Photomultiplier tubes(PMT)光電倍增管
光電倍增管是一種將微小光訊號強度放大成為脈衝電流信號。ㄧ般而言可以放大為原來光信號的10^8方倍數。因此，如果我們所欲測得的信號非常微弱，我們可以考慮使用光電倍增管這樣靈敏度高、可靠度好的電子信號偵測器。
也因為如此，我們就來談談這樣光電倍增管的使用原理。光電倍增管的結構中有光陰極(Photocathode)、光子聚集板、多層電極及陽極(Anode)。
首先，由外部的光子訊號傳到光陰極，再經由光陰極所產生的電子訊號聚集後集中後傳送至第一級的電極，經由電子傳送到第一級的電極形成2倍的電子訊號，之後再傳送到第二級的電極後，又產生為4倍的訊號，於此類推。一般而言，一個光電倍增管裡面有10片左右的多層電極板，可以產生約原來信號大小的10^9~10^11次方倍數，而且過程中僅僅約10^-8秒。
像光電倍增管這樣將光子入射至電極板後產生二次電子的光訊號，也有不少缺點，如光電倍增管有所謂的疲累現象，也就是說光電子的靈敏度會因為照射時間過久而降低靈敏度，或者是照射光度太強而降低靈敏度，以及光陰極的表面因污染或光陰極不均勻分佈而影響光電倍增管使用效益。
一般市面上的光電倍增管有Head-on及Side-on兩類。也就是接受光訊號不是在頂端頭部就是在側面接收光訊號。至於哪一類最好，完全是靠使用者的定義來選擇適合的使用。
光電倍增管的發明其實是我們之前所談論過的「光電效應」(Photoelectric effect)。利用光照射在金屬板上，金屬內的電子就會離開金屬表面，成為光電子(Photoelectron)。這與我們之前談論到的在日常生活中，去便利商店買東西時，有自動門會自動開啟。傍晚時，路燈會自動點亮，或者是連酒駕時的酒精測試儀都與光電效應息息相關。所以，光電倍增管可以說是再一次詮釋光電效應應用的最佳工業產品例子。
2008年10月1日 星期三
2008年9月30日 星期二
最乾淨的空間--無塵室clean room
無塵室(Clean room)
無塵室是半導體廠中最基本的必要設施之ㄧ。每當我們的元件設計需求越來越小時，微塵粒子(particles)的影響就越來越重要。所謂的微塵粒子就是一般所說的灰塵。只是當我們很在意半導體元件製作尺寸時，微塵粒子的大小及數量就很關鍵了。因為，如果微塵粒子大於或近似元件本身關鍵尺寸，這個元件就可能將來無法製作完成。因此，需要一間高等級的無塵室就很重要而且很需要。
無塵室一級來說可以分為七個等級，分別為；M-1, class 1, class 10, class 100, class 1000, class 10000, class10萬等級。有一點比較特別的是M-1是「每立方公尺」直徑大於0.5mμm的數目必須少於10個顆。而class1則是「每立方英尺」，直徑大於0.5μm的數目必須少於1顆，class 10則是「每立方英尺」直徑大於0.5μm的數目必須少於10顆，以此類推。這個定義很重要，凡是在半導體工作的人員都應當具備這些知識。
無塵室的結構一般而言都是由天花板送出空氣氣體(down flow)的0.2 ~ 0.4m/s的流速，再由網格狀地板回收，再經過物理性及化學性的過濾器到天花板送出空氣氣體，如此不斷地循環。一般在無塵室的溫度大約必須維持在23℃正負約3℃，而濕度約45%正負15%左右。
還有一點必須特別注意的是無塵室內部氣壓絕對要比室外氣壓大，主要是避免外部的髒空氣因氣壓差的關係跑到無塵室內，污染無塵室的潔淨度。所以，我們也知道一個大的無塵室空間內，若有些小區域需要更好的潔淨度，那這間小區域的氣壓絕對大於其它的空間。原因還是無它，就是擔心受污染。
既然無塵室那麼在意於受污染，那維持那這些潔淨度的程度關鍵就在人們在進入無塵室內需要著無塵衣、帽、鞋、口罩及手套等，因為無塵室最大的污染還是人們帶進污染物。所以，在無塵室工作的人員也需做好防護措施。有了適當這些裝備在進入無塵室時，仍要進入Air Show空氣淋浴室，及腳踏地板的黏著粒子膠墊，以確保在進入無塵室前將身體的污染粒子都完全移除。
無塵室是半導體廠中最基本的必要設施之ㄧ。每當我們的元件設計需求越來越小時，微塵粒子(particles)的影響就越來越重要。所謂的微塵粒子就是一般所說的灰塵。只是當我們很在意半導體元件製作尺寸時，微塵粒子的大小及數量就很關鍵了。因為，如果微塵粒子大於或近似元件本身關鍵尺寸，這個元件就可能將來無法製作完成。因此，需要一間高等級的無塵室就很重要而且很需要。
無塵室一級來說可以分為七個等級，分別為；M-1, class 1, class 10, class 100, class 1000, class 10000, class10萬等級。有一點比較特別的是M-1是「每立方公尺」直徑大於0.5mμm的數目必須少於10個顆。而class1則是「每立方英尺」，直徑大於0.5μm的數目必須少於1顆，class 10則是「每立方英尺」直徑大於0.5μm的數目必須少於10顆，以此類推。這個定義很重要，凡是在半導體工作的人員都應當具備這些知識。
無塵室的結構一般而言都是由天花板送出空氣氣體(down flow)的0.2 ~ 0.4m/s的流速，再由網格狀地板回收，再經過物理性及化學性的過濾器到天花板送出空氣氣體，如此不斷地循環。一般在無塵室的溫度大約必須維持在23℃正負約3℃，而濕度約45%正負15%左右。
還有一點必須特別注意的是無塵室內部氣壓絕對要比室外氣壓大，主要是避免外部的髒空氣因氣壓差的關係跑到無塵室內，污染無塵室的潔淨度。所以，我們也知道一個大的無塵室空間內，若有些小區域需要更好的潔淨度，那這間小區域的氣壓絕對大於其它的空間。原因還是無它，就是擔心受污染。
既然無塵室那麼在意於受污染，那維持那這些潔淨度的程度關鍵就在人們在進入無塵室內需要著無塵衣、帽、鞋、口罩及手套等，因為無塵室最大的污染還是人們帶進污染物。所以，在無塵室工作的人員也需做好防護措施。有了適當這些裝備在進入無塵室時，仍要進入Air Show空氣淋浴室，及腳踏地板的黏著粒子膠墊，以確保在進入無塵室前將身體的污染粒子都完全移除。
2008年9月23日 星期二
Sensors and Actuators in your life
致動器與感測器
這學期修了一們課 ”致動器與感測器原理(Sensors and Actuators: principle and applications)”。在討論這門課之時，我們必須應該知道何謂”致動器Actuator”及”感測器Sensor”。以老師上課的定義而言，先說明感測器Sensor: A device that captures information about the environment and converts it into a usable data signal.這句話的意示是，一個可以從環境中獲取資料然後再轉換成有用數據信號的元件。而致動器則為:a device that converts data signals into a useful modification of the environment.一個可以將數據資料信號轉換為環境的形式。
但從我過去學習經驗的定義中而言，我認為Sensor可以定義為:可以將所有物理及化學表現的狀態轉換成電子訊號的元件。Actuator則是定義為:一個可以將所有電子訊號去處理具有物理及化學現象的元件。所以說，Sensor或Actuator都是一種元件、裝置。他們的表現方式是相輔而成，只不過對於訊號、行為的轉換是相反的處理方式。不論是Sensor或者是Actuator都時常利用在我們的生活之中。比方說，我們目前最有趣的電子娛樂商品wii裡面則有一些Sensor及Actuator，其中感應我們速度動作的微加速器就是其中一例。再來，在汽車工業中也有一些感測器是應用在汽車中的安全氣囊，藉由碰撞到感測器之後驅動氣囊的開啟以保護乘車中的人員安全。
我們可以這麼認為，Sensor可以當作是一個機器人感覺器官，可以是眼睛的視覺、鼻子的嗅覺、耳朵的聽覺或嘴巴的聲覺。而Actuator則是我們的四肢，負責我們的行為如:拿東西、搬東西、推東西或傳遞東西等。這ㄧ些元件都可以說是仿造我們人類所有的行為。一切都是以”人”作為出發點去研製sensor或actuator的作動。但是，有一些感覺是機器無法完成的，例如:人的第六感(Sixth sense)就很難去研製出來。我認為這ㄧ類的sensor是需要靠情感(emotion)為出發點。但是，情感要如何去定義，所以先從定義而言似乎就很困難，更遑論要研製出一個能感測出人類第六感的sensor。因此，這是我認為最困難的部份。也許有些人會問，如何做出一個具有多種感測功能的感測器是一件很困難的事。但是，事實上這要看是用什麼條件去定義這ㄧ個多功能的感測器。有人會覺得具有三個左右感測功能就算多功能了，但有的人認為需要十個以上才算多功能sensor。比方說:一個嘴巴構造可以藉由聲帶震動發出聲音，但也可以具有舌頭一樣的功能感測出酸甜苦辣的感覺。這一切的感覺都可由一個嘴巴為代表，表現出各式各樣的功能。
總之，我認為將來不論是Sensor或Actuator都有可能結合起來在ㄧ個積體電路上成為超強多功能的晶片。但是，第六感的感測方式呢?也許路還很遙遠，但我真的很想知道能用什麼方式感測到人類的第六感。也許，將來發明出來這ㄧ個第六感感測器(sixth sense’s sensor)之後，我們也能和機器人做好朋友，向它們舒發我們的情感。
這學期修了一們課 ”致動器與感測器原理(Sensors and Actuators: principle and applications)”。在討論這門課之時，我們必須應該知道何謂”致動器Actuator”及”感測器Sensor”。以老師上課的定義而言，先說明感測器Sensor: A device that captures information about the environment and converts it into a usable data signal.這句話的意示是，一個可以從環境中獲取資料然後再轉換成有用數據信號的元件。而致動器則為:a device that converts data signals into a useful modification of the environment.一個可以將數據資料信號轉換為環境的形式。
但從我過去學習經驗的定義中而言，我認為Sensor可以定義為:可以將所有物理及化學表現的狀態轉換成電子訊號的元件。Actuator則是定義為:一個可以將所有電子訊號去處理具有物理及化學現象的元件。所以說，Sensor或Actuator都是一種元件、裝置。他們的表現方式是相輔而成，只不過對於訊號、行為的轉換是相反的處理方式。不論是Sensor或者是Actuator都時常利用在我們的生活之中。比方說，我們目前最有趣的電子娛樂商品wii裡面則有一些Sensor及Actuator，其中感應我們速度動作的微加速器就是其中一例。再來，在汽車工業中也有一些感測器是應用在汽車中的安全氣囊，藉由碰撞到感測器之後驅動氣囊的開啟以保護乘車中的人員安全。
我們可以這麼認為，Sensor可以當作是一個機器人感覺器官，可以是眼睛的視覺、鼻子的嗅覺、耳朵的聽覺或嘴巴的聲覺。而Actuator則是我們的四肢，負責我們的行為如:拿東西、搬東西、推東西或傳遞東西等。這ㄧ些元件都可以說是仿造我們人類所有的行為。一切都是以”人”作為出發點去研製sensor或actuator的作動。但是，有一些感覺是機器無法完成的，例如:人的第六感(Sixth sense)就很難去研製出來。我認為這ㄧ類的sensor是需要靠情感(emotion)為出發點。但是，情感要如何去定義，所以先從定義而言似乎就很困難，更遑論要研製出一個能感測出人類第六感的sensor。因此，這是我認為最困難的部份。也許有些人會問，如何做出一個具有多種感測功能的感測器是一件很困難的事。但是，事實上這要看是用什麼條件去定義這ㄧ個多功能的感測器。有人會覺得具有三個左右感測功能就算多功能了，但有的人認為需要十個以上才算多功能sensor。比方說:一個嘴巴構造可以藉由聲帶震動發出聲音，但也可以具有舌頭一樣的功能感測出酸甜苦辣的感覺。這一切的感覺都可由一個嘴巴為代表，表現出各式各樣的功能。
總之，我認為將來不論是Sensor或Actuator都有可能結合起來在ㄧ個積體電路上成為超強多功能的晶片。但是，第六感的感測方式呢?也許路還很遙遠，但我真的很想知道能用什麼方式感測到人類的第六感。也許，將來發明出來這ㄧ個第六感感測器(sixth sense’s sensor)之後，我們也能和機器人做好朋友，向它們舒發我們的情感。
2008年9月12日 星期五
離別是最好的開始
2008年9月12日是我在中央研究院工作的最後一天，也是我邁向人生中另一個知識殿堂--「國立臺灣大學」的開始。在中研院工作是我這一生中第一份正常的工作。我自認為自己是一個非常幸運而且非常幸福的人，能在這工作、學習、甚至認識許許多多在科學界有名的學者、研究員、科學家及交到許多好朋友。這一連串的過程是多麼難以令人想像的事，不過我卻嘗試到了。這是上天對我的眷顧也是對我的憐愛。所以，這一切的一切我會時常感激在心中。
太楓老師:
您的教誨與鼓勵我將永銘於心。您淵博的學識與學者的風範是我畢生追求的榜樣及學習的對象。並且對於你過去對我的期許，我將全力以赴達成，以回報當初對我的支持。
君山老師:
您是我進入中研院、參與跨國計畫的關鍵重要人物。沒有您當初的賞識我也沒有現在這般國際化視野。感謝您帶領我進入另一扇知識的櫥窗。未來我將繼續持續增加及參與國際化事業與活動並且回報社會，以謝您當初對我的提攜。
春燕老師:
感謝您在我中研院工作期間，給我不斷的叮嚀、教導。您每一次的敏銳的想法與精湛的邏輯思考，是我一直效法的對象。我一直確信，因為與您朝夕相處的學習，已經增加了我未來從事研究工作的能力。未來，我仍將持續發揚您當初對我的教導，讓更多人了解您那完善的做研究能力。
妮容、子琪:
在中研院工作期間讓我遇到許多工作上的貴人，也讓我遇見妳倆這麼患難與共的好朋友。妳們是我在中研院能持續工作的活力，也是我遇到挫折時能給我安慰的摯友。也許，未來無法再一起工作，但是妳們卻豐富了我在中研院美好的工作時光。真的謝謝妳們。
摯愛女友TINA:
感謝我摯愛的女友TINA這一路上的支持與鼓勵，也讓我有這個契機能進入中研院工作。能在中研院工作是我這生中感覺最棒的事之ㄧ。是你讓我實現這件那麼美的事。我一直認為今天能有這麼棒的工作資歷，這一切的榮耀除了歸功於天更要歸功於妳，也藉此向妳表達真摯的感恩與感謝。未來我將繼續為我倆美好的未來努力，不遑你一直以來對我的指引及鼓勵。
中研院中我遇到的貴人們:
感謝你們這期間對我的幫助，你們當初的幫助我將永銘於心，再次感謝你們。謝謝。
我一直是最幸運的人。能在全國最高學術機關工作、能參與美國NASA國際化跨國研究計畫、能在生命中遇見許多貴人、能在生命中適時的遇見幫助我的人，這所有的一切我將永遠懷著感激的心。我認真的自我期許，有朝一日當我能力越大時，我必定幫助更多的人，讓他們也能感受這生命中的溫暖，就像我此刻的心情一樣，離別中研院，更大步的邁向台大去追尋我生命中光明的天空。未來，我將正面邁向我還未完成的人生目標，昂首闊步向前行，繼續努力編織我未完成的理想。未來! 我來了!
太楓老師:
您的教誨與鼓勵我將永銘於心。您淵博的學識與學者的風範是我畢生追求的榜樣及學習的對象。並且對於你過去對我的期許，我將全力以赴達成，以回報當初對我的支持。
君山老師:
您是我進入中研院、參與跨國計畫的關鍵重要人物。沒有您當初的賞識我也沒有現在這般國際化視野。感謝您帶領我進入另一扇知識的櫥窗。未來我將繼續持續增加及參與國際化事業與活動並且回報社會，以謝您當初對我的提攜。
春燕老師:
感謝您在我中研院工作期間，給我不斷的叮嚀、教導。您每一次的敏銳的想法與精湛的邏輯思考，是我一直效法的對象。我一直確信，因為與您朝夕相處的學習，已經增加了我未來從事研究工作的能力。未來，我仍將持續發揚您當初對我的教導，讓更多人了解您那完善的做研究能力。
妮容、子琪:
在中研院工作期間讓我遇到許多工作上的貴人，也讓我遇見妳倆這麼患難與共的好朋友。妳們是我在中研院能持續工作的活力，也是我遇到挫折時能給我安慰的摯友。也許，未來無法再一起工作，但是妳們卻豐富了我在中研院美好的工作時光。真的謝謝妳們。
摯愛女友TINA:
感謝我摯愛的女友TINA這一路上的支持與鼓勵，也讓我有這個契機能進入中研院工作。能在中研院工作是我這生中感覺最棒的事之ㄧ。是你讓我實現這件那麼美的事。我一直認為今天能有這麼棒的工作資歷，這一切的榮耀除了歸功於天更要歸功於妳，也藉此向妳表達真摯的感恩與感謝。未來我將繼續為我倆美好的未來努力，不遑你一直以來對我的指引及鼓勵。
中研院中我遇到的貴人們:
感謝你們這期間對我的幫助，你們當初的幫助我將永銘於心，再次感謝你們。謝謝。
我一直是最幸運的人。能在全國最高學術機關工作、能參與美國NASA國際化跨國研究計畫、能在生命中遇見許多貴人、能在生命中適時的遇見幫助我的人，這所有的一切我將永遠懷著感激的心。我認真的自我期許，有朝一日當我能力越大時，我必定幫助更多的人，讓他們也能感受這生命中的溫暖，就像我此刻的心情一樣，離別中研院，更大步的邁向台大去追尋我生命中光明的天空。未來，我將正面邁向我還未完成的人生目標，昂首闊步向前行，繼續努力編織我未完成的理想。未來! 我來了!
2008年7月31日 星期四
不可忽視的光電效應(Photoelectric effect)
最近這幾天在研讀感測器時，就憑直覺的從光感測器方面著手。在研讀的過程中，發現光感測器的原理竟是「光電效應」(Photoelectric effect)。
在日常生活中，我們身邊有太多太多的物品與光電效應有關，例如: 去便利商店買東西時，有自動門會自動開啟。傍晚時，路燈會自動點亮，或者是連酒駕時的酒精測試儀都與光電效應息息相關。然而，成功詮釋光電效應的人就是近代科學最著名的Albert Einstein。也就是因為Albert Einstein能完全詮釋光電效應的現象，1921年Albert Einstein獲得諾貝爾物理獎。有一點要知道，Albert Einstein不是因為相對論而得到諾貝爾物理獎。這一點有許多人還不是很清楚。所以，要切記。
事實上，光電效應並不是Albert Einstein發現的現象。早在1888年，在法國的物理學家Hollwachs就曾發現利用光照射在鋅板上就會有「光致電離」的現象。剛開始，我以直不懂光電效應時，我看到「光致電離」這四個字就有點困惑。終於，了解之後我是這麼解釋「光致電離」這四個字的意思。光致: 光到了金屬表面，電離: 電子就離開金屬表面。所以，顧名思義，利用光照射在金屬板上，金屬內的電子就會離開金屬表面，成為光電子(Photoelectron)。
在這現象出現之後，就有許多科學家相繼研究光與電子之間的關係。一直到，德國物理學家P. Lenard歸納整理出三點:
1. 入射光的能量與光電子成線性關係。
2. 特定的金屬要產生光電子，需要有特定頻率的入射光。
3. 光電子的動能與光頻率乘線性關係。
隨後，1900年德國物理學家M. Planck提出光粒子說的概念。他認為光如電磁波一般塊包狀，稱之為量子(Quantum)。量子就是物理量中的最小單位，是個離散值。例如: 光子就是場或波所量化的粒子。而M. Planck在量子理論中，也提出微觀世界的尺寸: Planck constant = 6.626 x 10^-34 J‧S。Planck constant與光子頻率的乘積就是光子的「動能」。方程式為E = hv 。E為光子的動能。v為光子頻率。
Albert Einstein一直相信，光是以粒子的型態出現。也是光粒子說的代表人物。他認為光是不連續的，是離散的。而他也認為頻率越高的光子越能將金屬內的電子帶出表面，而成為光電子。就算是擁有強光源，配合紅光的頻率低、波長較長(能量低)也無法產生光電子。然而，若微弱光源配合藍光的頻率高、波長較短(能量高)卻可以產生光電子。因此，要產生光電子時，與光源的強度無關，反而是與頻率有關。Albert Einstein更提出要使電子離開金屬表面時所需要的功。成為日後知名的光電方程式: E = hv –Φ。Φ稱之為功函數。 以上這些理論最後都由美國物理學家Robert Millikan所一一證實。
因此，我們再來整理一次光電效應的結論:
1.光子的動能E與光子的頻率v呈線性關係。由光電方程式: E = hv –Φ得知，光子頻率越大，光子的動能就越大。
2.光源的強弱與光子數多寡有關。例如: 光源有強有弱，有兩個光相比較時，有的光源比較強，有的光源比較弱，就代表強光源包含的光子較多，弱光源包含光子較少。
3.個別光子的頻率決定個別光子的能量。例如: 若有光源強度一樣的兩個光，一個頻率高，另一個頻率較低。頻率較高可以產生光電子，頻率較低則不行。所以也可以說頻率高的光子能量較強。
總結，Albert Einstein的光電效應為了我們目前帶來了極大的便利性，也影響我們日後生活的重大改變。但是，Albert Einstein在他有生之年似乎沒有見到這些成果所帶來的便利性。反而是在他有生之年見到了他所提出的原子彈理論，並且改變了日後國與國之間的戰爭模式。這一點是多麼大的諷刺。所以，在應用或學習科學之時，多培養文人教育也是必要的。
從這裡我也發現Albert Einstein的成功似乎也不是他完全憑空想像而來，所有的見解都是出自於前人所發現的現象。 所以，平時多培養自己獨特的想法，多發揮想像力時，更要努力厚植基礎學科，提出更多具有理論基礎的假說或假設，或許有一天也能像Albert Einstein一樣成功的詮釋尚未成熟的理論。
在日常生活中，我們身邊有太多太多的物品與光電效應有關，例如: 去便利商店買東西時，有自動門會自動開啟。傍晚時，路燈會自動點亮，或者是連酒駕時的酒精測試儀都與光電效應息息相關。然而，成功詮釋光電效應的人就是近代科學最著名的Albert Einstein。也就是因為Albert Einstein能完全詮釋光電效應的現象，1921年Albert Einstein獲得諾貝爾物理獎。有一點要知道，Albert Einstein不是因為相對論而得到諾貝爾物理獎。這一點有許多人還不是很清楚。所以，要切記。
事實上，光電效應並不是Albert Einstein發現的現象。早在1888年，在法國的物理學家Hollwachs就曾發現利用光照射在鋅板上就會有「光致電離」的現象。剛開始，我以直不懂光電效應時，我看到「光致電離」這四個字就有點困惑。終於，了解之後我是這麼解釋「光致電離」這四個字的意思。光致: 光到了金屬表面，電離: 電子就離開金屬表面。所以，顧名思義，利用光照射在金屬板上，金屬內的電子就會離開金屬表面，成為光電子(Photoelectron)。
在這現象出現之後，就有許多科學家相繼研究光與電子之間的關係。一直到，德國物理學家P. Lenard歸納整理出三點:
1. 入射光的能量與光電子成線性關係。
2. 特定的金屬要產生光電子，需要有特定頻率的入射光。
3. 光電子的動能與光頻率乘線性關係。
隨後，1900年德國物理學家M. Planck提出光粒子說的概念。他認為光如電磁波一般塊包狀，稱之為量子(Quantum)。量子就是物理量中的最小單位，是個離散值。例如: 光子就是場或波所量化的粒子。而M. Planck在量子理論中，也提出微觀世界的尺寸: Planck constant = 6.626 x 10^-34 J‧S。Planck constant與光子頻率的乘積就是光子的「動能」。方程式為E = hv 。E為光子的動能。v為光子頻率。
Albert Einstein一直相信，光是以粒子的型態出現。也是光粒子說的代表人物。他認為光是不連續的，是離散的。而他也認為頻率越高的光子越能將金屬內的電子帶出表面，而成為光電子。就算是擁有強光源，配合紅光的頻率低、波長較長(能量低)也無法產生光電子。然而，若微弱光源配合藍光的頻率高、波長較短(能量高)卻可以產生光電子。因此，要產生光電子時，與光源的強度無關，反而是與頻率有關。Albert Einstein更提出要使電子離開金屬表面時所需要的功。成為日後知名的光電方程式: E = hv –Φ。Φ稱之為功函數。 以上這些理論最後都由美國物理學家Robert Millikan所一一證實。
因此，我們再來整理一次光電效應的結論:
1.光子的動能E與光子的頻率v呈線性關係。由光電方程式: E = hv –Φ得知，光子頻率越大，光子的動能就越大。
2.光源的強弱與光子數多寡有關。例如: 光源有強有弱，有兩個光相比較時，有的光源比較強，有的光源比較弱，就代表強光源包含的光子較多，弱光源包含光子較少。
3.個別光子的頻率決定個別光子的能量。例如: 若有光源強度一樣的兩個光，一個頻率高，另一個頻率較低。頻率較高可以產生光電子，頻率較低則不行。所以也可以說頻率高的光子能量較強。
總結，Albert Einstein的光電效應為了我們目前帶來了極大的便利性，也影響我們日後生活的重大改變。但是，Albert Einstein在他有生之年似乎沒有見到這些成果所帶來的便利性。反而是在他有生之年見到了他所提出的原子彈理論，並且改變了日後國與國之間的戰爭模式。這一點是多麼大的諷刺。所以，在應用或學習科學之時，多培養文人教育也是必要的。
從這裡我也發現Albert Einstein的成功似乎也不是他完全憑空想像而來，所有的見解都是出自於前人所發現的現象。 所以，平時多培養自己獨特的想法，多發揮想像力時，更要努力厚植基礎學科，提出更多具有理論基礎的假說或假設，或許有一天也能像Albert Einstein一樣成功的詮釋尚未成熟的理論。
2008年7月11日 星期五
有趣之光學歷史--光的特性(Optics)
究竟光是以「粒子」狀態存在，還是「波動」狀態存在呢? 這其實這是一件非常有趣且非常特別的故事。
首先，我們先來討論波動的形態。我們知道水波、聲波都很容易出現在我們的日常生活中。水波的產生可以藉由水、液體等介質產生並且傳播。而聲波的傳遞卻是藉由空氣傳播。你必須知道，還好聲波是需要介質才可以聽到聲音，否則地球以外的宇宙如果每分每秒都有隕石撞擊所發出來的巨響，那我們還真的受不了。
因此，既然波動的存在需要由介質才有可能發生，難道光的傳輸也是藉由某種介質，而發生傳遞的嗎? 如果光是由藉由空氣或液體傳遞，為何太陽光在傳遞到地球過程中，宇宙真空狀態還有某種東西存在，只是我們不知道嗎? 所以光究竟是不是一種波，以及這種光波到底是不是藉由某種物質來傳遞，成了以前科學家們一直很頭疼的問題。
有一些科學家因為一直百思不得其解，所以選擇提出一些光的定理，例如: 偉大的科學家牛頓則提出光是一種粒子型態產生。牛頓認為光是由非常微小的粒子所組成，而且速度極快，可以穿透明物質，若遇到不明物體還會反射或折射。牛頓認為光以粒子的形態出現，會呈直線前進，而且快速飛過。若光束交會時，因為粒子的體積極小，彼此也不會受到任何影響。再來，光有多種顏色，即因為光粒子有多種不同顏色。最後是光經過碰撞後，速度不會改變，原因是因為光粒子是完全的彈性體。
但是，妳必須知道，其實牛頓這些假設並不完全正確。這些光的粒子說，一直被1803年Thomas Young的光干涉理論完全推翻。所以，我必須明白的告訴你。因為，牛頓過去在力學方面提出的卓越貢獻，讓世人稱羨不已。但也因為如此，牛頓的光粒子說在Thomas Young提出光干涉理論之前就喧騰了100多年之久。只是，偉大的牛頓真的錯了嗎? 難道光的粒子說從此消失了嗎?
既然，光已不是粒子說的理論被證實，那光很有可能是波動的形態產生，只是以目前的科學技術，無法量測出這種介質的存在嗎? 果然，在光不是以粒子說的理論出現後，部分科學家們突發奇想，提出一種很特別的介質--「Etheric」。
Etheric中文稱「乙太」。是由希臘哲學家想出來的一種物質。在17世紀時，用來解釋光的傳遞現象。科學家們認為光可以通過任何物質，完全是藉由乙太來傳遞，而乙太的存在是無所不在、不佔有空間也不具有質量，更重要的是乙太是絕對靜止。
妳能想像嗎? 這個乙太最後由1887年Albort A. Michelson及Edward W Moley證實，世界上根本沒有乙太。不過，跟你說個小故事，當初Albort A. Michelson及Edward W Moley一直相信有乙太的存在，而且也一直從事這方面的研究，可是就是怎麼量、怎麼測，都量測不出來。最後只有宣告實驗失敗。這一個失敗改變了過去乙太從提出來長達400年之久的概念，科學家們最後明白，當初乙太這個莫名奇妙的物質，一直以來都不存在。你也可以想想「失敗為成功之母」這句話，恰好印證在Albort A. Michelson及Edward W Moley這兩個人身上。
最後，科學家們只有接受一個答案，一個給光既不是粒子也不是波動，而是一種「特殊的波」，一種不需要介質且能傳遞的波。這個答案是妳我都必須接受的答案。除非你能想出更特別且更合理的答案來形容光的傳遞性質。但是，光不是「特殊的粒子」有些科學家們也很不認同，畢竟在某些物理現象，還是很符合光的粒子說概念。
所以，光是一種特殊的波理論成形後，很多人不服氣，認為問題根本沒有得到合理且滿意的答案。終於，近世紀最偉大的科學家Albort Einstein於1905年發表On a heuristic point of view concerning the generation and transformation of light的論文，提出光量子的觀念，清楚解釋光電效應理論，確立了光的粒子說概念。也因為光電效應理論的提出，Albort Einstein於1921年獲得諾貝爾物理獎。
總結，妳聽到了這麼多，到底光是粒子還是波動形態出現呢? 相信你心中應該有些想法。不論光是粒子還是波動形態的出現，光都同時具有這兩種特性。在某些情況下，光可以用波動的特性加以描述，而粒子的特性就會逐漸消失。相反的，以光電效應而言的粒子說，則波動的特性就無法支持。因此，光是波動，也是粒子，兩者可完全依不同情況下去加以解釋。
首先，我們先來討論波動的形態。我們知道水波、聲波都很容易出現在我們的日常生活中。水波的產生可以藉由水、液體等介質產生並且傳播。而聲波的傳遞卻是藉由空氣傳播。你必須知道，還好聲波是需要介質才可以聽到聲音，否則地球以外的宇宙如果每分每秒都有隕石撞擊所發出來的巨響，那我們還真的受不了。
因此，既然波動的存在需要由介質才有可能發生，難道光的傳輸也是藉由某種介質，而發生傳遞的嗎? 如果光是由藉由空氣或液體傳遞，為何太陽光在傳遞到地球過程中，宇宙真空狀態還有某種東西存在，只是我們不知道嗎? 所以光究竟是不是一種波，以及這種光波到底是不是藉由某種物質來傳遞，成了以前科學家們一直很頭疼的問題。
有一些科學家因為一直百思不得其解，所以選擇提出一些光的定理，例如: 偉大的科學家牛頓則提出光是一種粒子型態產生。牛頓認為光是由非常微小的粒子所組成，而且速度極快，可以穿透明物質，若遇到不明物體還會反射或折射。牛頓認為光以粒子的形態出現，會呈直線前進，而且快速飛過。若光束交會時，因為粒子的體積極小，彼此也不會受到任何影響。再來，光有多種顏色，即因為光粒子有多種不同顏色。最後是光經過碰撞後，速度不會改變，原因是因為光粒子是完全的彈性體。
但是，妳必須知道，其實牛頓這些假設並不完全正確。這些光的粒子說，一直被1803年Thomas Young的光干涉理論完全推翻。所以，我必須明白的告訴你。因為，牛頓過去在力學方面提出的卓越貢獻，讓世人稱羨不已。但也因為如此，牛頓的光粒子說在Thomas Young提出光干涉理論之前就喧騰了100多年之久。只是，偉大的牛頓真的錯了嗎? 難道光的粒子說從此消失了嗎?
既然，光已不是粒子說的理論被證實，那光很有可能是波動的形態產生，只是以目前的科學技術，無法量測出這種介質的存在嗎? 果然，在光不是以粒子說的理論出現後，部分科學家們突發奇想，提出一種很特別的介質--「Etheric」。
Etheric中文稱「乙太」。是由希臘哲學家想出來的一種物質。在17世紀時，用來解釋光的傳遞現象。科學家們認為光可以通過任何物質，完全是藉由乙太來傳遞，而乙太的存在是無所不在、不佔有空間也不具有質量，更重要的是乙太是絕對靜止。
妳能想像嗎? 這個乙太最後由1887年Albort A. Michelson及Edward W Moley證實，世界上根本沒有乙太。不過，跟你說個小故事，當初Albort A. Michelson及Edward W Moley一直相信有乙太的存在，而且也一直從事這方面的研究，可是就是怎麼量、怎麼測，都量測不出來。最後只有宣告實驗失敗。這一個失敗改變了過去乙太從提出來長達400年之久的概念，科學家們最後明白，當初乙太這個莫名奇妙的物質，一直以來都不存在。你也可以想想「失敗為成功之母」這句話，恰好印證在Albort A. Michelson及Edward W Moley這兩個人身上。
最後，科學家們只有接受一個答案，一個給光既不是粒子也不是波動，而是一種「特殊的波」，一種不需要介質且能傳遞的波。這個答案是妳我都必須接受的答案。除非你能想出更特別且更合理的答案來形容光的傳遞性質。但是，光不是「特殊的粒子」有些科學家們也很不認同，畢竟在某些物理現象，還是很符合光的粒子說概念。
所以，光是一種特殊的波理論成形後，很多人不服氣，認為問題根本沒有得到合理且滿意的答案。終於，近世紀最偉大的科學家Albort Einstein於1905年發表On a heuristic point of view concerning the generation and transformation of light的論文，提出光量子的觀念，清楚解釋光電效應理論，確立了光的粒子說概念。也因為光電效應理論的提出，Albort Einstein於1921年獲得諾貝爾物理獎。
總結，妳聽到了這麼多，到底光是粒子還是波動形態出現呢? 相信你心中應該有些想法。不論光是粒子還是波動形態的出現，光都同時具有這兩種特性。在某些情況下，光可以用波動的特性加以描述，而粒子的特性就會逐漸消失。相反的，以光電效應而言的粒子說，則波動的特性就無法支持。因此，光是波動，也是粒子，兩者可完全依不同情況下去加以解釋。
2008年7月9日 星期三
與光有關的商品開發~藍光光碟(Blu-ray Disc)
藍光光碟（Blu-ray Disc；BD），是由Sony為首企業所組成的「藍光光碟聯盟」（Blu-ray Disc Association）。其創始組織由Sony、TDK、Thomson、戴爾、LG電子、惠普、日立、松下電子、夏普電子、三菱、先鋒、飛利浦及三星電子等13個組織。其目的是開發更先進的光碟格式。
目前市面上的光碟有DVD及CD規格等產品，但在未來將有藍光光碟的問世。以藍光光碟而言，顧名思義，就是利用藍光光源來作為讀取、儲存的光源，其波長為405nm。而DVD是以紅光650nm來應用，CD則是以780nm波長來使用。
因此，藍光則有利於光碟進行高密度的紀錄與儲存。所以，對於高解析度(1920*1080)畫面的呈現或高容量的資料儲存就可以在藍光光碟中實現。
目前，藍光光碟一片約可儲存50GB資料。而DVD約能儲存4.7GB(一般實際僅能4.4GB)。CD則更少，一片約650MB。所以，藍光光碟的資料儲存就有大約DVD的11.3倍。
當然，我們必須想想為何藍光有如此辦法記錄這麼多資料?以藍光的405nm波長，配合SONY為首的Blu-ray Disc在採用物鏡規格NA為0.85縮小光點的尺寸，從單一紀錄點的大小而言，藍光可在140nm~200nm紀錄一點，而DVD則為400nm紀錄一點，CD就更少了，大約500nm。
所以，從光源顏色的開發，人類已從紅光一直演進到藍光的階段。在藍光的光源開發中，過去已成功開發紅光及綠光。但在藍光的發展中，才在1993年的日本日亞化工 (Nichia Corporation)工程師中村修二（Shuji Nakamura）利用半導體材料氮化稼（GaN）及銦氮化稼（InGaN）更實際開發出具有藍光的LED。
補充對於LED的認識。LED (Light Emitting Diode)中文稱作發光二極體。其結構與一般PN二極體類似，利用電子及電洞對變化位置的關係，從激態降到基態的能量過程中，便產生光子釋出(E=hv)，恰好這光子能量釋出便在可見光譜的範圍內。所以，我們能夠看見光的狀態。
依據光學理論而言，白光是由藍、綠和紅光組合產生。不過，市面上的白光LED卻不是利用藍、綠和紅光組合產生白光。目前是利用InGaN藍光晶粒的460nm波長，在晶粒上塗抹一層淡黃色YAG(Yttrium Aluminum Garnet)磷光體，利用LED晶粒發出的藍光，配合磷光體的轉換，變成一個光譜中心580nm為主的黃光。接著，配合透鏡原理將互補的黃光、藍光加以混合，便可產生白光。但是，這種方法的其缺點是，在藍光轉換成黃光的過程中，部份藍光能量會損失，其發光效率僅達36 lm/W。
此外，另一種產生白光的方法，由日本住友電工Sumitomo Electric利用ZnSe材料研製的白光LED。其技術不需要使用螢光體，並且在ZnSe單晶基板上形成CdZnSe薄膜，導電後使薄膜發出藍光，同時利用藍光與基板的反應產生黃光，最後配合藍、黃光形成互補色形成白光。其優點是操作電壓僅2.7V比InGaN的3.5V要低。但是，發光效率僅8 lm/W，實在過低。
最後，我們必須知道，白光是多種顏色混合而成的光，而白光LED的開發基礎在於藍光技術的開發。
目前市面上的光碟有DVD及CD規格等產品，但在未來將有藍光光碟的問世。以藍光光碟而言，顧名思義，就是利用藍光光源來作為讀取、儲存的光源，其波長為405nm。而DVD是以紅光650nm來應用，CD則是以780nm波長來使用。
因此，藍光則有利於光碟進行高密度的紀錄與儲存。所以，對於高解析度(1920*1080)畫面的呈現或高容量的資料儲存就可以在藍光光碟中實現。
目前，藍光光碟一片約可儲存50GB資料。而DVD約能儲存4.7GB(一般實際僅能4.4GB)。CD則更少，一片約650MB。所以，藍光光碟的資料儲存就有大約DVD的11.3倍。
當然，我們必須想想為何藍光有如此辦法記錄這麼多資料?以藍光的405nm波長，配合SONY為首的Blu-ray Disc在採用物鏡規格NA為0.85縮小光點的尺寸，從單一紀錄點的大小而言，藍光可在140nm~200nm紀錄一點，而DVD則為400nm紀錄一點，CD就更少了，大約500nm。
所以，從光源顏色的開發，人類已從紅光一直演進到藍光的階段。在藍光的光源開發中，過去已成功開發紅光及綠光。但在藍光的發展中，才在1993年的日本日亞化工 (Nichia Corporation)工程師中村修二（Shuji Nakamura）利用半導體材料氮化稼（GaN）及銦氮化稼（InGaN）更實際開發出具有藍光的LED。
補充對於LED的認識。LED (Light Emitting Diode)中文稱作發光二極體。其結構與一般PN二極體類似，利用電子及電洞對變化位置的關係，從激態降到基態的能量過程中，便產生光子釋出(E=hv)，恰好這光子能量釋出便在可見光譜的範圍內。所以，我們能夠看見光的狀態。
依據光學理論而言，白光是由藍、綠和紅光組合產生。不過，市面上的白光LED卻不是利用藍、綠和紅光組合產生白光。目前是利用InGaN藍光晶粒的460nm波長，在晶粒上塗抹一層淡黃色YAG(Yttrium Aluminum Garnet)磷光體，利用LED晶粒發出的藍光，配合磷光體的轉換，變成一個光譜中心580nm為主的黃光。接著，配合透鏡原理將互補的黃光、藍光加以混合，便可產生白光。但是，這種方法的其缺點是，在藍光轉換成黃光的過程中，部份藍光能量會損失，其發光效率僅達36 lm/W。
此外，另一種產生白光的方法，由日本住友電工Sumitomo Electric利用ZnSe材料研製的白光LED。其技術不需要使用螢光體，並且在ZnSe單晶基板上形成CdZnSe薄膜，導電後使薄膜發出藍光，同時利用藍光與基板的反應產生黃光，最後配合藍、黃光形成互補色形成白光。其優點是操作電壓僅2.7V比InGaN的3.5V要低。但是，發光效率僅8 lm/W，實在過低。
最後，我們必須知道，白光是多種顏色混合而成的光，而白光LED的開發基礎在於藍光技術的開發。
2008年7月3日 星期四
有趣的光學反射(Catoptrics)
光是粒子及電磁波的一種。光會沿著介質或真空直線前進。對於任何表面，只要光射入時都會有反射現象的產生，只是程度多少罷了。一般而言，根據光反射的定理而言(如圖所示)，可以得知:
1、入射角等於反射角。
2、法線會介於入射線與反射線之間。
這就是簡單的光反射定理。就像鏡子裡的像，也是依據反射定理所產生的。但是，有些人會疑惑，為何有些光線照射在某些物體不會反射?原因是因為，在這些物體中以微觀的角度而言，有太多反射面，讓光無法一般性的照射某一特定方向。通常，我們稱之為漫射(Diffuse)。例如:拿手電筒照衣服。為何衣服不會像鏡子一樣有強勁的反射光出現。所以親愛的妳，知道這個現象了吧。
接著，我們再來討論關於反射所產生的現象。在光的反射中，我們有時會看到一些像的產生。例如:在大太陽下，妳有時會因為愛漂亮，會利用汽車車窗的鏡子看自己臉上哪裡有東西。這些像的產生都與反射有很直接的關係。說到這些像，其實還有「實像」及「虛像」之分。
虛像就像是鏡子一樣。在一個鏡面或透鏡中成像，例如:妳在照鏡子化妝，就是鏡子所產生的虛像。那何謂實像呢?
實像就是在光經過鏡子、透鏡時會在鏡子或透鏡後面的屏幕(可以想像是一塊白布)會有像的形成，這就是實像。
說到這裡，親愛的妳應該知道，在電影院看「慾望城市」的妳，看到的都是實像。
最後，有一個小叮嚀。你有見過黑色的光嗎?
這是不可能的。因為世界上沒有黑色的光存在。光有各種顏色，如:藍光、綠光或紅光等，就是沒有黑光。我們在日光燈照射下的光，既不是藍光、綠光更不是白光，而是透明的光。但是，這透明的光其實是藍光、綠光及紅光的組成，一般也稱作光的三原色。你看看，光的反射很有趣吧。
1、入射角等於反射角。2、法線會介於入射線與反射線之間。
這就是簡單的光反射定理。就像鏡子裡的像，也是依據反射定理所產生的。但是，有些人會疑惑，為何有些光線照射在某些物體不會反射?原因是因為，在這些物體中以微觀的角度而言，有太多反射面，讓光無法一般性的照射某一特定方向。通常，我們稱之為漫射(Diffuse)。例如:拿手電筒照衣服。為何衣服不會像鏡子一樣有強勁的反射光出現。所以親愛的妳，知道這個現象了吧。
接著，我們再來討論關於反射所產生的現象。在光的反射中，我們有時會看到一些像的產生。例如:在大太陽下，妳有時會因為愛漂亮，會利用汽車車窗的鏡子看自己臉上哪裡有東西。這些像的產生都與反射有很直接的關係。說到這些像，其實還有「實像」及「虛像」之分。
虛像就像是鏡子一樣。在一個鏡面或透鏡中成像，例如:妳在照鏡子化妝，就是鏡子所產生的虛像。那何謂實像呢?
實像就是在光經過鏡子、透鏡時會在鏡子或透鏡後面的屏幕(可以想像是一塊白布)會有像的形成，這就是實像。
說到這裡，親愛的妳應該知道，在電影院看「慾望城市」的妳，看到的都是實像。
最後，有一個小叮嚀。你有見過黑色的光嗎?
這是不可能的。因為世界上沒有黑色的光存在。光有各種顏色，如:藍光、綠光或紅光等，就是沒有黑光。我們在日光燈照射下的光，既不是藍光、綠光更不是白光，而是透明的光。但是，這透明的光其實是藍光、綠光及紅光的組成，一般也稱作光的三原色。你看看，光的反射很有趣吧。
2008年7月2日 星期三
Andy J. Zhen學習心思路程~1
我該如何妥善的讀書安排時間?
今天在上班的時間瀏覽了一篇關於光學方面的資料。以目前的想法而言，是如何以有限的時間去安排未來該讀書的日子。總是覺得以目前的情況而言，是無法好好利用有效的時間去讀書。
目前對於以後要唸書的科目雖然有點害怕，原因是因為未來的學業挑戰似乎有點困難。對一個陌生的環境而言，當然是希望有更多的人，能夠給我更多的協助、給我更多的意見。許多人說也許是我顧忌太多了，但是，也許有更多的顧忌才能激發更多的潛能，因為，我總覺得以不容易態度，才有可能盡最大的力氣去面對未來的挑戰。關於這部分是我以獅子撲象的態度去接受未來突如其來的艱困挑戰，我一直以為這才是最好的態度。
關於未來的唸書計畫，我認為我現在應該以光學基礎的部份加以補強。陳老師(小老板)給我的建議是，能夠在進入臺大之前多加以補強在光學方面的基礎知識，尤其是能夠利用有限的時間增進在近場光學部份的能力。我很感謝老師給我的意見，我似乎也這麼覺得。
但是，我覺得我在基礎光學的部分能夠再加強，因為高樓平地起所以我現在應該是，專注在基礎光學的部份，將我所學、所見及所想的都反映在我的blog中，我真的發現，在blog中發表我所學的知識，並且加以有效整理確實有所吸收。而且在blog中呈現我的經驗更讓我加深印象，尤其是無比的成就感。
因此，就這麼決定了，這個星期將再次的複習基礎光學的部份。我相信在這一次的學習及整理一定對我有所幫助。未來，在說給陌生的人聽時，如果他們真能聽懂我的解釋，我就成功了。也許，將來還可以出版一本「寫給學物理以外領域人的書」。
今天在上班的時間瀏覽了一篇關於光學方面的資料。以目前的想法而言，是如何以有限的時間去安排未來該讀書的日子。總是覺得以目前的情況而言，是無法好好利用有效的時間去讀書。
目前對於以後要唸書的科目雖然有點害怕，原因是因為未來的學業挑戰似乎有點困難。對一個陌生的環境而言，當然是希望有更多的人，能夠給我更多的協助、給我更多的意見。許多人說也許是我顧忌太多了，但是，也許有更多的顧忌才能激發更多的潛能，因為，我總覺得以不容易態度，才有可能盡最大的力氣去面對未來的挑戰。關於這部分是我以獅子撲象的態度去接受未來突如其來的艱困挑戰，我一直以為這才是最好的態度。
關於未來的唸書計畫，我認為我現在應該以光學基礎的部份加以補強。陳老師(小老板)給我的建議是，能夠在進入臺大之前多加以補強在光學方面的基礎知識，尤其是能夠利用有限的時間增進在近場光學部份的能力。我很感謝老師給我的意見，我似乎也這麼覺得。
但是，我覺得我在基礎光學的部分能夠再加強，因為高樓平地起所以我現在應該是，專注在基礎光學的部份，將我所學、所見及所想的都反映在我的blog中，我真的發現，在blog中發表我所學的知識，並且加以有效整理確實有所吸收。而且在blog中呈現我的經驗更讓我加深印象，尤其是無比的成就感。
因此，就這麼決定了，這個星期將再次的複習基礎光學的部份。我相信在這一次的學習及整理一定對我有所幫助。未來，在說給陌生的人聽時，如果他們真能聽懂我的解釋，我就成功了。也許，將來還可以出版一本「寫給學物理以外領域人的書」。
2008年7月1日 星期二
妳會想懂的--奈米科技(Nano technology)
奈米這一個名詞其實只是度量衡單位的表示。即nanometer(nm)，也是常見的 nm = 10-9 meter表示方式。(10-9念作10的負9次方)
通常，我們可以利用物質的特性如：物理特性、化學特性或材料特性等，將物質裡的原子、分子組合或分解具有奈米等級的結構。比方說，有一個魚網可以捕捉10立方公尺的魚，如果我們製作出一個可以捕捉10-9立方公尺的漁網，那所有魚包刮魚卵、甚至魚細菌都可以一網打盡(當然、我們好像只能品嚐出大魚的口感，對於魚卵或魚細菌好像沒甚麼感覺)。
奈米科技是一種嶄新的技術。它有別於一般傳統技術加工。傳統技術都事先取得一塊大材料，然後再雕刻、製作、組合出成品。通常我們稱作「由上而下(top-down)」的製作方式。
但是，奈米科技正好相反，是一種「由下而上(down-top)」的製作方式。怎麼說呢 ? 我們將物質最深層結構的原子、分子組合或分解，並逐漸製作出實用的成品，一直做到大，這樣就是由下而上的製作方式。
奈米科技的應用、研究範圍非常廣泛。並不侷限任何一種領域，凡舉軍事、醫學、娛樂等都有奈米科技的身影，只要研究的目標介於 1 - 100 nm大小的研究都可以視為奈米技術。
其實、說穿了，奈米科技仍是依據自己設計的需求，藉由操控原子、分子在奈米尺度上表現出來的特性，並加以組合或分解製作出具有特定功能的產品。
說到這哩，親愛的妳應該了解我在做甚麼了?
結著，跟你說一件事，你能夠想像奈米到底有多小嗎 ? 一般人會說：「就10-9啊。」這樣說的確沒錯。但是對於陌生的初學者來說，好像還是很難想像吧。讓我來解釋給你聽，地球直徑約13萬公里，如果縮小約10-9倍，就會是大約一顆彈珠大小。(沒過彈珠 ! 那你一定是個女孩子。這樣說吧，大概就是小時候芭比娃娃珍珠項鍊的珍珠大小)。也許有些人另有些疑惑，地球多大也沒有大概的概念，既然如此，這樣真的很難解釋。
最後，我還想補充一點。既然奈米是10-9，那一般市面上所說的微米又是甚麼東西呢 ? 其實，微米也是度量衡的單位。即micrometer(µm)，也是常見的µm =10-6 meter表示方式。所以，一樣是一種單位大小的表示。
通常，我們可以利用物質的特性如：物理特性、化學特性或材料特性等，將物質裡的原子、分子組合或分解具有奈米等級的結構。比方說，有一個魚網可以捕捉10立方公尺的魚，如果我們製作出一個可以捕捉10-9立方公尺的漁網，那所有魚包刮魚卵、甚至魚細菌都可以一網打盡(當然、我們好像只能品嚐出大魚的口感，對於魚卵或魚細菌好像沒甚麼感覺)。
奈米科技是一種嶄新的技術。它有別於一般傳統技術加工。傳統技術都事先取得一塊大材料，然後再雕刻、製作、組合出成品。通常我們稱作「由上而下(top-down)」的製作方式。
但是，奈米科技正好相反，是一種「由下而上(down-top)」的製作方式。怎麼說呢 ? 我們將物質最深層結構的原子、分子組合或分解，並逐漸製作出實用的成品，一直做到大，這樣就是由下而上的製作方式。
奈米科技的應用、研究範圍非常廣泛。並不侷限任何一種領域，凡舉軍事、醫學、娛樂等都有奈米科技的身影，只要研究的目標介於 1 - 100 nm大小的研究都可以視為奈米技術。
其實、說穿了，奈米科技仍是依據自己設計的需求，藉由操控原子、分子在奈米尺度上表現出來的特性，並加以組合或分解製作出具有特定功能的產品。
說到這哩，親愛的妳應該了解我在做甚麼了?
結著，跟你說一件事，你能夠想像奈米到底有多小嗎 ? 一般人會說：「就10-9啊。」這樣說的確沒錯。但是對於陌生的初學者來說，好像還是很難想像吧。讓我來解釋給你聽，地球直徑約13萬公里，如果縮小約10-9倍，就會是大約一顆彈珠大小。(沒過彈珠 ! 那你一定是個女孩子。這樣說吧，大概就是小時候芭比娃娃珍珠項鍊的珍珠大小)。也許有些人另有些疑惑，地球多大也沒有大概的概念，既然如此，這樣真的很難解釋。
最後，我還想補充一點。既然奈米是10-9，那一般市面上所說的微米又是甚麼東西呢 ? 其實，微米也是度量衡的單位。即micrometer(µm)，也是常見的µm =10-6 meter表示方式。所以，一樣是一種單位大小的表示。
2008年6月30日 星期一
妳應該懂的--微影技術(Lithography)
微影技術(Lithography)是半導體產業中最重要也最關鍵的步驟。如何將設計好的圖案，清楚且完整的轉移到光阻上，就成了最棘手的問題。以目前半導體廠中，各家廠商無不想盡辦法將更多元件整合在一片晶圓中，總是希望在有限的晶圓面積中裝進更多元件。
但是如何辦到呢?唯一的方法就是，將光罩(Photo mask)上設計的圖案縮小。但在縮小的同時，圖案的線寬也會縮小才能設計更多元件。
通常，線寬的大小與光源波長成正比關係。也就是說，線寬越小波長也必須越小。所以，很多工程師們都朝著改善光源波長的方法，將原件增加在固定不變的晶圓面積中。以現在的製程最常見的波長是G-Line(436nm)及I-Line(365nm)的350nm、500nm，甚至KrF(248nm)與ArF(193nm)的250nm、100nm微影製程。
雖然，工程師們已經想到用更小波段的波長來改善線寬的大小，但是隨之而來的代價是，生產成本提高及製程困難的難題。也因為如此，微影技術的進步關係到半導體產業的成長空間。讓我們想想，如果一支手機在一定的體積內可支援200個功能，而微影技術從今天為止不再進步了，那我們可以預計在未來5年、10年甚至100年，手機還是只能維持200個功能。所以，正在看文章的妳知道微影技術有多重要了吧。
幸好，正在攻讀台大博士班的我，正在為你們解決這個問題，未來、請看好戲上場吧。
在談論微影技術時，我必須告訴親愛的妳幾個相關的公式，就是根據雷利準則(Rayleigh criterion) 而來的“解析度公式”及“景深公式”。這裡有一個重要的關係就是解析度與景深公式是成反比的(很重要歐)。如果有人問你解析度與景深公式關係時，千萬別說不知道了。
解析度公式:
λ是光源波長大小
NA是數值孔徑(就是透鏡大小的關係)
然而，解析度公式也是繞射極限(Diffraction limit)公式(很難懂吧。如果你記下來，不知道的人會發現你很聰明)。
從解析度公式簡單看看會發現，解析度越大(越好、越清楚)光源波長會越短。
再來談論另一個重要的公式
景深公式
同樣的: λ是光源波長大小
NA是數值孔徑(就是透鏡大小的關係)
景深是甚麼東東?一定剛開始的人都不懂。沒關係。很簡單。只要你記住是，能夠得到最好解析度的光源深度(好像還是很難懂)。
看圖吧。
但是上帝是公平的。有一好就很難有二好。根據光學實驗發現，景深公式與解析度公式成反比(天啊、怎麼會這樣)。解析度越好、景深越差。但是，景深越好越適合生產(難道我們應該為了量產賺錢而不管解析度好壞而亂做一通嗎?如果是這樣，誰會去支買破銅爛鐵的手機呢?因為解析度差、元件成品就會有問題。)
說了這麼多，工程師解決的方式還是先改善NA(終於出現了)。工程師們一定會在改善光源波長問題之前，試著解決NA，因為解決NA的方式成本較低、所以等待NA解決遇到瓶頸之後，才會試著改善光波長，接著人力、物力及成本都必須大幅度的更換、困難度提高，你必須知道這是一個極嚴肅的問題。因為，微影成本占整個半導體廠成本的30%。也就是說半導體廠有100元的成本去買幾百樣的製程設備，其中、必須花30元買一台微影製程設備。看吧，微影製程真的很重要。也想想賣微影設備的廠商賺很飽吧。
沒關係，這一切真的沒關係。因為，正在台大受教育的我，以我的聰明努力，加上堅強研究團隊與豐富教學資源，一定會為半導體廠帶來一線生機。為我加油吧。讓這世界看我的吧。
但是如何辦到呢?唯一的方法就是，將光罩(Photo mask)上設計的圖案縮小。但在縮小的同時，圖案的線寬也會縮小才能設計更多元件。
通常，線寬的大小與光源波長成正比關係。也就是說，線寬越小波長也必須越小。所以，很多工程師們都朝著改善光源波長的方法，將原件增加在固定不變的晶圓面積中。以現在的製程最常見的波長是G-Line(436nm)及I-Line(365nm)的350nm、500nm，甚至KrF(248nm)與ArF(193nm)的250nm、100nm微影製程。
雖然，工程師們已經想到用更小波段的波長來改善線寬的大小，但是隨之而來的代價是，生產成本提高及製程困難的難題。也因為如此，微影技術的進步關係到半導體產業的成長空間。讓我們想想，如果一支手機在一定的體積內可支援200個功能，而微影技術從今天為止不再進步了，那我們可以預計在未來5年、10年甚至100年，手機還是只能維持200個功能。所以，正在看文章的妳知道微影技術有多重要了吧。
幸好，正在攻讀台大博士班的我，正在為你們解決這個問題，未來、請看好戲上場吧。
在談論微影技術時，我必須告訴親愛的妳幾個相關的公式，就是根據雷利準則(Rayleigh criterion) 而來的“解析度公式”及“景深公式”。這裡有一個重要的關係就是解析度與景深公式是成反比的(很重要歐)。如果有人問你解析度與景深公式關係時，千萬別說不知道了。
解析度公式:
λ是光源波長大小
NA是數值孔徑(就是透鏡大小的關係)
然而，解析度公式也是繞射極限(Diffraction limit)公式(很難懂吧。如果你記下來，不知道的人會發現你很聰明)。
從解析度公式簡單看看會發現，解析度越大(越好、越清楚)光源波長會越短。
再來談論另一個重要的公式
景深公式
同樣的: λ是光源波長大小
NA是數值孔徑(就是透鏡大小的關係)
景深是甚麼東東?一定剛開始的人都不懂。沒關係。很簡單。只要你記住是，能夠得到最好解析度的光源深度(好像還是很難懂)。
看圖吧。
但是上帝是公平的。有一好就很難有二好。根據光學實驗發現，景深公式與解析度公式成反比(天啊、怎麼會這樣)。解析度越好、景深越差。但是，景深越好越適合生產(難道我們應該為了量產賺錢而不管解析度好壞而亂做一通嗎?如果是這樣，誰會去支買破銅爛鐵的手機呢?因為解析度差、元件成品就會有問題。)
說了這麼多，工程師解決的方式還是先改善NA(終於出現了)。工程師們一定會在改善光源波長問題之前，試著解決NA，因為解決NA的方式成本較低、所以等待NA解決遇到瓶頸之後，才會試著改善光波長，接著人力、物力及成本都必須大幅度的更換、困難度提高，你必須知道這是一個極嚴肅的問題。因為，微影成本占整個半導體廠成本的30%。也就是說半導體廠有100元的成本去買幾百樣的製程設備，其中、必須花30元買一台微影製程設備。看吧，微影製程真的很重要。也想想賣微影設備的廠商賺很飽吧。
沒關係，這一切真的沒關係。因為，正在台大受教育的我，以我的聰明努力，加上堅強研究團隊與豐富教學資源，一定會為半導體廠帶來一線生機。為我加油吧。讓這世界看我的吧。
訂閱：
文章 (Atom)