物理的妙用 - 中研院物理研究所- Academia Sinica

Applications of Physics 

陳洋元 

Yang-Yuan Chen 

Institute of Physics, Academia Sinica 

cheny2@phys.sinica.edu.tw

奈米材料與低溫物理實驗室實驗室的巡禮 

Nanomaterial and Lowtemperature Physics Laboratory 

http://www.phys.sinica.edu.tw 研究群 

‧ 學術上 

‧ 低溫物理 & 奈米材料 : 

高溫超導之研究 

磁性材料之研究 

奈米尺寸材料之研究 

重費米化合物之研究 

特殊薄膜製造與研究 

‧ 應用上 

‧ 熱電材料與溫差發電 

‧ 溫度與紅外光感測器之研究 

‧ 液氮冰凍工法之研究 

‧ 液氮滅入侵紅火蟻之研究 

奈米材料與低溫物理實驗室 Nanomaterial and Lowtemperature Physics Laboratory 

http://www.phys.sinica.edu.tw/%7Elowtemp/

Group members, exchange students, summer school students

實驗室器材 

Sample fabrication systems 

Arc welder 

Thermal evaporator for nanoparticles 



Sample fabrication systems 

Sputter Chamber 

Thermal evaporator 



Dilution refrigeratorT=10 mK H=9 Teslas 

He 3 Measurement systems

準分子雷射濺鍍 (Excimer Laser Ablation 簡稱 ELA )( 建於 2003/3) 

及奈米成長真空系統 ( 建於 1993/1)。

收集盤 

靶材 

λ=193nm

雷射濺鍍奈米製程影片

樣品製備 CePt 2 奈米微粒

2. 電學與磁學 

1. 電學 : 電荷、電場、電荷具有電位 

2. 磁學 : 磁極、磁場、磁鐵間的作用 

3. 安培定律 : 電生磁 ; 法拉第定律 - 磁生電 

4. 電場 + 磁場的交互作用 , 也即是電磁波 -> 光 

. 電能、磁能、光均具有能量

電磁學示範 

東吳大學陳秋民老師 http://science.scu.edu.tw/phy/LivePhysics/

乾電池 

電導線 

電流方向 

磁鐵 

磁場方向 

受力方向 

磁力線

全球平均氣溫變化趨勢圖 

( 資料來源 :Hadley Centre for Climate Prediction and Research)

地球之環保與永續發展 

永續發展能源與環保 

地球溫室效應、CO 2 廢氣排放限制。核能污染 ( 核廢料處置 )。 

永續潔淨之再生能源 : 

• 核能的開發 ???。核分裂與核融合 

• 永續再生能源如太陽能、與其衍生物風力、 

• 潔淨之能源地熱之運用。 

• 潮汐發電、溫差發電

氘 (deuterium) 與氚 (tritium) 的核融合反應。 

H 2 (1p+1n)+H 3 (1P+2n)->H 4 (2P+2N) 

( 此圖是由 Contemporary Physics Education Project 提供。)

物理的妙用 

Wonderful Physics 

• 燈泡 ( 燈絲加熱 ), 日光燈 ( 電 

子與螢光 ) 

• 微波爐 ( 電磁波 - 微波 ) 

• 磁浮 ( 磁力相斥 ) 

• 超聲波測距、超聲波檢查胎兒 

•……

磁浮

N 

S 

N 

S 

N 

S 

N S 磁浮棒 

N S N S

S 

F M1 

F M2 

S 

300 g 

S 

F M1 

300 g 

F M2

測距誰比我準 ?

超聲波測距

超聲波的應用

熱電材料 

為一種「熱 - 電」轉換之材料 , 

熱電偶的原理

‧ 壹 . 研究動機 -Renewable Energy Harvest 

Solar cell 

Thermoelectric material 

α(V/K) 

ε 

Basic structure of a generic silicon PV cell 

優點 : 

無 band width of light

熱電風扇實驗示範

液氮的妙用 : 隧道冰凍

地下污水管 - 液氮冰凍工法施作協 

調會 

• 召集人 : 陳洋元研究員 

( 中央研究院物理研究所 )

參與人員 

• 黃鴻基經理 ( 展崧工程有限公司 ) 

湯清吉經理 ( 吉吉冷凍空調有限公司 ) 

楊彩蘭小姐 ( 中央研究院公共事務組 ) 

• 聯絡人 : 劉佳誠 ( 研究助理 )

討論議題 : 

1. 相關合作、各方需求與於合約協商。 

2. 各方簡報。 

3. 液氮冰凍工法施作設計簡報與討論。 

4. 各項施工分功細節、材料準備與時程。

液氮管周邊結冰

Sensor 1~2 

排氣管 

1 

16 

2 

15 

2 

土壓 

計 

4 

3 

~1 

14 

2m 

2.5m 

4 

2.0m 

50c 

m 

Sensor 3~4 

Ⅱ 

2.5 

m 

75c 

m 

1.5 

m 

Ⅰ 

SI~ 

土壓 ~21 

Ⅲ 

計 

Sensor 5~6 

13 

Ⅳ 

5 

1.75 

m 

2m 

12 

SI~ 

2 

6 

SI~ 

3 

11 

3 

1 

10 

7 

8 

9 

Sensor 7~8 

: 土壓計埋置 

位置 

: 鋁合鋼金冰凍 

管 

: 解壓孔 

: 溫度探測管 

: 碳鋼冰凍管 : 不銹鋼冰凍 

管 

圖 3-9 中研院土壤冷凍實驗之配置圖 

: 傾斜管

冰凍後開挖露出之冷凍牆

20.00 

10.00 

溫度計 1 

溫度計 2 

溫 

度 

℃ 

0.00 

-10.00 

-20.00 

-30.00 

-40.00 

第 

一 

次 

岩 

石 

冰 

凍 

試 

驗 

開 

始 

流量控制變小 , 

維持至 30 日開挖 

冰牆開挖 

第一次岩石冰凍試驗結束 

解凍開始 

0 50 100 150 200 250 300 350 

溫度計 3 

溫度計 4 

溫度計 5 

溫度計 6 

溫度計 7 

溫度計 8 

註 : 奇數號溫度計在晚上因流量變小 , 有間歇回溫的現象。 

時間 ( 小時 ) 

圖 5-1 第一次岩石冷凍實驗溫度變化之記錄

25 

溫度計 1 

20 

溫度計 2 

15 

溫度計 3 

溫 

度 

10 

溫度計 4 

℃ 

5 

0 

-5 

凍 

結 

運 

轉 

開 

始 

2 

5 

日 

8 

時 

2 

7 

日 

2 

0 

平均使用量 300~400kg/hr 左右 , 降溫時速度變 

快 

液氮使用量高達 450kkg/hr 以上 , 溫度下降情形最 

快 

-10 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 

時間 ( 小時 ) 

溫度計 5 

溫度計 6 

溫度計 7 

溫度計 8

北宜隧道液氮冰凍實驗 

國外隧道冰凍

液氮冰凍工法於地下污水工程

壓力計 

測溫棒 

液氮管 

前視圖 

1. 液氮外管五支長 1 米 , 直徑 4 吋 : 圓心ㄧ支 , 半徑 60 公分圓 

周上 4 支 , 各距 90 度 

2. 壓力計直徑 1 公分 

3. 測溫棒直徑 1.6 公分 

斷面圖

破鏡前檢測工作 

液氮管 

測溫棒 

1. 溫度計紀錄 

2. 開檢測孔 

水龍頭 

水壓計 

測溫棒 

推進機

破鏡前檢測工作 

液氮管 

水龍頭 

水壓計 

測溫棒 

鏡面破除半徑

溫度計

4/07 ( 第 1 天 ) 

安裝冷凍管及溫度計 

20:30 開始灌液氮 

板橋地區 

4/08~4/9 ( 第 2-3 天 ) 

持續充灌液氮 , 

結霜已包覆鐵環

4/10 ( 第 4 天 ) 

持續充灌液氮 

4/11 ( 第 5 天 ) 

土體溫度降至零下

14:40 冷凍管全數拔除 

1 2 

5 

3 4 

• 10:25 開始施作 

• 10:48 拔出第一支 

• 11:05 拔出第二支 

• 11:52 拔出第三支 

• 14:40 全部抽出

熱源 ( 地熱水 / 蒸氣 ) 

Evaporator 

工作流體 

Turbine 

Generator 

Feed Pump 

Condenser 

冷凝水 / 氣 

冷 

59

中研院物理所 10kW ORC 系統結構設計圖 

60

中研院物理所 10kW ORC 系統實體照片 

61

Photoelectronics 

8×8 微橋結構陣列式紅外線感測元件之微機電製程研究 

Infrared detector of 8×8 micro-bridge array by MEMS 

固態組二年級黃翊誠 

2 

指導老師 : 陳洋元 

1 

張忠誠 

2 

Yang-Yuan Chen 1 Chung-Cheng Chang 2 

1 

中央研究院物理所 

Institute of Physics, Academia Sinica 

2 

國立臺灣海洋大學電機工程學系 

Department of Electrical Engineering, National Taiwan Ocean University 

62

紅火蟻的物理防治 : 

• I. 入侵紅火蟻簡介 

• II. 液氮滅紅火蟻物理防治之緣起與方法 

• III. 其他各種物理防治方法之研發

為什麼叫做入侵紅火蟻 ? 

• 入侵紅火蟻的名稱由來 : 

1. 為入侵之外來種 

2. 其體色偏紅 

3. 被叮咬後會有如火灼傷般疼痛感 , 之後還會出現 

如灼傷般的膿皰 , 因此而得名。 

入侵紅火蟻腹部末端的螫針及其造成之膿皰 

http://www.fireant-tw.org/main02/main02g.html

入侵紅火蟻巢具有蟻丘的結構 , 照片中的蟻丘高 

度約 40 公分。

水平覓食搜索通道離地表約 3cm 

http://www.ocvcd.org/fireants/pics/RIFAmound.jpg

• 蟻巢模型 : 初期之蟻巢結構

中央車站 

垂直通道 

橫向蟻穴 

取水通道 

左圖為本實驗室灌鑄之 

蟻巢模型 ; 右圖為 Dr. 

Walter Tschinkel 灌鑄 

之蟻巢模型。

First we should find the temperature range which fire ant can’t stand 

Alive 

zone 

zone 

zone

液氮撲殺紅火蟻示意圖

液氮噴出孔 

高壓液氮管

影片播放高壓液態氮影片

蟻巢開挖後見到之死亡個體 ( 成蟻與幼期個體 ) 

紅火蟻與蛹屍體

火蟻屍體

案例二火蟻經由枯木跨河進入萬大校園 11/22/2004

挖開蟻巢之結果 

死亡之火蟻成 

蟲、蛹與幼蟲

IV. 蟻巢的偵測 

• 蟻巢搜尋的方法

III A. 蟻丘之偵測 

• 遠紅外光顯像儀之測試 : 

• 動機 : 利用蟻巢之溫度有別於背景溫度 

• 測試 : 

• 1. 清晨 

• 2. 日出

二 . 火蟻巢穴之偵測 

清晨 4:56 蟻丘溫度比背景低 1-1.5 C 

日出 7:41 背景溫度迅速上升 , 雜草溫度較低蟻丘不易判斷

生物偵測 : 偵測犬 

室內與戶外訓練 : 

學習辨識紅火蟻 , 偵測紅火蟻之敏感度 , 適應不同工 

作環境 , 並偵測紅火蟻樣本 

野外實地偵測 : 培養獨立偵測戶外紅火蟻的能力

共計 35 個罐子分三排排列 , 讓犬嗅聞死亡的入侵紅 

火蟻及蟻穴土 , 隨即要求以坐下為反應方式。 

以食物為 

獎勵

( 按一下播放 )

SEM images of AAMs and Bi2Te3 nanowire arrays: 

Template with highly ordered nanochannel 60 nm 

Electro-chemical deposition to grow Bi 2 Te 3 nanowire arrays 

Dissolving template to 

Obtain a single nanowire 

4 μm 

Side-view of Bi 2 Te 3 nanowire arrays embedded in AAO 

Separated Bi 2 Te 3 nanowires. 

10 μm

Structure characterization : Bi 2 Te 3 nanowires 

Bi 2 Te 3 Nanowire array 

Bulk Bi 2 Te 3 

(101) 

(01 11) 

(110) 

(00 15) 

(10 13) 

(205) 

(10 16) 

(02 10) 

Intensity (a.u.) 

(015) 

(10 10) 

Rhombohedral 

(Layered structure) 

20 30 40 50 60 

2θ (degree) 

Preferorientation 

in 

( 110 ) 

directional 

along long axis 

TEM 

HRTEM image

Thermal properties of a single nanowire, nickle 

nanowire d= 150 nm l= 10 um) 

e - 

E-beam Lithography

II. Thermodynamic properties measurements by 3ω 

Method 

∂ ∂ I sin ωt 

ρCp 

T( xt , ) − T( xt , ) = ( R+ R′ 

( T( xt , )) −T0 

) 

∂ 

S 

I=I 0 sin ω t 

2 

2 2 

0 

κ 

2 

t ∂x LS 

L 

Heat sink 

ρ 

C p 

κ 

L,S 

R 

γ 

I(ω)=I0 Sin (ωt ), 

R(T)~R(Power)~R(2ω) 

V=I R= V(3ω) 

:density 

:specific heat 

:thermal conductivity 

:dimension of specimen 

:Resistance 

:time constant 

L. Lu et al, Rev. Sci. Inst. 72, 2996 (2001)

Enhanced specific heat !! 

specific heat (J/mol-K) 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

nanowire 

bulk 

0 

0 50 100 150 200 250 300 

Temperature (K)

Result: ZT (∝ σ/κ) of Ni-nanowire with the bulk 

κ (J/kg-K) 

2000 

1500 

1000 

500 

0 

0 50 100 150 200 250 300 

T (K) 

Ni-NW 

Bulk 

ρ (μΩ-cm) 

30 

20 

5 Bulk Ni data of White et al (ref 19) 

0 

0 50 100 150 200 250 300 

T (K) 

Ni-NW 

1.2 

(σ /K) nano 

/(σ/ K) bulk 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0 50 100 150 200 250 300 

Conclusion: 

Is the diameter in the quantum size 

regime? need to make a smaller 

diameter wire ~ 10 nm

A single Ni-nanowire with smaller Φ=40 nm 

(L=20 μm ) was prepared, measurements are 

planned 

Φ= 40 nm

The cover of APL 11 Feb 2008 issue

Bi 2 Te 3 nanowires 

Sagging nanowire

In 2 O 3 nanowires- 

Is the next step FIB?

SiGe nanowire

Bi 2 Te 3 nanowire 

Pickup probes 

Bi 2 Te 3 nanowire 

Diameter ~ 150 nm

In situ real-time observation of dying process 

in tumor cells triggered by gold nanorods 

Cheng-Lung Chen, L. R. Guo( 郭玲如 ), S. Y. Lee ( 李欣瑜 ), 

Yang-Yuan Chen ( 陳洋元 ), Y. Hwu ( 胡宇光 ), Kowa Chen ( 陳科 

華 ), C. K. Huang ( 黃政廣 ), Su-Jien Lin, S. C. Shen ( 沈書甄 ) and 

J. D. Huang ( 黃靜端 )

( 冷凍療法 ) ( 發熱療法 ) 

( 熱燒灼法 ) 

Source: Paul Stauffer, Chris Diederich, Jean Pouliot 

Radiation Oncology Dept.University of California, San Francisco

Choice of the best laser wavelength for photothermal therapy 

Water contributions 

Melanin ( 黑色素 ) 

Oxyhemoglobin ( 帶氧血紅素 ) 

contributions 

400 500 600 700 800 900 1000 

Hemoglobin ( 血紅素 ) 

contributions 

Main absorbers of NIR radiation in the human body 

Nat. Biotech. 19, 316 (2001). 

AuNRs possess excellent surface plasma resonances in the NIR that is readily 

tunable to regions where optical transmission through tissues is at its maximum.

Au Nanorods 

Features 

* Produced by reduction of gold metal salt in the presence of 

surfactant molecules (Seed method, EI-Sayed et al. 1998) 

* Aspect ratio is tunable: 2 ~ 4.5 

* Exhibiting unique two bands of Surface Plasmon Resonance (SPR) 

absorption due to the anisotropic shape. 

* Absorption cross sections are at least five orders larger 

than those of conventional dyes. (J. Phys. Chem. B 110, 7238 (2006)) 

Adv Mater, 21, 1-31 (2009) 

Surface Plasmon Resonance

Chem Mater, 15, 1957 (2003) 

Synthesis of Au Nanorods

Gold Nanorods with different aspect-ratios

Aspect ratios control 

Aspect Ratio ~ 3.92 

L x W ~ 40 x 10 nm

Surface modification of Au Nanorods 

Polystyrenesulfonate sodium 

(PSS) ~ 70 kDa 

ACS Nano, 2, 2481 (2008)

LSM 510 META/ Observer Z1, Zeiss 

*Resolution: 176×176 nm 2 per pixel, 

*A tunable femtosecond (fs) Ti:Sapphire laser (Spectra-physics MaiTai HP) 

with a duration time of 100 fs and a repetition rate of 80 MHz 

was used as a excitation source. 

( 中央研究院農業生物科技研究中心 

倒立共軛焦顯微鏡室 )

Two-photon photoluminescence (TPPL) 

imaging of Au nanorods 

Au NRs 

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 15752 (2005). 

Phys. Rev. Lett. 7, 229 (1961)

How are gold nanorods ingested by EMT6 cells ? 

Transmission Electron Micrographs 

Au NRs 

By phagocytosis-like process: 

• Cell membrane extension 

• Cell membrane fusion 

• AuNRs in vesicles

The ingested quantities of nanorods in each cluster ? 

TEM Picture 

Each cluster : 

~ 30 – 100 AuNRs 

AuNR clusters

Fluorescent dyes exclusion method is 

applied to in situ real-time monitoring 

λ:500~530 nm 

λ:575~630 nm 

YO-PRO-1 

(green coloring) 

Excitation : 488 nm 

detection of 500~530 nm 

Overlap 

Propidium iodide 

(red coloring) 

Excitation: 561 nm 

detection of 575~630 nm 

BioTechniques, 32, 666 (2002)

56 mJ/cm 2 

Ingested AuNR cluster 

quantity N~10-30 per cell 

200 

150 

YO-PRO1 

PI 

Intensity 

100 

50 

0 

0 5 10 15 20 

Time(min) 

The fluorescence in variations 

of YOPRO-1 and PI

28 mJ/cm 2 Ingested AuNR cluster 

quantity N~10-30 per cell

SEM image of EMT-6 cells after excitation 

cells incubated with Au NRs 

cells without Au NRs 

93 mJ/cm 2 12μm 

28 mJ/cm 2

Fig. 7 Scanning electron micrographs of EMT-6 cells 

(a) 

w/o NR 

Control 

(b) 

w/ NR 

(c) 

(d) 

w/ NR w/ NR

The feasibility of Au nanorods for in vivo 

tumor targeting and photothermal therapy 

D. Peer et al. 

Nature Nanotechnology, 

2, 751 (2007) 

H. K. Moon et al. ACS Nano, 3, 3707 (2009)

Laser Irradiation set up 

Detector 

9cm 

Loader 

7.5cm 

Laser 

Put the mouse’s ear onto the hole, and 

fix it by tweezers

Results 

No EMT‐6 d=0.2 mm 

EMT‐6, d=0.7mm for 6 days 

CT‐26, 4.5 mm for 15 days 

CT‐26

Non‐linear decay? 

1. Powermeter(fructuation) 

2. Tumor organization(bubble) 

3. Devices(setup) 

Laser beam 

P(x)=P 0 exp(x/x 0 ) 

P(X)/P 0 =exp(x/x 0 ) 

Bubble 

Ear 

Tumor 

ln(P(x)/P 0 )=x/x 0 

Two boundaries: tumor cell and 

bubble

Observation 

We can realize whether the function work or 

not 

photothermolysis 

by two method 

1.Volume size 

2.H & E stain( hematoxylin and eosin 

stain)

1. 橡膠鍵鏈結構與自由能的關係王韻筑 2007 

2. 鐵線之熱電性質李欣瑜 2007 

3. 導熱管之研究陳鼎元 2008 

4. 太陽能吸收面板彭久芳 2009 

5. Ranking cycle 徐鼎昀 2011 

6. 奈米尺度下水溶液之熔點變化探討吳維傑、謝庭豐 2011

濃度 0.1m 0.2m 0.5m 1.0m 

熔點溫度 

(℃) 

-10.30 -11.04 -14.61 -17.02

物理的妙用 - 中研院物理研究所- Academia Sinica

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