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負負得正!清華造出更小更亮的極紫外光光源【2017.10.27秘書處】

兩項光電研究上的負面效應,竟然負負得正,突破了學界十年來的研究瓶頸。本校光電工程研究所陳明彰助理教授研究團隊與中、美等國際團隊合作,令兩項負效應互相彌補,成功創造出體積小卻更亮的極紫外光(EUV),能看見奈米級的微影世界,將加速半導體及生醫領域的奈米等級研究。這項創新突破日前獲刊在光電指標期刊Optica。

「人類活在『秒』的世界,但奈米世界的時間是以『埃秒』(10-18秒)為單位計算,想看到電子、原子、分子、材料如何在奈米世界下運作,就需要更快更亮的光源。」陳明彰說,光的波長與空間解析度成正比,波長愈短就能看見愈小的結構,高次諧波產生超短脈衝的技術可產生同時具備「埃秒」與「奈米」解析的光源,約在二十年前被提出、發展,並逐步發展為21世紀新光源。

但過去十年來,科學家一直無法有效提升18奈米紫外光亮度。陳明彰分析指出,原因在於無法克服「相位錯位」問題,因為紅外光與極紫外光以不同的相位速度前進,導致光強度(亮度)無法累積。他運用小小光圈改變光子相位,激發出比過去更亮的「18奈米、埃秒極紫外光」。

陳明彰解釋「相位錯位」,就像「紅外光」想號召「紫外光」玩兩人三腳的遊戲,但兩者的步伐大小及速度都不同,無法整齊劃一,就不能一起抵達終點,亮度難以提升。

台灣雖有國家同步輻射中心能提供極紫外光作為研究光源,但發光設備的體積有2至3個操場大,難以普及應用。陳明彰2013年自美國學成歸國,任教清華大學,先利用9個月時間架設研究用的高次諧波真空腔體,到現在自主研發超快雷射光源,就是希望創造出體積更小、光源更亮的「桌上型極紫外光」,讓基礎研究光源更加普及應用,

3年前,陳明彰指導碩士生孫宏維與博士生黃旆齊實驗,偶然將光圈置放於高次諧波實驗前方,竟發現只要調整光圈大小,就可精巧控制極紫外光的頻寬和中心波長,突破了傳統高次諧波的能量極限,讓18奈米的光子數增強了4百倍。陳明彰說,加強供給紅外光本是負效應,光圈用來限制光源通過、減少亮度,原來也是個負效應,「但兩個負面效應碰在一起,居然負負得正,成為美麗的巧合。」

黃旆齊也以兩人三腳遊戲來說明,如果要使亮度愈亮,就要號召愈多光子來參加,但人變多了,光子的腳步愈亂,很難大家同步順利抵達終點,但若通過光圈的控制,就像有人呼口號指揮,喊著左、右、左、右,讓光子們腳步有序,解決了相位錯位問題,亮度就提升了;且這套光源系統的體積縮小至約兩公尺左右大小,朝研發出桌上型的光源的夢想再進一步。

國際半導體大廠近年極欲掌握極紫外光技術,在先進製程上再突破。陳明彰表示,「桌上型極紫外光」光源的應用層面將十分廣泛,包括半導體產業的研發、檢測、製程,生醫界也可以此看到更微小的疾病細胞。

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