研發服務平台亮點成果獎─特優獎
亮點成果：半導體超穎介面與矽光子、紫外光電及生醫檢測之應用
使用平台：台灣半導體研究中心「超穎透鏡結構製程平台」

從手機鏡頭到生醫影像檢測、半導體檢測，宛若黑科技的超穎介面（metasurface），近年來已悄悄應用在我們生活的各個面向之中。透過奈米尺度的結構設計，科學家能使材料展現出先天所不具備的物理與化學特性，其中最具代表性的例子便是負折射率，它突破了傳統光學的限制，使得光能以逆向方式彎曲，進而開啟超解析成像等新契機。

超穎介面的研究突破了傳統光學元件的限制，也打破了人們對於材料的想像，讓我們得以用不同方式操作電磁波、聲波與其他形式的波，進而實現「隱形斗篷」、「超薄透鏡」等等大膽想像。近年來，國立陽明交通大學電子研究所助理教授曾銘綸團隊應用台灣半導體研究中心（簡稱半導體中心）的製程機台，研發出各項新穎半導體超穎介面元件，為實際應用開啟無限可能。

從對顏色的好奇心開始，踏入光學世界

說到對於光學的著迷，曾銘綸回憶起自己在鄉下成長的童年經歷。年幼的他，看見外貌普通卻有著亮眼色澤的金龜子，不禁好奇絢麗的顏色究竟是從何而來。原來，那令人難忘的金屬色澤並不來自色素，而是由其表面獨特構造所產生的結構色，正是這份對於顏色的好奇，成為了他踏入光學世界的契機。

碩士班階段，曾銘綸進入了國立臺灣大學物理學系蔡定平教授的實驗室，跟著這位臺灣最早期在超穎介面與奈米光學領域深耕的代表性學者進行研究。而在博士班期間，英國皇家學會院士澤魯迪夫（ Nikolay Zheludev ）的演講更令他深受啟發。澤魯迪夫表示，就算在此刻停止超穎介面的相關研究，目前的研究結果已經足以改變人們對於光與物質交互作用的認識，這段話讓曾銘綸深刻體會到，自己正投入一個能改變世界的領域。

證實矽表面極化子效應，開創應用可能

進入陽明交大建立實驗室之後，曾銘綸開始探索各項材料的應用可能，其中矽表面極化子效應（surface polariton）可謂重要突破。過去已有文獻指出，矽在深紫外光區間會展現出與可見光完全不同的光學性質，但其原因始終眾說紛紜、相關的應用潛力也較少被提及。

矽是現代半導體的核心材料，但其在深紫外光下展現的奇特性質轉變，至今仍少有人加以應用。正因如此，曾銘綸與團隊開始著手研究，試圖揭示其中的潛力。他與團隊設計了由蝌蚪形狀的矽奈米孔洞陣列組成的超穎材料，透過各項理論分析與實驗量測，證實了矽在深紫外光照射下，性質會轉變並展現出表面極化子效應，可以大幅增強光與物質之間的交互作用。這樣的現象可廣泛應用於生醫檢測與材料分析。研究團隊將其浸泡於生物分子水溶液後發現，在紫外光照射下，矽晶片能使生醫分子的自發螢光增強約3至4倍；在材料科學上，則可使二維材料的雙共振拉曼訊號提升近10倍。更重要的是，矽本身具備耐酸鹼與耐高溫的特性，再加上成熟的製程技術，使其成為開發新一代紫外光譜檢測晶片的理想材料。

顛覆傳統光學，以奈米顆粒打造超穎透鏡

超穎介面另一個充滿潛力的領域是透鏡製作。傳統透鏡仰賴鏡片的曲率來調控光線焦距，因此往往需要相當的厚度與體積；而超穎透鏡（Metalens）則透過奈米結構操控光的傳播，不僅能大幅縮減厚度，還能在單一透鏡上實現多重光學功能。

「控制才是重點。」曾銘綸強調，超穎透鏡最吸引人的地方在於，表面上每一顆精巧設計的奈米顆粒都擁有不同的光學性質，當我們能在奈米尺度上做到精準調控，便開啟了一場新遊戲的開端。未來，或許我們的手機再也不需要凸起的鏡頭，卻能拍出更加銳利清晰的照片。

另一方面，儘管光學性能優異，超穎透鏡在應用時也常面臨不同的挑戰。例如，生物醫學研究領域的多數樣品需要在水溶液中進行觀察，但超穎透鏡表面之奈米顆粒在水中有穩定性的隱憂。曾銘綸與團隊選擇運用AI逆向設計，並結合高折射率化合物半導體磷化鎵，最終成功製作出厚度僅有85奈米的超穎透鏡。這種極薄的元件厚度讓其表面鍍上保護層變成可行的改良手段。在超穎透鏡表面鍍上300奈米之透明保護層後，這些透鏡在水中即使是經過振動、搖晃，仍能長時間穩定運作，為未來水下生醫檢測與成像提供了新選擇。

無前例可循，以創新回答難題

研究新材料往往意味著缺乏既有經驗可供參考，曾銘綸笑說，研究的每一天都充滿挑戰。像是團隊選擇使用氮化鋁、磷化鎵等超穎介面研究中較少採用之材料進行奈米結構設計，常需要自行摸索複雜製程。不僅如此，超穎透鏡從實驗設計到樣品製造，處處都是關卡，多數時候，沒有人能給出答案，只能靠團隊不斷嘗試。

曾銘綸提到自己離開瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）前，指導教授Hatice Altug便給過寶貴建言：「好的學生能解決大部分的問題，有時甚至會達成你都沒有想像過的瘋狂創新。」這份建議令他深表贊同，他對於本次共同受訪的學生蔡明峻、欒澤凱、江正晴、王欣湧與其他實驗室的同學們，也充滿感謝。

除了好的學生，半導體中心也是研究背後不可或缺的重要推手。曾銘綸表示，半導體中心提供了蝕刻、微影、樣品與材料性質檢測等完整的製程與檢測平台，並在研究過程中給予實際建議，其中侯拓宏主任更是長期支持團隊，讓開發進展更快。說到這裡，曾銘綸不禁大聲表白：「國研院我愛你！」他直言，半導體中心的軟硬體實力都非常強，且中心人員也十分熱心、願意分享經驗，在超穎透鏡的開發過程中，對研究團隊幫助極大。未來，非常期待能與半導體中心有更進一步的合作。

本次獲得國家實驗研究院研發服務平台亮點成果獎，曾銘綸謙虛表示受寵若驚，也很感謝此一獎項的肯定，他強調這份榮耀應該屬於整個團隊與合作平台。接下來，研究團隊希望持續關注深紫外區間的光化學、生醫檢測，並推進水下超穎透鏡等應用，曾銘綸笑說，這一切才剛剛開始，未來超穎材料的應用著實令人期待。