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Why-why 科學探究學習平台( I )
(行政院國家科學委員會, 2012-07-31) 洪榮昭; 何慧瑩; 梅惠卿; 林明聖
探究教學方式所面臨的挑戰在於如何定義『探究』，以及該怎樣呈現『探究式學習』，科學教育的文獻中對於學生該如何從事科學式探究有許多的描述。這些論述都有一些共同的特點，就是鼓勵老師透過’觀察處理和分類一般物體’來幫助學生探究世界（National Science Education Standard, 1996, p.123）。Metz（1995）表示，科學教育認為學生對於具體的思考是’注重對直接可見物的觀察、排序和分類（p.93, 95）。過去以學生探索行為作為主題的研究顯示，學生往往無法將他們的探索觀察與潛在的科學概念作相互連結（Bianchini, 1997； Jimenez-Aleixandre, Rodriguez & Duschl, 2000； Krajcik, Blumenfeld, Marx, Bass & Fredricks, 1998）。另一方面，Hammer（2004）及Hammer and Van Zee（2006）提出青少年學生的在思維上的困難和限制，他們無法理解許多複雜的理論概念。目前’十萬個為什麼’ 教材就缺乏誏學生探究机會，學童看了教材仍無法理解科?的理論概念。因而學校科學教育必須為小學生創造探究式學習，探究式學習是為了提供學生具體經驗以發展邏輯推理能力，本研究將應用視覺思維理論來設計探究情節，提供學生預測、觀察和解釋why的經驗過程。建構式經驗主義者（e.g. Contessa, 2006）自然現象可區分為可觀察與不可觀察的。根據Van Fraassen（2001, 2002）的說法，建構式經驗認為’大量經驗’就等於’肉眼可觀察的即為真實’。對建構式經驗主義者來說，透過視、聽覺觀察自然現象或物化作用，可增強對自然事物作用或變化的了解，並產生’可觀察的’解釋。Harris（1992, 2000）提出，學童藉由模擬的方式來了解自然狀態， Gilbert et al.（2008）對模擬自然狀態的視覺化平台，有助於改善學童對艱深科學概念的理解。因而提供學童科學探究自然現象或功能的平台，可發展其科學的認知與理解。
在導電玻璃上電鍍鈷鉑奈米島團的研究
(2012) 陳藝丰; Yi-Feng Chen
薄膜和奈米島團的製備有很多種方式，其中可以在大氣下進行的方式之一就是電鍍。電鍍薄膜的過程中有許多的變因可以加以探討，本實驗想要建構一套系統化的討論方式，找出電鍍條件和薄膜特性之間的關係。實驗中，控制電鍍液的組成成分，探討的操縱變因為:不同的電鍍方式，而用來測量分析薄膜特性的儀器有: 恆電位儀（potentiostat）、恆電流儀（galvanostat）、螢光元素分析儀（x-ray fluorescence, XRF）、磁光柯爾效應儀（magneto-optical Kerr effect, MOKE）、原子力顯微鏡（atomic force microscopy），分別就:電鍍時的電流電壓變化分析，電鍍後膜的成分、磁特性、表面形貌結構這幾個面向來探討。本實驗將鈷鉑薄膜利用化學電鍍的方式鍍在導電玻璃(氧化銦錫ITO)上。電鍍液是由100 mM的硫酸鈷溶液和3.33 mM的氯鉑氫酸加上50.0 mM的硼酸(緩衝液)組合而成。電鍍的方式主要分成兩種，一種是定電壓電鍍法(potentiostatic)，另一種為定電流電鍍法(galvanostatic)。藉由固定電壓觀察電鍍時的電流變化，或是固定電流觀察電鍍時的電壓變化，搭配循環伏安法可以對於實驗結果加以解釋，並進一步地由成分分析和磁特性分析，觀察電流或電壓的大小如何影響鍍膜的成分，而膜的成分和磁特性和表面結構的關係也可以藉此探討出來。一開始，先做一系列相關鍍液的循環伏安法對照實驗，推測CV圖中特殊還原峰值電壓可能發生的反應，並在這些特別的電壓位置進行定電壓電鍍薄膜；我們選用了-0.45 V、-0.70 V和-0.85 V這三種特別的電壓大小去電鍍薄膜，接著利用元素分析儀討論在不同電壓下鈷鉑的還原比例，在-0.70 V的電壓大小可以得到鈷鉑還原比例約為1:1，並在這個條件下所鍍的薄膜其縱向矯頑力最大；在 -0.45 V的定電壓下電鍍的薄膜出現特殊形狀的磁滯曲線，探究其薄膜結構，則由原子力顯微鏡觀察到薄膜表面有自我叢聚的島狀微結構。最後利用定電流電鍍法，得到許多呼應定電壓電鍍法的實驗結果；並且可以觀察到利用化學沉積的方式，電鍍出來的薄膜具有多樣性的表面形貌，電壓和電流的些微改變，所鍍出來的薄膜表面形貌即有所不同，所以可以利用改變化學沉積的參數，製作想要鍍的薄膜的表面形貌。
硫酸鈉與硼酸溶液對導電玻璃ITO上鍍鈷的影響
(2012) 陳文賓; Wen-bin Chen
本研究探討硫酸鈉與硼酸溶液對導電玻璃ITO上鍍鈷的影響。以循環伏安法找出適合的電鍍電壓，並改變不同的電解質輔助液探討對鈷膜表面的影響。我們藉由金相顯微鏡、原子力顯微鏡對鈷膜表面進行觀察，再以固定電鍍電壓的方式，分析得到電流對時間的關係，判定鈷在ITO上為接近瞬時成核的機制，並利用磁光柯爾效應測量鈷膜的磁性。在實驗的過程中我們發現，電解質輔助液硫酸鈉以及硼酸各有其優缺點，硫酸鈉幫助我們決定所需要電鍍的電壓以及增加還原電流，硼酸輔助液不僅可以抑制產生Co的氫氧化物，它還能讓薄膜均勻成長。我們發現硼酸的濃度明顯影響Co島的結構，並進而改變磁性之量測結果。
鈷薄膜在鐵白金上成長之磁特性研究
(2013) 阮家治
本實驗在超高真空下進行，不同退火溫度的2 ML Fe/Pt(111)上成長Co超薄膜，並且對其進行退火處理的表面結構、成分組成以及磁特性研究，使用分子束磊晶的技術成長Fe及Co超薄膜，並利用低能量電子繞射儀，歐傑電子能譜儀以及磁光柯爾效應儀，探測樣品的表面結構、成分組成以及磁特性的研究，熱退火處理對Fe/Pt(111)系統中，當退火溫度超過570 K後，從歐傑訊號的變化可以看出 Fe/Pt介面形成了Fe-Pt表面合金，造成其矯頑力與柯爾訊號大幅提升。接著在不同Fe-Pt合金形成溫度的系統中成長Co薄膜，發現飽和磁化量與殘磁柯爾訊號受原子磁矩等量的增加而呈線性的增長，且矯頑力隨著膜厚上升達最大值，推測矯頑力上升是由於Co與下方Fe-Pt介面形成交換耦合作用之影響，並且在較低的Fe-Pt合金形成溫度，矯頑力提升的幅度較高。而後在Co/Fe-Pt/Pt(111)退火對磁特性影響的研究中，樣品溫度對磁性的影響在不同Fe-Pt合金形成溫度的系統中極為相似，可以發現其磁性隨樣品溫度在600 K以下時，受熱效應影響而下降，在600 以上時由於交換耦合與熱效應同時的影響使得磁性降低。在退火方面，Co/ Fe-Pt/Pt(111)系統中，矯頑力在600左右上升至穩定，750 K後又繼續上升，推測第一階段的上升應是Fe與Pt形成合金造成此趨勢，而第二階段的上升為Co與Pt形成合金造成，而飽和磁化量及殘磁柯爾訊號，升溫退火Co/ Fe-Pt/Pt(111)系統相似，皆無明顯變化，僅在Co/Fe-Pt/Pt(111)系統中，可以看到在600 K以下時柯爾訊號緩降，600 K以上快速下降，推測此差異應是由於Co薄膜與Fe-Pt介面的交換耦合效應。
鈷鉑表面合金與鐵超薄膜介面的磁性研究
(2011) 吳幸璇; Hsing-Hsuane Wu
我們利用歐傑電子能譜儀(AES)、低能量電子繞射儀(LEED)及表面磁光柯爾效應儀(SMOKE)探測鐵超薄膜成長在鈷鉑表面合金系統中表面成分、結構及磁性的變化；並且搭配升溫退火效應探討系統隨著退火溫度上升而造成表面成分、結構及磁性的變化。當鈷鉑形成表面合金的溫度為710 K時，鐵薄膜在成長的過程中會發生結構上的轉變，導致極向的柯爾旋轉角均會有最大值，且矯頑力仍維持原鈷鉑合金之大小，顯示其可以產生有效的垂直磁交換耦合彈簧效應。在較低的合金形成溫度550 K時，鐵薄膜在成長的過程中亦會發生結構上的轉變且極向的柯爾旋轉角亦會有最大值，但其柯爾旋轉角與矯頑場均小於710 K的鈷鉑表面合金系統，推測是由於退火溫度較低時，形成的鈷鉑表面合金結構不完美所導致。將鐵超薄膜成長在不同鈷薄膜厚度下所形成的表面合金，發現當鈷薄膜厚度僅有0.7 ML時，較不利於產生垂直的磁交換耦合彈簧效應；故我們可以推論出鐵薄膜成長在鈷鉑表面合金上要具有有效的垂直磁交換耦合彈簧效應時，增加鈷鉑表面合金的退火溫度與增加鈷薄膜的厚度均有利於增強有效的垂直磁交換耦合彈簧效應，藉此可以有效提高儲存密度。將鐵成長在鈷鉑表面合金上並對其進行加熱退火效應，量測磁性及表面原子的變化，由歐傑電子能譜儀觀測表面原子組成，可發現鐵原子隨著退火溫度上升會往基底擴散，而鈷原子則是會先往表面擴散後再繼續往基底擴散。而觀察其矯頑場的變化，可以發現在退火溫度升高至700 K以上時，矯頑場會大幅度上升，推測來源為Fe-Pt的形成，比較鐵成長在白金基底上的退火效應，發現相同的退火溫度中，Fe/Pt(111)系統的矯頑場會大於Fe/Co-Pt/Pt(111)，顯示在Fe/Pt(111)系統中鈷的摻雜不利於矯頑場的增加。關鍵詞：表面合金、鈷鉑、磁性、磁交換耦合彈簧效應
鎳/鈷/鉑(111)及鈷/鎳/鉑(111)系統其結構與磁性性質之研究
(2006) 何慧瑩; Huei-Ying Ho
本研究論文主要是利用歐傑電子能譜儀(Auger electron spectroscopy; AES)，低能量電子繞射儀(low-energy electron diffraction; LEED)，紫外光能譜術(ultra-violet photoemission spectroscopy; UPS)、以及磁光柯爾效應儀(magneto-optical Kerr effect; MOKE) 來研究Ni/Co/Pt(111) 及Co/Ni/Pt(111) 鏡像系統其成長模式、合金形成及表面磁性的關係。根據LEED(0,0)光束強度及AES訊號強度隨蒸鍍時間變化的關係，我們得知在室溫條件下，無論是Ni超薄膜在1 ML Co/Pt(111) 上成長(ML: monolayer)，或者是Co超薄膜在1 ML Ni/Pt(111)上成長時，都會先形成2層的層狀成長之後才開始3維的島狀成長。對此二系統而言，其升溫形成合金的過程都可被分成2階段，首先是升溫過程中，Co和Ni會先混合，然後Ni-Co混合層在更高溫時會擴散進入Pt基底，形成Ni-Co-Pt合金。其中，1-3 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)系統開始產生Ni與Co混合的溫度皆為420 K，此溫度與Ni覆蓋層的厚度無關；然而對1-3 ML Co/1 ML Ni/Pt(111) 系統而言，產生Ni與Co混合的溫度隨Co覆蓋層的厚度增加而升高。此二系統的Ni-Co混合層開始擴散進入Pt基底形成Ni-Co-Pt合金的溫度，皆隨著覆蓋層的厚度增加而升高。我們同時也量測在室溫成長時，其磁性隨覆蓋層厚度變化的關係。1層至24層Ni超薄膜在1 ML Co/Pt(111) 成長時，其磁化易軸(the easy axis of the magnetization)會在垂直樣品表面的方向，具有很強的垂直磁異向性(perpendicular magnetic anisotropy; PMA)；1至3層Co原子層蒸鍍在1 ML Ni/Pt(111)上，無論是垂直或者是平行樣品表面我們皆量測不到磁滯的訊號，此現象可能與Ni緩衝層阻隔了Co與Pt接觸有關。樣品經過升溫效應所產生的磁性變化其擴散過程一致。經過高溫處理過後的樣品形成了Ni-Co-Pt合金，合金的矯頑力(coercivity)大小可經由升溫時產生的合金濃度變化來控制。根據比較1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)與1 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)的實驗結果，我們發現當退火溫度(annealing temperature)介於750 K 和780 K之間時，表面合金結構會由NixCo1-xPt轉變成NixCo1-xPt3，藉由計算接近居禮溫度(Curie temperature)時的值(critical exponent)，我們得知此時表面的磁性結構亦由2維磁性結構的轉變成3維磁性結構，並且，在表面合金結構由NixCo1-xPt轉變成NixCo1-xPt3之時，居禮溫度隨退火溫度升高而下降的現象變得更明顯。此外，在相同退火溫度條件下，1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)系統的居禮溫度一直比1 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)系統的居禮溫度高，我們認為這種現象與Ni、Co的成分比有關。我們也經由研究2 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)、2 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)、12 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)、以及24 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)等系統來探討Ni、Co的成分比對居禮溫度的影響。另一組鏡像系統，2 ML Ni/2 ML Co/Pt(111)和2 ML Co/2 ML Ni/Pt(111)，經過退火之後，我們意外地發現樣品產生了spin reorientation transition (SRT)，這種現象在以1層Co及1層Ni當作緩衝層的系統中，完全沒有被發現過。我們認為Ni、Co的成分比及其分佈的均勻度應是造成此現象的重要因素，在本論文中我們會加以討論。
鐵/鉑(111)超薄膜上曝氧之組成與磁性研究
(2009) 李盈蓁
我們利用歐傑電子能譜儀(AES)及表面磁光柯爾效應儀(SMOKE)探測鐵超薄膜在純白金上經曝氧後的成分及磁性變化。在室溫下對鐵/鉑(111)系統曝氧，樣品表面含氧量隨著曝氧量增加而變大，當樣品表面含氧量達到飽和之後，表面含氧量即不再變化。從曝氧量的分析得知，平整的鐵薄膜表面較易形成鐵氧的化合，當表面形成氧化鐵之後，會開始出現島狀結構使表面變得不平坦，此時氧原子進行物理吸附速度會加快。不同厚度的鐵/鉑(111)樣品曝氧後，磁化易軸與未曝氧的系統一樣皆為縱向，然而受到表面形成之氧化鐵為弱鐵磁性所影響，表面曝氧達飽和吸附後，柯爾訊號會變弱。分析熱退火對曝氧前後之2 ML、3 ML鐵/鉑(111)系統的矯頑場之影響，我們發現無論是曝氧前或曝氧後的系統，其矯頑場在退火之後皆會上升，但是曝氧後的樣品矯頑場在較低的退火溫度即開始上升，可能是因為表面形成之氧化鐵具有鍵能較強的離子鍵，使得鐵原子不易向鉑基底擴散，因此能和鉑形成合金的純鐵厚度減少，使混合溫度提前。另外，鐵鉑合金會使矯頑場上升，然而表面氧化鐵形成會造成樣品的居禮溫度下降，此兩現象相互競爭，結果使矯頑場的變化並非隨著溫度升高而持續上升。從運用於磁記錄體的觀點出發來看，表面氧化鐵的形成對鐵鉑合金系統而言，因為不利於矯頑場增進的現象，因此較沒有實用的價值。