觀測GaN V-Shape缺陷如何影響LED元件的光激導子傳輸路徑與其微區的PL光譜特性與效率。

     

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    2017 年七月發表於PNAS的論文 [7] ,美雙邊學術合作的成功案例,其中我們台灣團隊主要是負責有機無機混成鈣鈦礦 (HOIPs) 材料在可變溫環境下(-196°C ~ 350°C),雷射激發螢光光譜與時間解析螢光生命期的實驗設計、光譜量測與分析工作。台灣團隊的雷射光譜研究成果,提供了HOIPs太陽能電池高效率最直接且關鍵的實驗證據,解開HOIPs太陽能電池高效率的微觀物理機制。針對這次跨國的學術合作,我們曾在去年的物理雙月刊分享了整個合作過程的故事與心得感想 [8]。
     

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    最後,今年五月發表於Nano Letters的論文是我們實驗室與台大材料系陳俊維團隊長期學術合作的最新成功案例 [9]。根據陳俊維團隊提供的二維有機無機混成鈣鈦礦單晶 Ba2MAn−1PbNI3n+1 (n = 1, 2, and 3),除了制式的材料晶體結構分析,我們實驗室主要負責設計在變溫環境下(-196°C ~ 350°C)下,雷射激發螢光光譜與時間解析螢光生命期的實驗、光譜量測與分析工作。我們認為這研究成果將台灣團隊成長高品質二維鈣鈦礦單晶的實力與成績展示在全世界學術舞台,並將二維鈣鈦礦材料推到全新的研究競爭階段 : 如何成長單晶、研究其物理化學特性、並發掘其應用潛力。我們認為以目前全球科研高度競爭的氛圍,台灣研究學者唯有透過跨領域合作,才有機會迅速有效率地完成全球競爭型的研究成果發表,讓台灣的研究實力讓全世界科學家看到。我覺得這篇論文應可算是台灣高教追求「學術卓越」 的具體展現了吧。

     

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    結語 最近因緣際會下思辯了兩個本質性議題 : 究竟大學存在的意義與價值為何 ? 大學教授到底是職業還是志業 ? 過程中與同事們彼此分享了各自的想法,大家對大學定位與自身的角色,提供了相當多元的觀點與價值觀。當然自己從不認為這兩個議題存在標準答案,更覺得不應該有所謂的標準答案,然而從分享個人觀點出發,個人認為大學應該是人類知識累積與傳遞的場域,其中知識的累積需要研究與思辯,知識的傳遞則需要教育與分享,這兩件事皆須要大學教授窮盡一生的氣力去追尋與實踐,因此大學保障終身雇用與教授捍衛學術自由,正是大學的價值與教授是志業的基石。


    作者簡介

    張玉明研究員目前在台大凝態中心主持超快雷射光譜與顯微影像實驗室,除了致力探討半導體材料及其奈米結構的超快聲子與導子動力學,也陸續研發出各式時間解析線性與非線性雷射光譜量測技術,研究新穎材料的雷射光譜學。近年來更發展出涵蓋飛秒至微秒時域的時間解析螢光光譜量測系統及雷射掃描共聚焦光譜顯微技術,建構尖端且獨特的光學研究利器。目前作者實驗室除了透過跨領域合作持續追求學術卓越,更成立「台大凝態中心光電工坊」的產學合作平台,積極探索高教科研成果與產業鏈結的可能性。


    參考資料

    [1] 張玉明,“半導體的超快物理現象研究”, 自然科學簡訊第十八卷第四期113頁 (2006).

    [2] 張玉明, “凝態中心的半導體超快物理現象研究”, 物理雙月刊第卅六卷第二期 89頁 (2014)

    [3] W.-L. Chen, F.-C. Lin, Y.-Y. Lee, F.-C. Li, Y.-M. Chang, and J.-S. Huang*, “The modulation effect of transverse, antibonding, and higher-order longitudinal modes on the two-photon photoluminescence of gold plasmonic nanoantennas”, ACS Nano 8, 9053 (2014).

    [4] C.-Y. Wang, H.-Y. Chen, L. Sun, W.-L. Chen, Y.-M. Chang, H. Ahn, X. Li and Shangjr Gwo*, “Giant Colloidal Silver Crystals for Low-Loss Linear and Nonlinear Plasmonics”, Nature Communication 6, 7734 (2015).

    [5] H.-Y. Chen, M.-H. Lin, C.-Y. Wang, Y.-M. Chang, and Shangjr Gwo*, “Large-Scale Hot Spot Engineering for Quantitative SERS at the Single-Molecule Scale”, J. Am. Chem. Soc. 137, 13698 (2015).

    [6] H. Li, H.-Y. Cheng, W.-L. Chen, Y.-H. Huang, C.-K. Li, C.-Y. Chang, Y.-R. Wu, T.-C. Lu*, and Y.-M. Chang*, “Three dimensional characterization of GaN-based light emitting diode grown on patterned sapphire substrate by confocal Raman and photoluminescence spectromicroscopy”, Sci. Rep. 7, 45519; doi: 10.1038/srep45519 (2017).

    [7] T. Chen, W.-L. Chen, B. J. Foley, J. Lee, J. P. C. Ruff, J. Y. P. Ko, C. M. Brown, L. W. Harriger, D. Zhang, C. Park, M. Yoon, Y.-M. Chang, J. J. Choi, and S.-H. Lee*,“Origin of long lifetime of band-edge charge carriers in organic–inorganic lead iodide perovskites”, Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 7519-24 (2017).

    [8] 張玉明, “讓世界看見台灣 : 台美科學家聯手解開鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率之謎”, 物理雙月刊第卅九卷第五期19頁 (2017).

    [9] C. M. Raghavan,T.-P. Chen,S.-S. Li*, W.-L. Chen, C.-Y. Lo, Y.-M. Liao, G. Haider, C.-C. Lin, C.-C. Chen, R. Sankar, Y.-M. Chang, F.-C. Chou and C.-W. Chen* , “Low-threshold lasing from 2D homologous organic−inorganic hybrid Ruddlesden−Popper perovskite single crystals”, Nano Letters 18, 3221−3228 (2018).

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