| 國科會101年度傑出研究獎得主物理系蔡定平教授研究成果分享 |
| 臺灣大學物理系 蔡定平教授 |
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| 蔡定平教授實驗室主要利用電漿子學(Plasmonics)、超穎物質(Metamaterials)以及新穎的奈米製程技術(Nano Technology)探索在光學繞射極限(Optical Diffraction limit )之外的奈米光學( Nano-Optics )，研究內容結合了各類基礎科學之探索以及應用元件之設計製作與特性分析，包括近場光學(Near-Field Optics )以及奈米光子學 ( Nano-Photonics )等，以期應用於光操控(Light Manipulation)、奈米光源( Nano Light Source)、綠色能源(Green Energy)以及表面增強拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 等生醫科學( Biomedical Science )領域，如圖一所示。 |
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圖一、蔡教授實驗室基於電漿子超穎物質於各研究之應用方向示意圖，主要分成光操控、調控性、奈米光源、綠色能源以及表面增強拉曼散射等生醫分子感測技術。 |
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蔡教授實驗室近幾年之重要研究成果以及對於學術研究發展之主要貢獻可以概括為下列幾項：
(1) 設計適當之次波長結構，並搭配數學的座標轉換運算，藉此將金屬薄膜表面傳遞的表面電漿波轉換為遠場散射光並轉換成具有意義的特定圖像(Advanced Material, 2012, 25, 1118)，亦或是利用不同結構大小產生不同之相位調制達到光操控的效果(Nano Letters, 2012, 12, 6223)。此研究可應用在三維光子積體電路、 活體細胞成像、電漿子全像術、偏振光/頻譜光分光器、及表面電漿耦合器等發展。
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| 圖二、(a)-(c)金奈米突起(Gold nanobumps)於不同高度的聚焦行為，(d)三維表面電漿子投影器示意圖，(e)金奈米突起陣列影像及其(f)投影在4.64 μm高度平面之暗場影像，(g)超高效寬頻超穎表面結構及其(h)FDTD模擬結果。 |
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| (2) 製作馬爾他十字形(Maltese-cross)超穎物質並利用微機電制動器(Actuator)改變馬爾他十字形超穎物質之間的耦合狀態，進而達到調控其各向異性的光學性質(Nature Communications, 2012, 3, 1274)，如圖三所示。馬爾他十字形超穎物質將可被應用於製作兆赫茲波頻段的可調式相位延遲片以及可調式濾波器與偏振量測儀。 |
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| 圖三、(a)利用微機械調控馬爾他十字形超穎物質與入射光源激發方式示意圖。於不同偏移距離下e-偏振與o-偏振激發光源下相位差與穿透強度比率之實驗量測。量測的入射頻率分別固定於(b)3.0兆赫茲與(c)4.6兆赫茲。實心點與線分別代表量測值與趨勢線。 |
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| (3) 利用具有近場強度增益效果之表面電漿熱點(Plasmonic hot spots)造成表面增強拉曼效應(ACS Nano 2012, 6, 5190)，亦或是增加光觸媒材料電子電洞對之生命週期，以達到提升光觸媒材料對於汙染物分解以及水分解的效能，並探討侷域性表面電漿(Localized surface plasmon)於光觸媒催化反應過程中所扮演的角色(The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116, 26535-26542)。期望應用於分子光學感測、太陽能收穫、綠能產業以及分子生醫影像工業等。 |
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| 圖四、(a)銀奈米結構及其表面增強拉曼效應應用示意圖。(b)侷域性表面電漿與光觸媒催化反應架構示意圖。 |
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| (4) 利用增益介質與表面電漿環形矩(Plasmonic toroidal dipole moment)的耦合，使得環形矩共振模態能藉由集體共振而放出表面電漿同調光。由於環形矩共振模態具有反對稱的磁偶極矩對，抵銷了磁偶極矩於遠場之輻射，因此環形矩電漿共振模態之焦耳損耗較一般電漿子共振模態小，使得電漿子雷射較易實現(Scientific Report, 2013, 3, 1237)。此一研究結果可望應用於次波長光源以及奈米雷射等元件開發。 |
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| 圖五、(a)表面電漿環形矩雷射示意圖，表面電漿環形矩雷射包裹於增益介質(紫色)中。各極矩於增益介質之增益係數為(b)增益閾值與(c)增益峰值之輻射強度色散圖（左）與對應的環形矩共振模態的場形圖（右）。 |
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