| 國科會101年度傑出研究獎得主化學系劉如熹教授研究成果分享 |
| 臺灣大學化學系 劉如熹教授 |
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劉如熹教授實驗室主要為以材料化學核心技術(配方與合成、分析與應用)為基礎，發展各種具可應用於光轉換為光、電與熱之新材料，其將分別應用於發光二極體、水分解與生醫熱療，如圖1所示。 |
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| 圖1. 應用於光轉換為光、電與熱之新穎材料，其將分別應用於發光二極體、水分解與生醫熱療。 |
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劉教授實驗室主要獲得之重要研究成就及對學術研究發展之具體貢獻可以概括為如下幾方面：
(１) 光轉換光之白光發光二極體用螢光材料：
開發出多種新材料以及新配方。例如，以Eu2+、Tb3+、Sm3+為激發劑之ABPO4(A = Li, K; B = Sr, Ba)系統(晶體結構如圖1所示)發光性能研究，發現 KBaPO4:Eu2+、 LiSrPO4:Tb3+和 LiSrPO4: Sm3+之發光具極佳之熱穩定性。此外亦首次描述磷酸鹽化合物之熱猝滅(thermal quenching)原因，並提出其相應之發光機制圖(如圖2)。(J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 3021) |
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圖2. 左圖為KSrPO4之晶體結構，右圖為其發光機制圖。
(J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 3021.) |
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利用固態反應法製備新型氮氧化物螢光粉，其為M1.95Si5-xAlxN8-xOx (M = Ca, Sr, Ba)，並添加銪(Eu2+)稀土元素為發光中心。其中以陽離子尺寸錯位模型成功解釋氮氧化物發光性質之調變現象(cation-size mismatch tuning of photoluminescence in oxynitride phosphors)，如圖3所示。(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8022.) |
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圖3. 陽離子尺寸錯位模型導致陰離子造成特定之局部團促現象。
(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8022.) |
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利用固態反應法製備(Sr,Ba)2-xSi5N8:Eux，發現Sr1.9Si5N8:Eu0.12+並於300°C之空氣下受熱於其表面將產生非晶化(amorphous)之Eu3+層，使其發光產生劣化，對其實際應用於發光二極體，有重要之貢獻，如圖4所示。(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 14108.) |
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圖4. Sr1.9Si5N8:Eu0.12+並於300°C之空氣下受熱於其表面將產生非晶化(amorphous)之Eu3+層之高解析電子顯微鏡相片。(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 14108.) |
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(2) 光轉換電之奈米量子點與半導體柱結合於應用太能進行光解水產氫：
綠色科技能源研究中，為尋找替代燃料性能源所不可或缺的兩大元素—「氫」和「氧」，劉教授研究團隊利用特殊碲化鎘(CdTe)等奈米材質做為量子點的設計，結合兩個電極，利用隨手可得的太陽光和水，仿效植物的光合作用原理，進行類似人工的光解水作用，終於有效分離出「氫」和「氧」，成功化解以往氫氣難以取得的問題，而研究成果也證明，相較於傳統以觸媒轉化分離出「氫」的作法，此種方式的效率明顯提高許多。目前可堪稱以量子點敏化光觸媒於無添加犧牲試劑下光解水產氫效率之世界紀錄。(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 5966; 本研究成果獲2011年度之第九屆有庠科技獎(科技論文綠色科技類))，此舉將可促使氫氣燃料電池之實用化，亦使本研究藉由產氫而生電。最近更已發展以太陽能分解水產氫之各種光電極材料及其相關之設計策略。圖5(a) 說明太陽能敏化量子點之氧化鋅奈米柱、(b) 氧化鋅奈米柱(ZnO)及含碲化鎘之氧化鋅奈米柱(CdTe@ZnO)之光化學行為、(c) 含單層碲化鎘之氧化鋅奈米柱高解析電子顯微鏡相片與 (d) 含多層碲化鎘之氧化鋅奈米柱高解析電子顯微鏡相片。(Chem. Soc. Rev. 2012, 134, 14108)。 |
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圖5. (a)太陽能敏化量子點之氧化鋅奈米柱、(b)氧化鋅奈米柱(ZnO)及含碲化鎘之氧化鋅奈米柱(CdTe@ZnO)之光化學行為、(c) 含單層碲化鎘之氧化鋅奈米柱高解析電子顯微鏡相片與(d)含多層碲化鎘之氧化鋅奈米柱高解析電子顯微鏡相片。 (Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 5654.) |
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圖5. (a)太陽能敏化量子點之氧化鋅奈米柱、(b)氧化鋅奈米柱(ZnO)及含碲化鎘之氧化鋅奈米柱(CdTe@ZnO)之光化學行為、(c) 含單層碲化鎘之氧化鋅奈米柱高解析電子顯微鏡相片與(d)含多層碲化鎘之氧化鋅奈米柱高解析電子顯微鏡相片。 (Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 5654.) |
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(3) 光轉換熱之奈米Au材料於應用生醫熱療：
利用改良晶種協助法(modified seed mediated method)生長具微米 (~2 mm) 長度的金棒(Au-rod)，此長度為目前之世界紀錄。此項研究成果(J. Phys. Chem. B 109, 19533-19555)被評為J. Phys. Chem. B期刊Most-Accessed Articles (Oct.-Dec., 2005)，得到國際廣泛認同。此利用金棒之表面電漿共振可吸收紅外線產生熱，若其進入癌細胞，進而以紅外線照射，即可殺死癌細胞，從而達到治癌效果。本研究於2012年以題為"Architecture of Metallic Nanostructures: Synthesis Strategy and Specific Applications"於J. Phys. Chem. C 2011, 115, 3513以feature article發表，並做為當期雜誌之封面(如圖6所示)，當時並被評選為該雜誌點看率最高之10篇論文之一。目前此金棒成長技術已移轉給聚和國際股份有限公司開發治癌藥物。(J. Phys. Chem. C 2007, 111, 5909; Cryst. Growth Des. 2009, 9, 2079與J. Phys. Chem. C 2011, 115, 3513)。 |
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圖6. 奈米金屬合成與應用研究成果被刊登為2011年3月J Phys. Chem. C (Feature article)封面。 |
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劉如熹教授簡歷：
臺灣大學化學系教授，主要專長為材料化學。其研究領域涵蓋：1.白光發光二極體用之螢光粉，此部分已獲三十餘件國內外專利，對國內產業發展有重要之貢獻、2.奈米材料之合成與應用，其中所合成之金奈米棒長度可達微米之尺度，此成果獲國際重視與3.能源及磁性相關材料研究，主要應用於二次鋰離子電池、燃料電池等。
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其於1981年6月畢業于東吳大學化學系(學士)，1983年6月畢業於清華大學原子科學研究所(碩士)，1990年6月畢業於清華大學化學系(博士)。1992年6月畢業于英國劍橋大學化學系暨高溫超導中心(博士)。其1983年碩士畢業後即進入工業技術研究院工業材料研究所服務至1995年，期間擔任副研究員、研究員、正研究員及主任。1995年8月~1999年7月任臺灣大學化學系副教授，于1999年8月任臺灣大學化學系教授至今。
1989年獲國家青年獎章及工研院科技成果個人貢獻獎，1995年獲第四屆國家發明銀牌個人獎，1998年獲傑出青年化學獎章，2011年獲第九屆有庠科技獎(科技論文綠色科技類) ，2013年獲國科會傑出研究講。至今論文發表於國際期刊約400篇，獲得國內外專利80餘件，並列名於美國瑪奎斯世界名人錄。
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