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清大研發室溫下全球最亮量子光源 登國際期刊封面故事

清華大學材料系教授林皓武(中)指導博士生許博惟(左)、莊詠棠(右)研發室溫下全球最亮量子光源。圖/清大提供
清華大學材料系教授林皓武(中)指導博士生許博惟(左)、莊詠棠(右)研發室溫下全球最亮量子光源。圖/清大提供

鈣鈦礦量子點可應用在高速的計算、通訊及螢幕,備受國際材料研究領域矚目,但有壽命不長、穩定性不足缺點,國立清華大學材料系教授林皓武團隊透過獨家噴霧合成法,在僅有10奈米的鈣鈦礦量子點上均勻地長出一層有機保護層,研發出穩定性極高,還有自我修復能力的量子點,成為室溫條件下最亮的量子光源材料,可望引領未來量子通訊及量子計算應用的重大突破。

清大指出,這項重大突破是由林皓武指導博士生許博惟莊詠棠及與清華物理系副教授褚志崧、美國西北大學化學系教授夏勒(Richard Schaller)跨國合作共同完成,這項研發成果最近登上國際期刊ACS Nano,並被選為封面故事,立即引發研究社群熱烈討論,將這種可以不斷再生的鈣鈦礦量子光源比喻為「黑科技」。

林皓武說,比起其他的量子光源,鈣鈦礦量子點可在室溫下實現單光子放光,且具有高量子產率、高色純度等優良的光學特性,可應用在高速的計算、通訊及螢幕,過往其他研究單位過去製備鈣鈦礦量子點方式是直接將兩種溶液注入混合。

他的研究團隊則獨家研發噴霧合成法,大幅增加兩種溶液的接觸表面積,可在量子點外表包覆一層均勻的有機保護層,在連續24小時的高強度激發下,仍維持高亮度,一舉解決了鈣鈦礦量子點穩定性不佳的問題。

林皓武進一步說,透過噴霧合作成法製備的鈣鈦礦量子光源,只要用其他量子光源約1%的能量激發,它的單光子亮度就能達到每秒900萬光子數,已創下世界紀錄,成為史上最亮的光子源;此外,它的高單光子純度也高達98%,兼具高亮度、高純度及高穩定度等眾多優點。

不僅如此,以此方式製備的鈣鈦礦量子點還具有獨特的自我修復能力,在極高強度雷射的激發下遭到損壞、亮度衰退後,只要休息幾分鐘,就能重新恢復原來的高亮度。

林皓武將製備量子點晶體的程序比擬包水餃,過去科學家一直碰到水餃破皮的問題,有人只好改用不同材料的水餃皮,也有人想辦法把水餃皮包厚一點、或包兩層,「我做的事很簡單,就是不斷改良包水餃的手法。」

許博惟說,第一次看到量子點竟能自我修復的神奇時刻,「當被強度激發的量子點經過一段時間的實驗,亮度逐漸衰減後,我忙著從顯微鏡裡尋找下一顆量子點來做實驗,沒想到剛才已經暗淡的那顆量子點竟然又重新發光,我原本還不敢相信,趕快報告老師。」一次又一次的反覆實驗終於證實,量子點能自我修復並非神話。

林皓武研究團隊的另名博士生莊詠棠則致力於提升團隊研發出的鈣鈦礦量子點應用,研發出最新的量子加密亂數產生器,通過美國國家標準暨技術研究院的15項「真亂數」檢驗。量子點等關鍵技術已取得台灣專利,正申請美國專利中。

研究團隊用噴霧合成法來製備鈣鈦礦量子點可增加接觸表面積,在量子點外表包覆一層均勻的有機保護層。圖/清大提供
研究團隊用噴霧合成法來製備鈣鈦礦量子點可增加接觸表面積,在量子點外表包覆一層均勻的有機保護層。圖/清大提供
清華大學材料系教授林皓武研發室溫下全球最亮量子光源。圖/清大提供
清華大學材料系教授林皓武研發室溫下全球最亮量子光源。圖/清大提供

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