分子系暨高分子所 郭霽慶教授、陳威丞同學

隨著科技的日新月異，各項接觸式感應逐漸汰換成光波感式元件，像是人臉辨識、無人駕駛、5G設備，皆是藉由調整波動與光而達到無介質傳播訊息的功能，其中，感應設備的製備成本以及靈敏度尤為重要，而傳統雷射感應器雖然有高強度，但卻需要較高能量以及制備環境，與傳統雷射相比，隨機雷射的諧振器，是通過在集成到增益介質中的微材料或納米材料（而不是腔鏡）的無序排列或不均勻分佈內重複發光而產生的。因此，隨機雷射具有更優越的特性，例如寬到發散的發射角，離散的發射尖峰和低的空間相干性。這些特性使其可用於更細微範圍的感測應用中。

近期，相關學者將染料摻雜液晶並透過施加電場、熱控制和機械應力下產生隨機雷射，主要控制不同向性排列的液晶，進而產生雷射共振腔體；另一部分學者專研於奈米材料的應用像是金屬奈米顆粒、生物組織等，藉此提高隨機雷射的柔韌性、相容性和穩定性。而我們研究團隊專研於靜電紡絲技術，是一種用於生產具有高比表面積和可調形態的多功能納米纖維的技術，由於其可應用於簡易溶劑製程，該技術也具有高效率、簡單和低成本等各項優點，藉由此高比表面積奈米纖維的特性，成功應用於具備多項功能之檢測奈米纖維，像是酸鹼值、一氧化氮氣體、溫度和有毒金屬離子等。靜電紡絲技術的統整文章，我們在2020年10月發表於高點數期刊論文 Chemical Engineering Journal, 2020, 397, 125431 (https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125431) (Scopus ranking~1%)。

於今年初，我們團隊跨領域與光電系林家弘教授，成功結合奈米纖維以及光感元件應用於隨機雷射與白光背光元件，透過靜電紡絲之奈米纖維混摻可調式奈米銀顆粒成功製備出高散射效率之奈米纖維腔體，將傳統雷射共振腔壓縮至奈米等級的纖維膜之中，而金屬奈米顆粒也提供了多項特性像是額外散射體、局部表面電漿共振輻射或非輻射複合能，以及影響光子路徑來改善諧振腔的產生。與傳統薄膜雷射相比，含銀奈米顆粒的納米纖維不僅提高了三倍以上的光致發光強度，更將雷射啟動閾值降低了35％，此外，通過時間解析光譜分析，我們發現散射的增強能夠使光子躍遷的路徑加快 (4.29 ns to 1.35 ns )，上述三點特性皆能強化元件之感測細緻度，再加上靜電紡絲技術的低成本與溶液簡易製程，進而為未來隨機雷射感測元件奠定基礎 (圖一)。

最後，我們將不同顏色之奈米纖維(綠、紅色)混摻銀顆粒堆疊成多層元件，並結合藍色發光二極體 (LED) 芯片（放光波段 450 nm）應用於背光顯示器(圖2a)。由於多孔洞的奈米纖維以及高比表面積的特性，提供元件完善的散熱效果，而藉由不同厚度的奈米纖維，可控制其散射情況而達成不同疊層的放光強度易變(圖2b)。於色坐標圖的趨勢和相關色溫圖，呈現當纖維厚度越厚，紅光將會漸漸主導整體發光產生紅移，因此調配適合的奈米纖維厚度，則可實現白光LED 背光元件，此項技術我們也於2020年初發表於 ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 2, 2783–2792 (https://doi.org/10.1021/acsami.9b16059)(Scopus ranking~5%)。

圖一、奈米纖維混摻奈米銀顆粒應用於隨機雷射示意圖。

圖二、（a）LED芯片裝置的示意圖，插圖是溫白光元件的照片。（b）不同厚度奈米纖維(NFs)之放光光譜（NFs 1 to 5）。（c）不同厚度的奈米纖維之顏色坐標圖。