物理學系
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近年來已在課程方面 著手變革，因應學子的各種不同的生涯規劃與需求，加強職業輔導與專業能力的提升，增加高科技相關課程，提供光電學程（光電半導體、半導體製程技術、近代光 學與光電科技等）、凝態物理、表面物理與奈米科技、高能與理論物理、生物物理、應用物理等研究發展專業人才，並配合博士逕讀辦法，讓大學部學生最快能在五 年內取的碩士（透過碩士班先修生），八年內取得博士，有助於提升本系基礎與應用研發能量，為各學術研究機構與業界高科技創新與研發人力（包括在光電業、半 導體製造業、電腦週邊產業等）。
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Item 稀土鐵石榴石與鈣鈦礦奈米材料之結構、磁性和應用(2023) 劉仕渝; Liu, Shi-Yu鈣鈦礦和稀土石榴(REIG)薄膜具有優異的光學和磁光特性。因此，將這兩種材料結合在一起可以創造出具有可調控光學和磁性性能的異質結構，並應用於光學通信、光學記憶和磁光元件等領域。在本研究中，我們將深入探討鈣鈦礦和REIG薄膜各自的潛在價值。近年來，一些研究表明使用稀土元素(RE)元素代替釔(Y)來調節石榴石薄膜的應變誘導磁異向性。REIG薄膜(~100 nm)藉由脈衝雷射沉積法製備於(111)取向的釔鋁石榴石(YAG)基板上。釤、钬和釔鐵石榴石(SmIG, HoIG, and YIG)具有垂直於膜面的壓縮應變，而鉺和铥鐵石榴石(ErIG and TmIG)具有弱的拉伸應變。由於負磁致伸縮常數，因此SmIG和HoIG薄膜表現出相對強的垂直磁異向性(PMA)。隨著技術的發展，對高存儲容量和快訪問速度的需求不斷增加。因此我們選擇對擁有相對強PMA的SmIG薄膜進一步研究。藉由降低SmIG薄膜厚度，可使其具有更強的壓縮應變，進而獲得更強的PMA。相比之下，YIG在30-120奈米區間仍展現水平磁異向性(IMA)。這一發現表明磁性能受Y:Sm比的顯著影響。隨後，我們製備了一系列不同厚度、Sm摻雜濃度的SmYIG薄膜。振動樣品磁力計揭露隨著厚度的遞減和Sm摻雜濃度的增加，可使SmYIG薄膜具有較強的PMA。此外，我們展示了在不同Sm摻雜濃度下，SmYIG薄膜的臨界厚度。為基於REIG薄膜的高密度磁信息存儲鋪平道路。YIG與反鐵磁材料的結合因其在自旋泵等應用中的潛力而備受關注。因此，我們於YIG薄膜上沉積氧化鈷(CoOx)薄膜以研究介面效應。由於CoOx薄膜於高溫缺氧環境下製備，所以其表面區域由純CoO組成，界面區域則為CoO和Co的混合物。CoOx/YIG薄膜不僅表現出低溫下由CoO提供的磁耦合，還表現出由鐵磁Co提供室溫負交換偏置(RT-NEB)。與CoOx/YIG薄膜相比，我們於YIG薄膜上製造了進一步氧化的CoO薄膜，並觀察到室溫正交換偏置(RT-PEB)。RT-PEB隨著外加磁化場增加而增加，並在外加磁化場為500 Oe時飽和。隨著溫度降低，PEB 逐漸轉變為 NEB。這些結果清楚地表明 CoO/YIG 雙層系統中PEB和NEB共存，而PEB歸因於CoO界面自旋的反平行耦合，而NEB歸因於AFM-FM耦合。有機-無機鈣鈦礦(MAPbBr3)/鐵磁異質結構在光控自旋電子元件中已被廣泛探討。然而使用金屬鐵磁層作為底部電極仍然是一個挑戰。因此，我們提出插入氧化鋁(AlOx)或石墨烯(Gr)層的超薄異質界面來改善均勻性。通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡，我們觀察到MAPbBr3層成功地形成了緻密的連續薄膜。此外，AlO¬x或Gr層的存在可以有效地防止鈣鈦礦和鐵磁金屬薄膜之間的氧化和界面擴散。然而，MAPbBr3層在環境下很容易受溫度、濕度、氧氣濃度影響而分解。因此，我們製備了全無機銫鉛溴化物鈣鈦礦量子點(CsPbBr3 QDs)來替代鐵磁層上方的 MAPbBr3，並研究了藍光雷射對磁性的影響。隨著雷射照射時間的增加，CsPbBr3 QDs的表面形貌和特徵尺寸發生了顯著變化並逐漸演變，引發了一系列氧化還原和界面擴散過程，特別是在 CsPbBr3 QDs/Co異質結構的界面處。這些結果開啟了鈣鈦礦/鐵磁異質結構在自旋電子學應用研究。Item 氫氣影響鐵鈀合金與鎂基多層膜的磁性以及結構變化(2023) 廖黎杰; Liaw, Li-Jie氫化效應對磁性材料的影響已被廣泛研究，目前已知的熱門儲氫材料中以可在室溫且低氫氣分壓儲氫的鈀(Pd)為主，其高氫敏感性適合觸發材料中的磁性變化。本篇論文以第一部分著重在鎂(Mg)基儲氫材料，其儲氫能力是自身體積4倍最受矚目，然而Mg塊材需要高溫高壓的氫氣環境才能吸收氫氣並且儲存。通過鈀覆蓋層的催化作用，氫分子的裂解在催化過程中有效發生，促進氫原子擴散到底層的純鎂。該過程已被實驗證實在室溫、1 bar的氫氣壓力下發生。Pd/鈷(Co)/Mg多層膜的磁光柯爾效應(MOKE)在真空和1 bar氫氣壓力下測量以進行比較。氫化效應不可逆地將矯頑力(Hc)從25 Oe提高到大約200 Oe。在使用原子力顯微鏡(AFM)量測表面形貌下，氫化後的樣品表面粗糙度從0.1增加到6 nm，且通過 X 射線衍射(XRD)量測在室溫環境下形成穩定的MgH2相。此外，將具有高儲氫穩定性的Mg間隔層夾在Pd/Co/Mg/Fe多層結構中，以提高其儲氫穩定性並探索該結構的磁傳輸特性。透過平面磁場四點測量，磁阻率(MR ratio)的變化從0.22±0.01%增加到0.30±0.01%，這也表明MgH2增加了自旋散射概率和熱效應的穩定性。在我們研究的第二部分，我們重點關注了Pd的獨特性，特別是其高吸氫能力和可逆氫化行為，以及氫氣脫付的遲滯現象，這使其非常適合與氫相關的應用。為了解氫化對磁性的影響，我們的目的是探索氫化對磁異向性能的改變及其與FePd薄膜晶體結構的關係。我們採用X射線磁圓二色性(XMCD)來檢測氫吸收對FePd合金薄膜中Fe磁矩的影響，透過觀察到特徵峰的顯著變化，表明磁性行為發生了變化。值得注意的是，我們發現 FePd薄膜中的磁異向性可以通過吸氫和解吸過程可逆地旋轉無需外部磁場。這使我們能夠實現無磁場開關，這是磁控制領域的一個顯著進步。此外，我們的研究證實FePd薄膜的磁異向性主要受界面應變誘導的磁異向性能與傾斜沉積誘導的表面微結構之間的競爭，且通過橫截面透射電子顯微鏡(TEM)分析和檢查不同厚度的FePd異向能證實了這一觀察結果。總結來說，我們的研究為氫化對磁性薄膜磁性的影響提供了有價值的見解。這些發現證明了MgH2形成、自旋散射和Pd/Mg基多層膜的磁性之間的相關性。 FePd合金體系中磁異向性的可逆控制是通過吸氫和解吸實現。這項研究為自旋電子元件中氫遷移和存儲的控制提供了不同的見解，為磁性元件中的磁矩切換機制引入了新的自由度。Item 鐵磁性材料與二維材料之異質結構分析： 結構，磁性和特性操控(2023) 廖澤銘; Liu, Chak-Ming在二維材料體系中，獨特的特性和穩定的單層對稱結構具有發展令人興奮的物理的巨大潛力。此研究專注於製造 2D/2D 或 2D/鐵磁材料所組合的異質結構，並分析各種測量結果以研究幾個關鍵因素，包括擴散和插層現象、界面交互作用、以及涉及電子注入的化學吸附和物理吸附過程。在石墨烯(Gr)/CoPd系統中，Gr的覆蓋可以保護 CoPd 層免受氧化和層間擴散。如果沒有Gr，當暴露在大氣環境中 64 天時，表面粗糙度會增加，克爾強度百分比會降低。這表明未受保護的 CoPd 層隨著時間氧化和克爾強度退化。另一方面，當Gr存在時，形態和克爾強度保持穩定，保持CoPd的初始狀態。Gr充當保護屏障，防止氧氣和其他可能導致 CoPd 層氧化和降解的物質擴散。高溫成長的CoPd在 MoS2 上的沉積方法產生了均勻且平坦的二維層，如AFM 圖像中所觀察到的。CoPd 層的形態顯著影響 MAE，其中 CoPd/MoS2 的不同方位角方向表現出不同的磁異向能(MAE)。克爾圖像和磁滯迴線測量表明，改變 CoPd 層中 Co 和 Pd 的百分比組成（例如 Co 50%和35%）會導致 MoS2 的不同方位角方向都有其獨立的 MAE。 這表明MoS2的磁性能和優選磁化方向可以通過設計CoPd層的成分來控制。採用接觸力AFM技術可以去除PMMA殘留物，減小層間距離，剝離Gr層。通過施加110 nN的接觸力，樣品的粗糙度降低，並且可以觀察到Gr層中的皺紋。然而，由於剝離過程中引入缺陷，樣品的 PL 強度也會降低。當接觸力增加到 220 nN 以上時，結構損傷變得更加明顯，從輕微且不連續的薄片到 Gr 層完全剝落，使 MoS2 表面暴露。接觸力的作用對於確定剝落程度和最終的表面形態至關重要。此外，我們亦探討了在 Pt 尖端上施加正偏壓或負偏壓以及摩擦 Gr/MoS2 表面的影響，導致異質結構發生物理和化學變化，稱為掃描探針蝕刻。 該過程可以誘導MoS2從2H到1T相的相變或導致Mo-O鍵的形成。除了機械磨損之外，樣品和鉑尖端之間的水橋中還會發生電化學反應。產生的內部電場可以促進水分子的分離並誘導HER或OER。 這會導致 MoS2 結構的扭曲或氧鍵的形成。SPL處理後，D和G拉曼峰強度的比值（I(D)/I(G)）和I(G)/I(2D)比值可以洞察Gr結構的變化，包括空位濃度、結構連續性和晶格應變。MoS2 的 PL 特性表現出半導體行為改變。透過以上多個二維異質結構的研究，更多的功能性及操控有機會應用在未來的二維元件之中。Item Item Item Co/FePS3與Pd/Mg/[Fe/Pd]n異質結構的磁性與功能性(2023) Alltrin Dhana Raja Gopal; Alltrin Dhana Raja Gopal在本論文中，我們首先研究鐵磁/二維反鐵磁材料(Co/FePS3)異質結構的介面磁耦合，這對於未來在自旋電子元件應用中至關重要。原子力顯微鏡揭露機械剝離法製備的FePS3薄膜表面存在約單層的缺陷。隨著Co層均勻地覆蓋於FePS3層，其表面粗糙度降至~ ±0.5 奈米。在磁特性方面，Pd/Co/FePS3異質結構表現出水平磁各向同性，並且當溫度從~85 K升高到~110-120 K時，磁矯頑力急劇降低<50%，這與FePS3的尼爾溫度相似。因此，該結果支持Co和 FePS3 薄膜之間界面磁耦合的想法。隨後，即使在高達 473 K的退火後，Co和 FePS3 薄膜之間的磁耦合仍然有效。此外，X射線磁圓二色性證實了沿平行於Co薄膜磁化的方向存在非補償Fe磁矩。淨Fe磁矩應該在調控水平異向性的Co薄膜和垂直異向性的FePS3層之間的磁耦合中發揮重要作用。 在接下來的研究中，我們探討氫氣對Mg/[Fe/Pd]x/Pd和[Fe/Pd]x/Pd多層薄膜的磁性響應。我們製備了不同Fe層厚度(0.1, 0.2, 0.4 nm)和不同週期的Fe/Pd多層薄膜，並利用磁光柯爾效應在大氣和氫氣環境下觀測樣品的磁特性。實驗結果顯示Fe/Pd多層膜在大氣和真空中表現出相同的磁特性。然而當樣品暴露於1巴的氫氣後磁矯頑力迅速下降，且在氫氣環境中保持穩定。即使樣品離開氫氣環境，此氫化效應仍可維持長達約1個小時，並且該效應對磁特性的影響是可逆的。此外，在真空和氫氣環境下皆可觀測到清晰的磁域翻轉影像，與磁滯曲線的變化相呼應。緊接著，我們使用氬氣對Mg/[Fe/Pd ]x/Pd多層膜表面轟擊，以產生微小的缺陷，使得薄膜相對於原始狀態具有更強的磁性響應。Item Item Biomimicry of Human Pattern Recognition by Puzzle Solving Simulation(2023) Syifa Fauzia; Fauzia, SyifanoneItem 二硒化錸表面鍍鐵原子致形貌及電性變化(2023) 黃宇濤; Huang, Yu-Tao二硒化錸(ReSe2)為過渡金屬二硫族化物(TMDs)的一員，過往的研究顯示TMDs材料不可避免地會有原子級的缺陷產生，於是近期大家更關注於缺陷工程(Defect Engineering)上，試圖刻意控制缺陷的產生，來達到符合我們所需的材料特性。本實驗室透過超高真空系統的建立，確保欲研究的材料表面不受其他雜質吸附，並使用掃描式穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM)及掃描穿隧能譜 (Scanning tunneling spectroscopy, STS)進行原子級的表面與缺陷量測。我們利用機械剝離法並搭配使用電子束蒸鍍槍，觀察二硒化錸原始表面特徵、晶格結構、機械剝離後表面缺陷及鐵原子在其表面的缺陷樣式，並量測表面態電子特性，來分析表面缺陷型態和區域大小，對材料的物理特性所造成的影響。其中更發現在表面鍍鐵原子會使電性有類似於非揮發性電阻開關(Non-volatile resistive switching)，又稱作憶阻器效應(memristor effect)的現象，顯示了鐵原子在二硒化錸表面有可能因電壓的變換而影響整體排列結構的可能。Item 利用柱面共振腔產生及操控多重偏振雷射光源(2023) 曾文山; Zeng, Wun-Shan近年來量子糾纏以及量子通訊越來越重要，去年的諾貝爾物理獎也頒給了相關的主題，為了實現光學量子糾纏，一次產生多光源且具有偏振依賴相關性 (correlation) 的現象是很重要的。因此，本工作以共振腔產生多重雷射源，除了探討多個雷射源的偏振關聯性之外，這些雷射源的模態及偏振目前都能有效且穩定的被操縱。我們以柱面鏡組成凹平共振腔，並以雙折射晶體c-cut Nd:YVO_4 為增益介質，產生多重偏振雷射源，如Hermite-Gaussian (HG) 模態以及簡併態。由於使用雙折射晶體，共振腔可以產生較為豐富的偏振組態，調控離軸可使HG 模態的階數增加，其偏振皆保持線性偏振，且會隨著階數增加而有規律的變化。給予相同量值的正負離軸會得到一樣的HG 模態，但是線性偏振方向會相差90度。當離軸程度更大時，所產生的高階模態中央的部分維持線性偏振，外圍則觀察到橢圓偏振狀態，這是來自於發散角變大，雙折射現象引發的相位差所致。在特殊腔長下雷射模態會形成簡併態，為多個能量相同的HG 模態疊加而成，其腔內軌跡可以古典幾何光學解釋。隨著離軸增加，模態會向外伸展，垂直輸出的光源保持線性偏振。而具有相同發散角但朝著不同方向輸出的光源，偏振態從線性偏振變為橢圓偏振，當發散角夠大時，又會變回線性偏振。並且稍微增加腔長時會使所有偏振態具有幾乎90度的偏轉。若把簡併態的偏振結果繪製於龐加萊球 (Poincaré sphere) 上可發現，具有相同發散角但不同輸出方向的光源的偏振，會位於南北半球的相對位置上，這個多重雷射的偏振在龐加萊球上的現象非常相似於在布洛赫球 (Bloch sphere) 的兩個糾纏量子位元 (qubits)。因此，使用共振腔產生具有特殊偏振關聯的多重偏振雷射在光學量子糾纏的工作裡具有一定的潛力與應用。