理學院
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學院概況
理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。
特色理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。
理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。
在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。
在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。
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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 磁場增強石墨氮化碳基二硫化亞鐵異質接面的氮氣還原光催化劑(2022) 張芷瑜; Chang, Chih-Yu在自然界中,固氮酶在環境條件下將氮氣固定成生物可用的形式,但是生物合成的方式無法迎合人們的需求,因此需要透過人工合成法達成。在現代社會中,世界上一半的固定氮是通過工業哈伯法製氨所達到人類所需,這種氨合成法需在高溫和高壓下才能進行。因此,欲藉由本篇論文提出了一種由仿生團簇二硫化亞鐵和二維層狀半導體材料石墨氮化碳共同組成的固氮酶模擬物異質接面,此光催化劑可以在環境溫度和壓力下完成光催化氮氣固定和轉化為氨分子,並且透過增加反應磁場的變化對氮氣還原具有更高的活性。本篇論文的結果將擴展材料設計和工程的範圍,以創建在溫和條件下運行的鐵基氮氣還原光催化劑。Item 二硫化鉬相關異質結構分析(2021) 許銓喆; Hsu, Chuan-Che我們分析二硫化鉬異質結構的物理特性,我們將鐵磁性材料(鐵、鈷鈀合金)和功能性材料(金、C60)鍍在二硫化鉬的薄片上。所有實驗中的二硫化鉬都使用化學氣相沉積(CVD)來製備於二氧化矽/矽(1 0 0)上。在鍍上異質結構之前,我們都會利用原子力顯微鏡(AFM)、光致發光光譜(PL)和拉曼光譜(Raman)來檢查二硫化鉬的基本性質。形貌上,發現一些有趣的現象:高溫下(約500 k)在二硫化鉬上鈷鈀合金的實驗中觀察到有奈米顆粒會聚集在單層二硫化鉬的邊緣,然而在多層二硫化鉬中這些奈米顆粒則在每層邊緣平行排列,且我們也觀察到光致發光的quenched (淬滅)現象,這證明高溫下鈷鈀合金也有覆蓋在二硫化鉬的平台表面上且非常的平坦,粗糙度約小於±0.5 nm,相較之下,常溫下成長在二硫化鉬的鈷鈀合金薄膜卻很粗糙(粗糙度~±2 nm)。再來是關於二硫化鉬上金(2~8 nm),我們觀察到高度反轉的現象。鍍金前,二硫化鉬到基板二氧化矽的台階高度為 +0.66 nm,這大約是正常的二硫化鉬的單層厚度。鍍金後,二硫化鉬到基板之間的高度反轉成(約-1.0至-3.5 nm)。此高度反轉現象的原因是金在二硫化鉬和基板上的不同生長模式,且這機制會取決於金的鍍膜時的溫度和金的厚度。關於磁性方面,令人驚訝的是我們觀察到鐵磁性材料(鐵、鈷鈀合金)/二硫化鉬與旁邊的基板二氧化矽之間有magnetic decoupling(磁去耦合)的現象。儘管二硫化鉬厚度(~0.66 nm)比鐵或鈷鈀合金的厚度更薄,關於3.6 nm的鐵在二硫化鉬上的矯頑場 (Hc) 為 28 ±5 Oe,然旁邊區域基板二氧化矽上的3.6 nm Fe的Hc約為 58 ±5 Oe,可看出矯頑場有明顯的差異(約30 Oe),之所以會有magnetic decoupling是由於鐵在不同基材上具有明顯的界面的磁各異向性。且也觀察到鈷鈀合金在二硫化鉬上也有類似的現象,在二硫化鉬上的鈷鈀合金(8 nm)的Hc為 52 ±3 Oe,旁邊的基板二氧化矽上的鈷鈀合金Hc 為 64 ±3 Oe,可得知鈷鈀合金上也會觀察到magnetic decoupling的現象。 最後,關於有機材料在二硫化鉬上的研究,隨著C60覆蓋度的增加,PL峰值從原本是二硫化鉬主導的1.83 eV變為C60主導的1.69 eV,此外在 C60/二硫化鉬這異質結構上證明了連續雷射會導致C60脫附。大約10 mW/µm2 的雷射功率就足以讓二硫化鉬薄片中的 20 nm C60脫附,所以可用這方法設計約為 500 nm微觀圖案。除了形態結構之外,還通過連續雷射誘導C60脫附的方法,來觀察在C60/二硫化鉬上微觀圖形的PL,關於上述在二維材料二硫化鉬基本研究(形貌,磁性,有機材料雕製微觀圖形),相信這對未來的二維材料的二硫化鉬自旋電子應用或元件設非常有幫助。Item 紅熒烯對鎳/矽(100)系統磁性與結構的影響之研究(2021) 李有庠; Li, You-Siang新興半導體材料的研究日益增長,近年來以紅熒烯為主軸的研究也相當活躍。鐵磁性材料會受紅熒烯影響而改變晶體結構,而本實驗室近年來研究亦指出鐵磁材料鈷受到紅熒烯介面影響在晶體結構以及磁域翻轉的描述有卓越的研究成果。鎳受到紅熒烯的影響,產生磁性與結構上的變化,成為本論文研究重點。本研究利用磁光柯爾效應儀、原子力顯微鏡、磁光柯爾顯微鏡、X光繞射儀、X光反射儀與X光電子能譜儀,去探討鎳/紅熒烯/矽(100)系統的結構與磁性變化。第一部分在鎳/矽(100)系統中,磁性量測矯頑力隨薄膜厚度增加的變化,矯頑力在鎳厚度28奈米時由50 Oe上升至100 Oe左右,而在鎳厚度約28奈米時透過X光繞射確認鎳薄膜開始出現了Ni(200)及Ni(220)兩個磁化難軸的晶向;第二部分分別在鎳的上方及下方加入一層紅熒烯,並從結構分析上得知鎳的晶體結構會因為紅熒烯的加入使得晶粒的增長更加明顯,並且在鎳與紅熒烯的介面層有化學鍵結的產生。而在第三部分鎳/紅熒烯/矽(100)系統中透過加入少量而不同厚度紅熒烯,觀察上層鎳薄膜的磁性變化,在加入少量紅熒烯之後,矯頑力在鎳厚度28奈米時由50 Oe巨幅上升至150 Oe左右,除了從第二部分即可得知的結構變化外,配合科爾顯微鏡以及原子力顯微鏡的測量得知表面顆粒造成的磁性缺陷也扮演著影響磁性的重要角色。Item 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Item 氧化鈷在11原子鈷層/矽(111)上交換偏移相圖與鈷在銀(√3×√3)/矽(111)之磁性研究(2011) 許志榮整個論文架構分為三大主題:即「超高真空系統之搬遷與設置」、「y ML CoO/11 ML Co/Si(111)」和「y ML Co/Ag/Si(111)- √3 × √3」之研究。「超高真空系統之搬遷與設置」包括腔體拆解、組裝與表面物理實驗室的規劃以及採取各個步驟和設計流程的原因。在反鐵磁層與鐵磁層「y ML CoO/11 ML Co/Si(111)」研究當y = 5、10、15時,其交換偏移作用是屬於哪一種類型(HE不為零或者Hc變大),實驗的方法是採用「零場冷卻」與「場冷卻」兩種方式來對照,並期許能將實驗結果彙整成交換偏移相圖。「y ML Co/Ag/Si(111)- √3 × √3」先將Ag與Si(111)形成結構為√3 × √3的表面合金,之後再鍍上不同層數的Co膜,以磁光柯爾效應儀研究一系列磁性行為的變化。在反鐵磁層與鐵磁層系統「y ML CoO/11 ML Co/Si(111)」研究結果,在y ≤ 10時,是屬於Hc變大之交換偏移模型,其原因為低層數CoO以奈米顆粒的方式堆積,使得其磁異向性相較外加場來說是比較小,因此會讓柯爾訊號Hc增大。在y ≥ 15時,是屬於HE不為零之交換偏移模型,其原因為高層數CoO在11 ML Co/Si(111)上形成膜,使得其磁異向性相較外加場來說是比較大,因此會讓柯爾訊號HE不為零,最後,彙整交換偏移相圖,交換偏移相圖中分成三個相位,即HE不為零之交換偏移、Hc變大之交換偏移和沒發生交換偏移。「y ML Co/Ag/Si(111)- √3 × √3」研究結果,雖然在y<4.38時沒量測到縱向柯爾訊號,然而從4.38 ≤ y≤10.21之縱向柯爾訊號做線性推斷其通過原點,表示Ag與Si(111)形成Ag/Si(111)- √3 × √3表面合金之後,能有效消除死層,阻止Co與Si(111)形成矽化物。且在4.38≦y≦10.21時,鍍於表面合金Ag/Si(111)- √3 × √3上的Co膜其易磁化軸為水平方向。在其相轉變研究方面,3.65 ML Co/ Ag/Si(111)- √3 × √3 (Ag的殘存量0.48 ML)推估其居里溫度約在275 K到300 K之間,3.51 ML Co/ Ag/Si(111)- √3 × √3系統(其中Ag的殘存量為0.53 ML)中,3.51 ML Co的厚度仍然太薄,3.51 ML Co/ Ag/Si(111)- √3 × √3的居里溫度可以推估小於150 K。Item 奈米級Rubrene/Co薄膜之結構、電性與磁性(2014) 楊鈞凱; Andy本實驗利用磁控射頻濺鍍的方式成長鈷,以及蒸鍍的方式成長紅熒烯,在單晶矽(100)上成長複合結構,再配合磁光柯爾效應儀進行磁性分析、原子力顯微鏡進行表面結構分析、還有Keithley2400進行電性量測。第一部分的實驗先探討鈷/矽基板的表面結構與鍍率,在特定條件下將鈷濺鍍在矽基板上會有三角錐的結構,再來是紅熒烯/矽基板各種溫度與厚度的表面結構與鍍率,而在不同溫度下蒸鍍紅熒烯其成長的方式大致上相同,不過蒸鍍溫度越高的情況下成長流程會在越薄的厚度就完成。第二部分是將紅熒烯(1、4 nm)蒸鍍在矽基底上,使紅熒烯成顆粒結構,藉此限制鈷的成長範圍,再將鈷濺鍍上去,在1 nm紅熒烯這組實驗中,鈷的hcp結構能從紅熒烯顆粒中露出的矽基底順利成長出來並蓋住整個表面,殘磁與飽和磁化量皆隨鈷增加而增加,由於鈷的hcp結構異向能強,因此可以保持矯頑力穩定,不隨表面粗糙度變化,而在4 nm紅熒烯這組實驗中,由於底下的紅熒烯非常緻密,以至於能從細縫中以hcp結構成長出來的鈷極少,必須濺鍍到相當厚度的鈷才能觀察到三角錐,而殘磁與飽和磁化量也隨鈷厚度增加而增加,矯頑力也是保持穩定。第三部分則是針對紅熒烯做電性量測,一共做了CPP量測、四點量測及兩點量測三種,發現因為濺鍍的鈷的動能大,因此會混入紅熒烯中,形成混合層,而我們可以利用所量測到的電阻值定出混合層中有多少的鈷及多少的紅熒烯。Item Item 石墨烯/鈷/銥(111)插層結構的磁特性研究(2018) 黃盛吉; Huang, Sheng-Ji本研究我們會系統化地研究不同界面對於鈷/銥(111)系統的磁性影響,利用歐傑電子能譜儀研究系統成分及化學狀態、表面磁光柯爾效應儀研究系統磁性變化。首先以石墨烯此一非金屬二維材料作為介面系統,並變更鈷厚度來探討石墨烯/鈷/銥(111)的影響變化。鈷薄膜皆會在熱退火後插層至石墨烯下方,並在鈷厚度還太薄時其系統的居禮溫度低於室溫,之後隨著鈷厚度增加,系統磁易軸會從極向慢慢轉往縱向,此外極向的矯頑力還會隨著鈷厚度增加而下降。之後嘗試覆蓋銀薄膜改變石墨烯/鈷的界面效應,同樣在熱退火後發現鈷會插層至銀/石墨烯下方,並發現銀能有效降低系統的極向矯頑力,更使得磁易軸轉換的鈷厚度得到提升,確切地顯示出銀薄膜能使得石墨烯/鈷/銥(111)系統的垂直異向性得到增強。本研究中覆蓋銀的方式有兩種,其一是直接在石墨烯/鈷/銥(111)上直接蒸鍍銀薄膜,另一種先製備鈷/銀/石墨烯/銥(111)系統後,再以熱退火的方式使其變成銀/石墨烯/鈷/銥(111)系統。兩種製備方式所量測出的磁滯曲線大有不同,後者能得出較為方正的磁滯曲線。但不論是何者皆顯示銀覆蓋層能使石墨烯/鈷/銥系統的磁易軸更加穩固在極向方向的作用。另外本碩論亦詳細計算出受銀影響前/後的介面異向能數值,這使其在自旋電子元件與磁紀錄媒體的開發上有所助益。此材料不論鈷或銀厚度如何,其各成分元素皆保持穩定的化學態,也即在生產階段可以保持良好品質的薄膜,應用於元件而具有優秀良率。Item 鐵磁薄膜誘發富勒烯XMCD之磁性探討(2017) 徐凱霖; Hsu, Kai-Lin本實驗內容主要探討在鐵、C60多層膜結構於Au/Al2O3基板上,經軌域混合後誘發C60磁性,並從X光的圓偏振二向性現象量測來自於C60有極大的訊號。 我們的樣品主要結構是鐵、C60多層膜,重複堆疊沉積於Au/Al2O3基板,使用的鍍膜裝置為電子束熱蒸鍍於超高真空系統內,利用磁光柯爾效應(MOKE)進行一系列的磁性量測,發現其磁易軸方向為平行於樣品,而在X光的圓偏振二向性現象(XMCD)發現碳的K edge有極大的自旋極化率,並且連帶影響到鐵本身在L2,3-edge的極化率,這些變化會依據C60的厚度而有所改變,根據此結果,我們將探討鐵與C60是否有耦合的情況發生,從拉曼光譜中的特徵峰位移以及D-band訊號的改變確認鐵和C60之間有介面耦合的情形發生,之後透過穿透式電子顯微鏡(TEM)得知樣品橫截面構造以及厚度,以及掃描電子顯微鏡(SEM)得知樣品表面結構,這些實驗結果顯示了鐵和C60之間的介面耦合。