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 鈷/六方氮化硼-異質結構之表面形貌探討(2023) 蔡泓儒; Tsai, Hong-Ru由於二維絕緣體材料六方氮化硼 (h-BN) 與塊材結構亦為六方晶體的鈷 (Co) 之晶格結構一致,而且晶格常數的匹配度非常接近,因而此論文專注使用原子力掃描顯微儀 (Atomic Force Microscopy) 研究鈷在六方氮化硼上磊晶成長為薄膜的過程中,其表面形貌如何隨堆疊厚度而演化。本研究使用原子力顯微儀的輕敲模式,分析不同厚度的鈷連續薄膜和鈷微方格在矽基板和六方氮化硼的表面形貌,以及承受不同溫度的高真空熱退火前後的變化。實驗結果顯示,六方氮化硼在濕式轉移於矽基板歷經400度C退火一個小後,可達低於 ±1奈米的表面平整度。鈷薄膜蒸鍍於六方氮化硼,形成平整度約 ±2奈米,經歷400度C退火程序後,會形成較大的奈米島,高低落差為 ±5奈米,橫向尺寸約為數百奈米。此研究顯示,高溫退火對於「鈷/六方氮化硼」的形貌會有非常顯著的影響,這些實驗成果將能夠應用在使用「鈷/氮化硼」異質結構於未來的磁阻元件之中。Item 鐵/銥應變能與銀/石墨烯/鈷/銥異向能探討與磁性研究(2019) 謝振源; Hsieh, Chen-Yuan本論文包含兩個研究系統,一個是鐵/銥(111)系統,另一個是銀/石墨烯 /鈷/銥(111)系統。在鐵/銥系統研究中,根據磁光柯爾效應儀量測的結果, 當鐵薄膜厚度為三個原子層時,系統呈現非鐵磁性的行為,當鐵薄膜厚度 大於三個原子層後,磁光柯爾效應儀才量測到磁滯現象,並且磁化強度會 隨著薄膜厚度增加而呈線性增加。搭配低能量電子繞射儀的實驗結果,鐵 薄膜厚度在三個原子層以內時,繞射亮點的圖形是1 × 1結構,代表此時鐵 薄膜為面心立方結構,而隨著鐵薄膜厚度大於三個原子層時,在原來繞射 亮點的附近出現衛星亮點,這樣的結構是 Kurdjumov-Sachs 組織,即體心 立方(110)與面心立方(111)重疊的結構。由於結構上有所變化,而這變化在 一般情況下會是一個連續變化,所以系統結構會有一定的伸張或收縮,故 利用應變能計算做為理論模型,發現當系統累積的應變能大於鐵的面心立 方結構之表面自由能時,鐵薄膜無法再繼續成長面心立方結構,此時結構 的成長會變回塊材應有的體心立方結構。 在銀/石墨烯/鈷/銥系統研究中,利用歐傑電子能譜儀量測各層的歐傑 訊號,繪製出不同結構對歐傑訊號圖,來判斷銀和石墨烯經由熱退火後會 移到鈷薄膜的上方。而由於電子在移動的時候會因為非彈性碰撞有所影響, 故利用歐傑電子能譜儀量測到的鈷歐傑訊號做模擬,發現鈷薄膜到七個原 子層都還是層狀結構,因為石墨烯與非磁性覆蓋層接觸會改變異向能,故 利用磁光柯爾效應儀量測系統磁性,發現鈷薄膜的垂直磁化層厚度增加, 並利用異向能計算公式發現介面異向能從沒有銀的 1.59 mJ/m2 提升為 3.12 mJ/m2。希望從異向能提升來推測整個系統是具備 Dzyaloshinskii−Moriya Interaction,故將利用計算出的異向能數值帶入出 Dzyaloshinskii−Moriya interaction 造成的局部反向場的方程式進行計算,在計算的過程中得到上 下 介 面 的 Dzyaloshinskii−Moriya 密度值 , 建 構 出 不 同 厚 度 下 Dzyaloshinskii−Moriya Interaction 造成的局部反向場的數值變化。 期望能藉由各項數值計算來量化不同情況下的系統並搭配實驗結果來推演 至其它系統上,且提供預期系統會有何種物理現象的一個計算管道。在結構出 現應變的系統上,利用應變能計算將結構轉變的厚度計算出來,在磁性系 統中,利用異向能計算得出垂直磁化層數,並搭配 DMI 計算,將系統磁性 要考慮的因素納入,完善磁性薄膜的理論計算。Item 鈷/石墨烯的電化學與磁特性研究(2020) 楊廷勛; Yang, Ting-Xun本實驗利用原子力顯微鏡及磁光柯爾效應儀,對於濺鍍鈷成長於商用石墨烯/銅樣品,研究鈷/石墨烯的微結構對磁特性及電位磁控制之表現。本研究發現奈米級的濺鍍鈷薄膜成長於石墨烯樣品呈現出縱向磁異向性,同時透過磁光量測及原子力顯微鏡的確認發現該商用石墨烯/銅樣品表面具有規則化的刻痕,由於形狀異向性的影響,其縱向磁化產生了二對稱的面上難軸與面上易軸,而本系統的矯頑力隨著鈷厚度漸增,直到30 nm時達到穩定。 因此本研究群挑選20及30 nm的鈷/石墨烯樣品放入電化學反應槽進行電位磁控制的研究,然而已知不同的樣品在化學溶液中會產生各種氧化還原的變化,因此透過循環伏安法對鈷/石墨烯樣品進行研究是不可或缺的。本研究採用了溶液10及100 mM KCl分別加入0.1 mM HCl,發現了鈷及銅的氧化還原電位、氯離子吸附與退附電位以及HER反應電位,同時與能斯特方程預估的相同,較濃的溶液將使得氧化還原電位上升。 根據循環伏安法的研究結果,於是在電位磁控制的研究中將分成三個部分進行說明,分別是濃度、電位以及氯離子吸附對矯頑力的影響研究,並且分別選擇了不反應的電位區間及氯離子吸退附電位進行比較。可以明顯的發現濃度、電位較高以及未吸附氯離子的樣品表現出較高的矯頑力,這些現象共同表現出電雙荷層對於樣品表面磁異向能的影響進而產生矯頑力的電位磁控制特性。特別值得一提的是上述的電位磁控制研究皆為可逆控制,這對於其元件開發顯示出優異的應用價值。 關鍵字: 鈷 、石墨烯、電位誘導磁異向性、循環伏安Item 新穎材料 Cs2Nb4O11 與 MexMn1-xS ( Me = Co, Gd ) 之光譜性質研究(2010) 黃俊儒; Chun-Ru Huang們研究Cs2Nb4O11單晶樣品的光譜性質。Cs2Nb4O11於165 ℃展現反鐵電相轉順電相的相變,第一原理理論計算顯示,氧八面體中心的Nb(4)與Nb(5)的位移為相變主要機制,NbO6八面體沿著c-axis位移而造成氧原子週遭的環境不同,受到其它原子的吸引或排斥,所以高溫橢圓偏振光譜 ( T = 165 ℃) 顯示氧原子2p軌域上的電子躍遷至鈮原子3d軌域所需要的能量( 4.95 eV與6.07 eV )受到了影響。 其次,我們研究MexMn1-xS (Me = Co, Gd)多晶樣品的變溫拉曼散射光譜。隨著摻雜Co離子濃度增加,CoxMn1-xS樣品顯現值得注意的重點包括(i) 840 cm-1拉曼峰有藍移的現象;(ii) 840 cm-1拉曼峰隨著溫度降低有紅移的現象。我們推測840cm-1拉曼峰與小極化子機制有緊密的關連性,經由小極化子的理論分析顯示出其束縛能隨著居里溫度的降低而增加。此外,位於1000 cm-1的拉曼峰在溫度低於尼爾溫度時,其拉曼峰權重會上升。以上這些實驗結果驗證材料為具有複雜自旋-聲子交互作用的系統。Item 製作反鐵磁性的氧化鈷在鈷/矽(111)超薄膜上之交換偏移作用研究(2009) 莊家翔; Chiashain Chuang交換偏移作用在半導體上的想法已經被初步的完成。為了完成這個想法,鐵磁性的元素-鈷,被覆蓋於半導體中最具代表性的元素-矽晶面上。研究交換偏移作用在半導體上的第一步驟是製作反鐵磁性的超薄氧化鈷膜。在此文獻中,有三種方法被用在製作反鐵磁性的超薄氧化鈷膜。它們分別是「在常溫下以氧壓下鍍鈷的方式製作超薄反鐵磁氧化鈷膜於11 ML 鈷/矽(111)上」、「在常溫下曝氧於鈷/矽(111)上」和「在常溫下以氧壓下鍍鈷的方式製作超薄反鐵磁氧化鈷膜於已曝氧4000 L達飽和的11 ML 鈷/矽(111)上」。 在第一個方法中,不論是縱向和垂直方向的磁光柯爾效應,其阻隔溫度和交換偏向場都不遵守有限尺寸效應。這實驗結果顯示超薄反鐵磁性的氧化鈷膜或超薄鐵磁性的鈷膜中,可能有某種形式的奈米結構。 在第二個方法中,我們得到一個指數上升的方程式,藉由這個方程式我們可以預測鈷矽化合物(CoSi2)的混合層數。在5在15的鈷原子層中,從AES強度氧鈷比飽和的強度變化換轉成氧的吸附層數,我們可以用一個指數上升的方程式曲線來近似這些數據。這個方程式可寫成IO = (IO)0 {exp[(tCo-t0)/D]-1},其中(IO)0 = 0.41是氧的吸附比;t0 = 2.16 ML是鈷矽化合物(CoSi2)的混合層數;D = 6.98 ML是氧的平均擴散深度。 在最後的方法中,介於鐵磁層鈷與反鐵層氧化鈷介面的氧中,形成氧阻隔層,它會降低鐵磁層鈷與反鐵層氧化鈷的交換作用。另一方面此氧阻隔層也降低反鐵層氧化鈷的形成效率。 吾人提出三項重要的建議,它們分別是「零場冷卻過程」、「交換偏移磁性相圖」和「研究超薄反鐵磁層氧化鈷的表面形貌」。未來這三項建議若被實驗執行時,這可使我們交換偏移作用在半導體上的初步研究提升為交換偏移作用在半導體上的研究基石。Item 氧與氧化鈷在鈷/矽(111)超薄膜上之磁性研究(2008) 張惟祐; Michael摘要 本實驗在超高真空的環境中,使用蒸鍍的方式將Co膜成長在Si (111)-7×7表面上,通入高純度之O2來研究曝氧效應對於Co/Si(111)超薄膜之影響,以歐傑電子能譜儀分析其表面成份,以低能量電子繞射儀以及反射式高能量電子繞射儀觀察其表面週期性結構,以表面磁光柯爾效應儀量測其磁性質。 在純Si (111)基板以及CoSi2介面上,O2會有弱物理吸附而不形成化合態;在鍍上Co膜後,O2吸附之效應較強,且吸附效果隨著Co膜厚成正相關。而O2的吸附作用將改變Co/Si(111)超薄膜之表面磁性層的電子組態改變,故MS、MR與其磁滯曲線角型比皆呈現下降之趨勢。此外由於O2的吸附之效應,一方面降低了有效磁性Co的層數,因而降低了HC;另一方面形成了釘紮區域(pinning sites)阻礙磁化的反轉,因而提高HC,而本系統所觀測到HC之變化為此兩種效應互相競爭的結果。 另一方面,以氧壓下鍍Co的方式製作超薄反鐵磁CoO膜於11 ML Co/Si (111)上,其易磁化軸由原本的水平膜面轉變至傾斜出膜面。且經過場冷卻至150 K可發現水平膜面與垂直膜面兩方向皆有交換偏壓的現象產生。於 CoO膜厚為20 ML時,此系統有最大水平膜面交換偏向場為258 Oe,且其阻隔溫度為200 K;而於CoO膜厚為15 ML時,此系統有最大垂直膜面交換偏向場為924 Oe,且其阻隔溫度為164 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 以電鍍方法成長Co/Pt(111)薄膜及其磁性研究(2015) 郭唯旭; Kuo, Wei-Hsu在研究中,使用電化學的方式在水溶液環境中成長Co薄膜在Pt(111)上,透過加入Pb與紫精酸形成完全不同的磁性異質介面,研究Co薄膜受到不同的介面異向能以及不同的量測電位對磁特性的影響,利用循環伏安法(cyclic voltammetry, CV)鑑定成分,並使用磁光柯爾效應(Magneto-optic Kerr effect, MOKE)進行磁特性的量測。 實驗中Co薄膜成長在Pt(111)上並不會形成合金亦不會形成磁性死層,在5 nm 以上時可以穩定存在,不與溶液中的各種離子起化學反應,並且在不同的量測電位可以發現矯頑力會受到電場影響而增強的現象。 在Co/Pt(111)上加入Pb的覆蓋層,發現矯頑力並無明顯變化,推測是Pb只吸附在薄膜上不與Co形成合金態,且並未影響介面結構,導致矯頑力不變。 加入紫精酸則可發現矯頑力受到介面異向能的改變而變化,然而飽和磁化量、殘磁以及方正度均沒有明顯的變化,在不同的電位量測紫精酸對矯頑力的影響,發現紫精酸隨著電位變化,因為各個不同的官能基受到電位影響的能力不同,產生了不同的吸附狀態,使得表面的電子分布不同進而讓表面的鈷原子間自旋或軌道的角動量耦合改變,這樣的現象可近似於表面磁矩間耦合的缺陷增強或減弱而使得矯頑力變化,而這樣的表面現象僅影響薄膜的表面,因此表面特性的貢獻比例會持續隨著膜厚下降,此研究結果發現在此系統中可以利用電位的不同來瞬間控制磁性薄膜的矯頑力變化,極富應用價值。Item 奈米級紅熒烯/鈷薄膜的物理特性研究(2019) 周彥維; Jhou, Yan-Wei近期可撓式電子產品日益增加,且有機半導體材料具有由於低成本,且易於低溫製程,所以引起了很多關注,其中紅熒烯是具有高載子移動率的有機半導體。本研究中第一部分為紅熒烯奈米級雙層結構研究。X光反射率實驗與擬合,其中紅熒烯薄膜出現雙層模型特性,同時可定出紅熒烯表層的厚度為2.7±0.2奈米,且表層的散射密度長度數值低於下層塊材。紅熒烯厚度增加時,可以觀察到紅熒烯的表面形貌變化,從小顆粒轉變成大顆粒的奈米域(nano domain)。透過X光繞射實驗中,得知紅熒烯薄膜中具有相位分離的分層現象,代表紅熒烯薄膜中具有非單一晶相的奈米域,其中表層具有兩種次要結構,且下層塊材會有另一主要結構。不同厚度下紅熒烯薄膜彈性模量實驗,也可觀察到紅熒烯薄膜具有雙層模型特性趨勢,而後結合雙層模型彈性模量理論進行擬合時,可得知紅熒烯薄膜中表層與下層塊材間彈性模量等。四點探針電性測量時,紅熒烯薄中的雙層性質可用於表現在它的電阻行為,其中觀察到界面粗糙度對傳導電子的傳輸路徑敏感,該訊息對於有機半導體在可撓式面板中的未來應用是具有相當價值。 第二部分的研究為鈷與紅熒烯在矽(100)上形成複合性薄膜的表面與磁性的研究,實驗中嘗試鈷與紅熒烯的比例為1:0.33、1:0.5、1:1。而複合薄膜成長時會傾向層狀方式成長,上層主要為紅熒烯,下層主要為鈷-紅熒烯。當複合薄膜厚度較厚時,其中足夠量的紅熒烯會形成界面活性劑,降低薄膜與矽(100)基板間界面的交互作用,使薄膜表面會非常平坦,且此時樣品的矯頑力較低,當複合薄膜厚度較薄時,表面會有殘留一些鈷的顆粒,薄膜表面較粗糙,其中粗糙的表面代表薄膜中有許多的缺陷,才會使磁化翻轉時矯頑力較大。在鈷與紅熒烯複合薄膜中,當提升紅熒烯薄膜的量時,讓複合薄膜中的鈷與紅熒烯的界面增加,且增加紅熒烯的界面活性劑作用機會,進而提升複合薄膜的品質。 第三部分的研究為紅熒烯插層在鈷/矽(100)的表面與結構對磁性影響的研究。在鈷/矽(100)中會形成奈米鈷晶粒,在插層紅熒烯薄膜之後,紅熒烯會向上層的鈷擴散,讓鈷偏向形成非特殊晶相的膜,並且矯頑力的降低歸因於磁性材料中的缺陷密度下降。而在矯頑力數值附近的鈷/矽(100)柯爾顯微鏡圖像,觀察到在暗圖像中具有一些隨機分佈的缺陷,通過增加外加磁場,缺陷並不會在不同的磁場下移動,並且作為磁域壁運動的釘扎點,通過對鈷/紅熒烯/矽(100)的缺陷密度和矯頑力分析,進而得知樣品中鈷薄膜的磁域會以一維彎曲模型進行磁化翻轉,且缺陷與磁域壁為較強的交互作用。此研究主要透過磁光柯爾顯微鏡直接觀察到薄膜中的缺陷並定量出薄膜中的缺陷密度,如果此技術更加成熟,可以提供給磁性材料一個快速篩檢缺陷的方式。透過紅熒烯界面活性劑效應,改變薄膜中的缺陷,最後影響到薄膜中的磁特性,如果未來能結合薄膜彈性模量的研究,可以提供在可撓式有機磁性面板的開發。Item