人物專訪

國立清華大學物理學系 – 果尚志教授：人生就是每個當下加總的結果 [ 下載 PDF ]

林麗娥

在本期《科儀新知》245 期中，我們以「光學超穎材料/超穎介面及其應用」為專題，帶領讀者探索近年於光電科技領域迅速崛起、並被視為開創次世代光學元件的重要關鍵技術－超穎材料。此領域結合奈米製程、電磁理論與創新光學設計，使人們得以突破傳統材料的限制，實現前所未見的光操控能力。為了讓讀者更全面理解超穎材料的科學突破與未來應用潛力，我們特別邀請國立清華大學物理系的果尚志教授進行深度專訪。果教授不僅長期投入凝態物理、奈米光電與光電材料的跨領域研究，且目前擔任由國科會所指導的跨部會「量子系統推動小組」召集人，在臺灣的量子科技推動與跨領域整合上扮演關鍵角色。果教授的研究跨越不同材料世界，累積了量子科技與超穎材料研究所需的核心知識架構。因此，果教授不僅是本期超穎材料專題的最佳引路人，也是最能帶領讀者理解「材料如何引領科技、科技如何走向量子」的研究者。透過他的視角，我們得以回望材料科技的演進，也得以預見量子光電與超穎光學未來可能的樣貌。

光學超穎材料/超穎介面及其應用

「光學超穎材料/超穎介面及其應用」專題介紹 [ 下載 PDF ]

嚴大任

近十餘年來，光學科技的發展已逐步跳脫僅依賴材料天然物性的傳統框架，轉而邁向「以結構設計光」的新典範。其中，光學超穎材料 (optical metamaterials) 與超穎介面 (metasurfaces) 的興起，正是這場轉變的核心推力。透過次波長尺度的人工結構設計，研究者得以精準操控光的相位、振幅與偏振等，不僅突破傳統光學元件在體積、重量與功能整合上的限制，也為新世代光電元件與系統開啟嶄新的設計自由度與應用可能。基於此一重要發展脈絡，本人受邀擔任《科儀新知》第 245 期「光學超穎材料 / 超穎介面及其應用」專題之客座主編，特別邀請國內外長期深耕相關領域的學者，從基礎原理、製程技術到應用實例等不同切入點，系統性呈現光學超穎材料的研究現況與未來潛力，期望藉此促進學術研究與實務應用之間的交流與整合。

本期人物專訪特別邀請國立清華大學物理系果尚志教授。果教授現任國科會指導之跨部會「量子系統推動小組」召集人，其研究歷程橫跨材料科學、奈米光電與量子科技等關鍵領域。專訪內容以其學術發展為主軸，引領讀者理解不同物理尺度與研究領域之間的內在連結，這正是當前超穎材料與量子光電發展所不可或缺的核心知識基礎。此外，果教授亦分享其多年累積的行政與領導經驗，並以「人生就是每個當下加總的結果」為題，回顧在不同人生階段所累積的歷練與經驗，終將成為支撐個人前行的重要資產，亦為年輕世代研究者提供深具啟發性的思考視角。

在專題文章部分，首先由國立臺灣大學蕭惠心教授「超穎介面與奈米光子元件」從整體奈米光子學觀點出發，系統性說明超穎介面在超薄光學元件與感測應用中的核心原理與發展方向，為本專題奠定完整的技術全貌。國立中央大學光電科學與工程學系 – 王智明教授以「折射透鏡技術限制與超穎透鏡發展」為題，說明超穎透鏡在相位調控與輕量化光學系統中的優勢，並進一步探討結合傳統折射光學的混合式設計，如何在效率、製造可行性與商業化之間取得平衡。國立成功大學光電科學與工程學系－吳品頡教授：「微共振腔輔助多重高品質因子共振超穎介面於光波前操控」一文，則提出微共振腔輔助的多重高品質因子共振超穎介面平台，展示其在寬頻、多波長波前操控上的高度自由度，並於全像、結構性色彩與資訊加密等應用中展現亮眼成果。

本期亦特別邀請英國南安普頓大學物理與天文學院副教授、兼任學院國際長的歐俊裕教授，其「聚焦離子束製造光學超穎材料」從國際研究發展的角度回顧超穎材料近二十餘年的演進歷程。文章指出，儘管超穎材料早已在光學與奈米光子學中展現深遠影響，相關應用直到近年才逐漸找到明確利基，並開始進入消費型產品領域。文中進一步探討奈米製程技術的關鍵角色，包含利用聚焦離子束微影技術製作光學超穎材料，以及基於奈米機械結構所實現的可重構超穎材料設計，為未來高彈性光學元件提供重要技術路徑。

此外，國立陽明交通大學電子研究所 – 曾銘綸助理教授：「紫外超穎介面於前瞻光譜與奈米製造之應用」聚焦深紫外波段，介紹紫外超穎介面於前瞻光譜分析與奈米製造中的應用潛力，展現超穎介面在高能短波光學領域的關鍵角色；國立陽明交通大學光電工程學系 – 黃耀緯副教授：「以介電質雅努斯超穎介面產生方向性不對稱軌道角動量」，則以介電質雅努斯超穎介面為主軸，展示其在方向性不對稱軌道角動量操控上的創新成果，為微型化、多功能光場調控提供嶄新解方。

綜觀本期內容，光學超穎材料與超穎介面不僅是一項新穎的光學設計工具，更是一種重新定義光與材料互動方式的關鍵平台。期盼透過本專題的呈現，能協助讀者掌握此一快速演進的研究領域，並進一步思考其在未來光電科技、量子資訊與跨域應用中的長遠影響。

超穎介面與奈米光子元件 [ 下載 PDF ]

張元蔚, 劉艾音, 沈品甄, 曾思瑾, 蕭惠心

超穎材料為利用週期性次波長的微奈米結構來調控電磁波響應的人造材料，過去三維超穎材料受限於結構設計複雜在製程上具有挑戰性，以及金屬結構在光學頻率下本身存在的損耗，使得許多已提出的潛在應用仍難以實現。相較之下，具有較低維度的超穎介面在實現上更具可行性，超穎介面通常由具有空間變化幾何結構、且間距小於波長的微奈米結構陣列所組成，能夠調控電磁波的振幅、相位與極化響應，進而精確控制其傳播方向與波前形貌。藉由這些特性，超穎介面可應用於發展各式各樣的超薄光學元件，如超穎透鏡、波片、檢偏器、非線性光學元件、全像元件以及光學感測器等。

折射透鏡技術限制與超穎透鏡發展 [ 下載 PDF ]

徐肇謙, 陳彥鈞, 陳哲勤, 許維綸, 王智明

傳統光學透鏡雖廣泛應用，但單片透鏡無法有效克服像差，導致現代光學系統需採用多片透鏡組合，造成體積龐大與重量增加的問題。超穎透鏡 (metalens) 基於次波長尺度的超穎表面 (metasurface) 結構，透過奈米結構陣列實現精密相位調控，具備輕薄、重量輕及易於整合的優勢。相較於傳統菲涅耳透鏡 (Fresnel lens)，超穎透鏡可提供像素化連續相位控制，完全消除菲涅耳透鏡常見的陰影區域，實現更高光學效率。然而，單片超穎透鏡若要同時實現高數值孔 (numerical aperture, NA)、消色差與像差校正，往往需要極陡峭的相位梯度。根據奈奎斯特取樣定理 (Nyquist sampling theorem)，高數值孔徑設計要求極小的單位晶胞尺寸，特別在透鏡外圍區域，而考量到元件的效率，每個菲涅耳區至少需 4 個相位採樣層級。這不僅大幅提高製造難度，也導致效率下降，限制了商業化應用。混合光學系統 (refractive and metalens hybrid optics) 結合傳統折射透鏡與超穎表面的優勢，提供實務解決方案。傳統透鏡負責主要聚焦，超穎校正器 (meta- corrector) 專注像差修正，可顯著降低相位梯度要求，簡化製造並提高效率。未來發展需克服製造成本挑戰，透過互補式金屬氧化半導體 (complementary metal-oxide semiconductor, CMOS) 相容製程技術推動商業化，混合光學系統在手機相機、醫療器材、車用光學等領域展現巨大應用潛力，有望成為下一代輕量化光學系統的主流方案。

微共振腔輔助多重高品質因子共振超穎介面於光波前操控 [ 下載 PDF ]

吳品頡

本文章提出一種新型微共振腔輔助之多重高品質因子 (high-Q) 共振超穎介面設計架構，結合光學法布里 –波羅 (Fabry-Perot)）腔體機制與厚度漸變分佈式布拉格反射鏡 (DBR)，成功實現橫跨可見光至近紅外波段的多波長高-Q 共振響應。相較於傳統單一共振或多工式超穎介面設計，本超穎光學架構能在單一平面元件中同時產生多達 15 個高-Q 共振峰，且反射效率不隨共振數目增加而顯著下降。此外，藉由將具幾何相位控制能力的電漿子超穎原子整合至微共振腔中，每一共振波長皆可獨立實現連續 2π 的相位調控與可調振幅響應，從而達成多波長光波前操控。實驗與模擬結果顯示，此結構可應用於多色向量全像、結構性色彩、光學資訊加密與高密度光場調制等先進奈米光學技術，展現高度的設計自由度與實用潛力。

紫外超穎介面於前瞻光譜與奈米製造之應用 [ 下載 PDF ]

沈上傑, 曾銘綸

超穎介面為次波長奈米結構組成之二維光學裝置，近年應用拓展至深紫外波段。深紫外光具高能量與短波長，廣泛應用於生醫光譜、材料分析、微影製程與超快雷射。本文探討深紫外超穎介面於光譜與奈米製造之應用，說明其在分子吸收與拉曼散射中的優勢，並介紹近年以鋁與矽材料實現深紫外共振拉曼增強之成果，及基於氮化鋁之超穎透鏡於成像與微加工中的應用。深紫外超穎介面具微型化、高靈敏與可整合等優勢，展現新世代光電元件潛力。

以介電質雅努斯超穎介面產生方向性不對稱軌道角動量 [ 下載 PDF ]

黃耀緯

雅努斯 (Janus) 超穎介面可根據入射方向靈活操控光場，已廣泛應用於從微波到中紅外波段的研究。然而，過往設計多依賴空間多工或垂直堆疊，導致製程複雜；此外，金屬型雅努斯超穎介面因材料特性，在可見光波段中存在顯著的歐姆損耗。本研究中，我們實驗展示了以二氧化鈦製作而成的單層雅努斯超穎介面，具備任意偏振控制能力，並在自旋與軌道角動量上展現方向性不對稱的功能。我們提出一種專為雅努斯超穎介面設計的新型瓊斯矩陣公式，成功在 532 奈米波長下，依照入射方向，高效率地產生兩種不對稱且具高純度的漩渦光束軌道角動量狀態。此創新實現了微型化且多功能的相位操控，可應用於雷射與光學合光器等領域，拓展其在各式應用場景中的潛力。

聚焦離子束製造光學超穎材料 [ 下載 PDF ]

歐俊裕

超穎材料已經存在近二十餘年，為光學和奈米光子學帶來了重大進展。儘管有許多基礎研究和多項預測應用，超穎材料直到最近才找到利基應用，並開始應用於消費型產品中。本文回顧、討論相關奈米製程，並提出使用聚焦離子束微影來製造光學超穎材料及基於奈米機械的可重構光學超穎材料。

科儀專欄

以 GaN/ScAlN- 基接面極化誘生 2DHG 提升 GaN p-FET 特性 [ 下載 PDF ]

洪茂峰

GaN p-FET 在電力電子應用中具有重要的角色，但受限於 p 型摻雜困難、歐姆接觸電阻較高及散熱不易等技術障礙的困擾，雖然相關技術持續發展，但仍難滿足 GaN 功率 IC 的要求。近年有研究以 AlGaN/GaN 的異質結構引入極化誘生二維電洞氣 (2DHG) 的策略，其突破傳統摻雜方法的物理限制使 p-FET 呈現 E-mode 行為並顯著提升特性。惟極化誘生 p-FET 的特性與 CMOS IC 的要求仍有差距，推測是極化作用未能優化之故，故近年極化誘生的研究遂聚焦於尋求更強大極化場的異質配對，如 III-N 族材料的 GaN/AlN、GaN/InGaN 或 GaN/ScAlN 等，其中以 GaN/ScAlN 最受矚目。然研發發現極化誘生技術仍需克服多種傳統技術挑戰，如磊晶技術、介面品質工程、元件設計與製程的相容等。因此，調控與優化相關參數以激發 GaN p-FET 的最佳性能仍是努力的重點。畢竟實現 GaN CMOS 功率 IC 的關鍵就在提升 GaN p-FET 性能，而 GaN/ScAlN- 基結構是目前最具潛力的方向。

當「延續摩爾」改寫為「系統效能密度的持續攀升」 [ 下載 PDF ]

童俊智

摩爾定律 (Moore’s law) 原指在成本最佳化前提下，單一晶片中電晶體密度隨時間倍增的產業進程。半世紀以來，矽基電子工業在幾何微縮所帶來的技術動能下持續蓬勃發展，而這整段進程始終遵循著同一項定律，並以此為指引不斷推升系統整體效能。然而進入二十一世紀後，縮小閘極與通道的尺寸逐漸逼近物理與工程極限，當矽通道尺寸降至數奈米以下，載子散射 (carrier scattering)、短通道效應 (short channel effect) 與熱散逸 (thermal dissipation) 等問題急遽放大，如再持續微縮，其性能回報將愈趨遞減、可靠度與良率亦受威脅。因此，產業重心自幾何縮放轉向功能與結構的縮放，例如應力工程、高介電常數 (high-k)／金屬閘、鰭式場效電晶體 (fin field-effect transistor, FinFET)、環繞閘極電晶體 (gateall-around field-effect transistor, GAAFET)、乃至互補式場效電晶 (complementary field-effect transistor, CFET) 等技術，藉由材料與結構創新延續效能密度的提升。然而這條路線也正逼近新一輪的基本限制，唯有透過更具轉型性的材料與整合方式，才能維持長期發展趨勢。在此脈絡下，二維 (two-dimensional, 2D) 半導體因具原子級厚度、能在極薄片狀結構下維持優良電性，並可透過三維 (three-dimensional, 3D) 堆疊導入全新元件架構，被視為承接超越摩爾 (More-than-Moore) 時代的關鍵材料平台。