現代科技簡介 Introductory Modern Technology

近期物理相關之研究發展

電荷耦合元件

電荷耦合元件 (Charge-Coupled Device {=CCD})
國立臺灣大學物理學系 陳昱璟

電荷耦合元件 (CCD) 是一種集成電路 (integrated circuit),於 1969 年由美國貝爾實驗室中的 Willard S. Boyle 以及 George E. Smith 所發明。兩人為尋找新的記憶體材料,想出再施加交替電壓使電荷於半導體表面上傳遞,可用來儲存及讀取訊號,然而後來發現加上利用光電效應產生光電子,整個裝置可做為影像的擷取。

直到 1970 年貝爾實驗室已經製造出第一個 CCD 晶片,雖為簡單之線性裝置,但已可捕捉影像,隨著製程技術的不斷進步,以及數位化時代的來臨,CCD 晶片不斷發展,有效像素數也不斷增加,如今 CCD 已廣泛運用在數位相機、掃描器上。

光纖雷射

光纖雷射(Fiber Laser)
國立臺灣師範大學 陳羿蓁

雷射的種類繁多,例如釔鋁石榴石雷射(YAG laser)、二氧化碳雷射、二極體雷射、光纖雷射等。不同形態的雷射由於激發介質、增益介質和共振腔的不同,其特性也各不相同,被各種材質吸收的程度當然也有所不同。

雷射早在約1960年就被發明,不久便有科學家想到要用低功率二極體作為激發介質,讓雷射在玻璃光纖裡面邊傳遞邊放大,最終得到所謂的「光纖雷射」。不過礙於那時候的科技限制和元件成本高,光纖雷射只用於實驗室研究,並不被市場上所接受。一直到2003年左右,低功率二極體的技術逐漸發達且成本降低,光纖雷射才跟著此趨勢廣泛應用在市場上。也因為光纖雷射的傳遞過程單純、就光源本身使用上是零耗材、效率又高,眾多的優勢讓光纖雷射成為目前雷射市場的主流。

Fig60-1-Fiber Laser

圖1 (陳義裕繪) 光纖雷射構造示意圖 (注意!因為真實雷射是近紅外光,非肉眼可見,所以圖中雷射光的顏色只是示意) 

紫外光發光二極體(UV LED)

紫外光發光二極體(UV LED)
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

所謂紫外光發光二極體指的是發光波長在紫外光區域的發光二極體。紫外光發光二極體又可以區分為三種波段:第一段是 UVA、第二段是 UVB、第三段式 UVC。

UVA 指的是發光波長在 $$320~$$400$$ 奈米。UVB 指的是發光波長在 $$280$$~$$320$$ 奈米、UVC 指的是發光波長在 $$280$$ 奈米以下。

UVA 因為最接近紫光,所以又可被稱為近紫外光(Near UV, NUV)。UVC因為接近X光,遠離紫光,所以被稱為深紫外光(Deep UV, DUV)。

UVA因為相對於其他紫外光而言波長較長,再加上核酸與蛋白質對這個波段的吸收比較低,因此近紫外光對生物體的損害較輕的紫外光。

雷射二極體

雷射二極體 (Laser diode)
臺中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

所謂雷射二極體是指利用二極體做成的雷射,屬於半導體雷射的一種。目前市面上常用的紅光雷射筆,就是一種雷射二極體。

常見的雷射二極體依照波長來區分,可以分為紅外線雷射、紅光雷射、藍光雷射與綠光雷射。常見的紅外線雷射大多是由砷化鎵(GaAs)所組成、常見的紅光雷射則由砷化鋁鎵(AlGaAs)或磷化鋁鎵銦(InGaAlP)所組成、常見的藍光雷射與綠光雷射則是由氮化銦鎵(InGaN)所組成。

發光二極體照明(LED lamp)

發光二極體照明(LED lamp)
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯
所謂發光二極體照明是指利用發光二極體作為照明光源的裝置。由於發光二極體(light-emitting diode, LED)具有省電、發熱少的特性,因此在近幾年,高效率發光二極體的研究成功以後,迅速滲透進照明市場,目前雖還未能全面取代日光燈的地步,但在電腦與手 機液晶螢幕的背光源,已能逐漸取代原本的日光燈成為新的背光源。

藍光雷射(Blue laser)

藍光雷射(Blue laser)
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

所謂藍光雷射泛指發出藍色可見光的雷射,常見的藍光雷射發光波長應界在360到480奈米。目前市面上最常見的藍光雷射是由中村修二(Nakamura)在日亞化學(Nichia)公司研發出來的氮化銦鎵雷射。

常見的藍光雷射結構,由n到p可以分成以下幾層:

半導體能帶與能隙

半導體 (Semiconductor) 能帶與能隙
高雄市立高雄女子高級中學物理科蔡宗賢老師/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

能帶結構與能隙

首先從單一原子開始,原子有分立的能階,當二個原子靠近時,每個能階分裂成一個上部和一個下部的階層,使得電子離開原來能階的位置。有更多的原子靠近形成固體時,階層的數量就會增加,因而形成能帶。

半導體包含許多能帶。最高的已佔滿電子的能階和最低空著電子的能階之間,形成一個大的能量差異,然後在能帶形成以後,已佔用的能帶和空著的能帶之間很可能會形成一個能隙。

掃描穿隧式顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope,STM)儀器架構

掃描穿隧式顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope,STM)儀器架構
國立臺灣師範大學物理系曾鈺潔碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

掃描穿隧式顯微鏡(STM)為何可以利用探針與樣品間的距離來顯示樣品表面影像,已在本討論區的文章–『掃描穿隧式顯微鏡原理』中說明,在此將對實際儀器架構的內容加以解說。
掃描穿隧式顯微鏡架構的示意圖如下。(圖片來源:維基百科)

掃描穿隧式顯微鏡原理

掃描穿隧式顯微鏡原理 (Scanning Tunneling Microscope,STM)
國立臺灣師範大學物理系曾鈺潔碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

 

掃描穿隧式顯微鏡 (STM) 是利用量子穿隧效應 (quantum tunneling effect) 探測晶體表面原子結構的儀器。其發明的原由皆在本站文章–「顯微鏡發展歷史–掃描穿隧式顯微鏡的誕生」中陳述;此文將進一步討論掃描穿隧式顯微鏡的設計原理。

顯微鏡發展歷史–掃描穿隧式顯微鏡的誕生

顯微鏡發展歷史–掃描穿隧式顯微鏡的誕生 (Scanning Tunneling Microscope,STM)
國立臺灣師範大學物理系曾鈺潔碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

掃描穿隧式顯微鏡(STM)是利用量子穿隧效應(quantum tunneling effect)探測晶體表面原子結構的儀器。由格爾德‧賓寧(Gerd Binnig)及海因里希‧羅雷爾(Heinrich Rohrer)在1981年於瑞士蘇黎世的IBM蘇黎世實驗室(IBM Zurich)發明,因其解析度可達次原子尺度,使兩位發明者榮獲1986年的諾貝爾物理學獎。

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