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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    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。
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    有機磁性半導體—富勒烯與鈷的交互作用探討
    (2022) 徐健真; Hsu, Chien-Chen
    在自旋電子學中,磁性半導體是其中一個重要研究領域,其中有機材料與磁性材料的電子交互作用,是如何影響有機-磁性複合材料的磁性與電子傳輸行為,更是一個需要深入探討的領域。本研究使用物理氣相沉積法 ( Physical Vapor Deposition, PVD ),於超高真空系統 ( Ultra-High vacuum system, UHV ) 中,選擇在Al2O3 與Si兩種基板上,成長了C60/Co/C60與C60/Co的三層膜與雙層膜結構。透過探討薄膜磁性、表面形貌、光致螢光光譜( Photoluminescence, PL ) 與拉曼光譜 ( Raman Spectrum ) 、電壓-電流性質、磁阻響應與霍爾效應 ( Hall effect ) 在不同溫度的真空熱退火前後的變化,並以共鍍方式成長了不同比例的Co-C60 複合材料,並與上述退火實驗結果進行比較。本實驗分為兩大主軸,第一部分為C60薄膜與C60/Co 層膜在500 ℃ 下的真空退火,由表面形貌量測中,發現成長於Al2O3基板的C60/Co 雙層膜於退火後,形成了以Co原子為主的奈米島分區結構,以及C60 薄膜經過退火後,形成了近十奈米的原子團簇;在使用拉曼光譜分析碳基材料振動模式後,發現C60裂解為無定型碳的程度,因Co原子的參與下變得更高,說明了Co與C原子之間的交互作用,不僅增強了C60的裂解行為,同時限制了無定型碳的脫附行為;在磁滯曲線量測中,經過500 ℃ 退火後薄膜鐵磁行為明顯增強,包含了矯頑場 ( Coercivity, Hc ) 增大了至少5倍以上,以及薄膜由無磁性/順磁性轉變為鐵磁性;在光致螢光光譜量測中,可觀察到C60 與無定型碳之PL峰值強度皆受到Co原子的含量影響;在電壓-電流特性的量測中,注意到C60/Co 雙層膜無論退火前後皆屬於導體;在磁阻量測中,注意到退火後C60/Co 雙層膜磁阻率增大了將近50 %;在霍爾效應量測中,C60/Co 雙層膜經過500 ℃ 退火後,薄膜主要載子由電洞變為電子,並量測到載子濃度為2.32 × 1021 cm-3,載子遷移率為10.9 cm2V-1s-1。第二部分則是製作不同比例的Co-C60 複合材料,並注意到Co原子比例越低,薄膜內材料就以蕭特基接觸為主,以及C60分子的發光特性受到Co原子的熱蒸鍍過程破壞,最後則是C60在共鍍過程中受到Co-C60電子交互作用影響,導致C原子間的鍵能改變,進而改變C60的分子振動模式。上述實驗結果說明了Co與C60的交互作用增強了C60的裂解行為,且C60裂解後所形成的無定型碳,與Co原子混合後誘發了更明顯的磁性行為,同時在光學量測發現退火後的C60/Co仍保有半導體性質,暗示了只要適當調整Co原子與C60含量,就可利用真空退火製作出以Co-C為主成分的磁性半導體,對改善有機自旋閥中的電導率不匹配,具有相當大的潛力。
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    無機鹵素鈣鈦礦/磁性金屬薄膜 -雙層異質結構之形貌、磁性及熱穩定性分析
    (2021) 陳廷豪; Chen, Ting-Hao
    在這項研究中我們主要使用物理氣相沉積法(Physical vapor deposition, PVD)製備鐵鈀合金薄膜,並且利用旋轉塗佈法將鈣鈦礦(CsPbBr3)量子點旋塗於表面,接續觀察樣品在旋塗前後(CsPbBr3/FePd v.s FePd)的變化,包括表面形貌、光學及磁性,並且觀察不同退火溫度(100˚C ~ 180˚C)後的轉變。CsPbBr3/FePd在原子力顯微鏡(AFM)量測下,我們發現表面在經退火後粗糙度大致不變,且平均約為±10 nm高低且誤差值為1.5 nm。從掃描式電子顯微鏡(SEM)發現量子點為平均大小約11 nm的正方形,並且退火180˚C後有融合的現象。透過光致螢光(PL)的數據分析我們得知在退火100˚C後,光訊號強度下降了3/4,且發光波長有紅移4 nm的現象。最後經由磁光柯爾量測從室溫到退火160˚C,FePd樣品的矯頑場增加了74 %,而CsPbBr3/FePd樣品的矯頑場僅增加了19.2 %;由此結果方知CsPbBr3是一個可以保護磁性材料的覆蓋層。
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    高定向性熱解石墨表面缺陷誘發鈷及鐵薄膜斜向磁化行為
    (2011) 黃雅筠; Ya-Yun Huang
    本論文利用氬離子濺射高定向性熱解石墨基板,探討基板表面缺陷對鈷薄膜的成長與磁性的影響。利用掃描式穿隧顯微鏡觀察鈷原子在較平坦基板上小區域的表面形貌,鈷原子有向台階邊緣聚集、生成薄膜的傾向,而鈷薄膜的厚度隨著距臺階邊緣的距離減少而增加。歐傑電子能譜儀定量分析的結果,間接顯示出基板的缺陷會使鈷原子在平台上更均勻的成核、形成較均勻分佈的鈷顆粒薄膜。在磁性方面,我們利用垂直以及平行方向的磁光科爾效應來觀察缺陷對其的影響。在較平整的基板表面,鈷薄膜的易軸為平行磁化方向;然而,基板缺陷上生成的鈷薄膜在垂直及平行方向皆可測得柯爾訊號。經測試發現這個易軸為斜向的磁化方向,在厚度達到60 ML時仍可測得。代表基板表面的缺陷不只影響介面附近的成核行為,更影響之後薄膜成長的行為。為了更進一步探討,我們將鍍源換成鐵,觀察基板表面缺陷對鐵薄膜的磁性影響。在較平整的基板表面,鐵薄膜的易軸為平行磁化方向;基板缺陷上生成的鐵薄膜易軸方向呈現斜向磁化行為,其矯頑場有隨著鐵薄膜厚度增加而增加的趨勢。但鐵薄膜厚度為26 ML時,磁化方向會倒下、躺在平行磁化方向。基板表面缺陷除了誘發斜向磁化行為的發生之外,也影響了測得磁滯曲線的初始厚度。其生成的鈷及鐵薄膜所測得具磁性的初始厚度皆較平整的基板表面的薄。
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    鐵/面心正方錳/鈷在基板銅(100)上,結合磁交換偏耦合和遠程層間磁耦合的磁性與結構研究
    (2011) 王志雄; Chih-Hsiung Wang
    本實驗內容是將Fe/fct-Mn/Co 三層結構以熱蒸鍍的方法將其鍍在銅單Cu(100)上研究此系統的磁交換偏耦合(exchange bias coupling)和遠程層間磁耦合(long range interlayer coupling)現象。 在結構方面,面心正方的鈷(fct-Co)與面心正方的錳(fct-Mn)是利用Low Energy Electron Diffraction (LEED)和I-V LEED 確定其晶格結構。在測量磁性方面,我們利用Magnetic Optical Kerr Effect (MOKE)測得一系列以不同的鐵與錳的厚度的磁滯曲線。 當fct-Mn 厚度增加至24 個原子層,Fe 和Co 的磁矩會經歷過非同調的旋轉(incoherent rotation),造成two-step 的磁滯曲線產生。遠程層間磁耦合(long range interlayer coupling)的影響是傾向鐵和鈷的同調的旋轉(coherent rotation)。但是,Mn/Co 的磁交換偏耦合(exchange bias coupling)會增加鈷的矯頑磁力,同時也破壞到鈷跟鐵的磁矩的同調旋轉機制。結果我們發現當鐵的磁矩正在翻轉時,鈷一開始也跟隨著鐵翻轉,但是到了鐵完成180。翻轉後,鈷又會再次反轉回原始方向。 最後,我們使用磁異向能理論模型(single domain model)以模擬當磁交換偏耦合(exchange bias coupling) 和遠程層間磁耦合(long range interlayer coupling)兩者互相競爭下,所產生的上述磁翻轉機制。
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    超薄鈷/銅(100)膜的電化學特性研究
    (2008) 李育鴻; Y. H. Li
    本實驗是利用電鍍方式在單晶銅(100)電極上成長鈷薄膜,同時使用循環伏安法(Cyclic Voltammetry)、電化學掃描式電子穿隧顯微鏡(EC-STM)、電化學磁光柯爾效應系統(EC-MOKE)來研究單晶銅(100)上所成長鈷薄膜的表面特性與結構以及磁特性,並且嘗試了加入鉛當做電鍍鈷超薄膜的界面活性劑。 以循環伏安法檢測,單晶銅(100)電極在 1 mM HCl電解液中的電化學過程,我們不會發現典型的電流成對峰值:氯離子的吸附、退吸附峰,而是只會出現氯離子的退吸附峰値,在E = -375 mV (vs Ag/AgCl)。正常而言如果是在電流數量級較小的實驗系統開始產生氫氣以後電流就會一路往下。在-650 mV 電流有急速往下減少,表示有質子的還原2 H+ + 2e- → H2。而在 0 mV 的氧化還原電流分別代表銅的氧化與還原沉積,Cu + 2 Cl- ↔ CuCl2- + e-,再將電解液換成1 mM CoCl2/1 mM HCl 會造成氯離子退吸附峰值移動:E = -325mV (vs Ag/AgCl),並且發現在當我們在陰極掃描到E = -600 mV以後,陽極在E = -500 mV以前才會出現鈷原子的氧化峰値。當加入嘗試鉛當電鍍鈷的界面活性劑時,將 0.01 mM PbCl2加入到含有1 mM CoCl2/1 mM HCl的水溶液,從CV實驗的結果可以看出鉛的鍍量有受到控制,如果當電極銅(100)在陰極方向電位持續減小,還是只有低電位沉積(UPD)的鉛原子氧化峰值出現,鉛離子會在往陰極方向E =-400 mV左右開始還原成鉛原子,在陽極方向E =-300 mV鉛原子開始氧化(vs Ag/AgCl)。 進行STM實驗時用鹽酸修飾電極表面,利用氯離子與銅電極間的化學鍵結將形成一高規則度的c(2×2)-Cl結構,其將降低銅電極的表面能量,氯離子對銅有很強的鍵結力,具有修飾銅(100)電極表面平台及台階的效用。當電位改變往陰極方向循序漸進時,可以觀察到氯離子對銅(100)電極的溶解現象,氯離子與銅電極鍵結後,在銅電極表面上較不穩定的島狀物或缺陷處形成CuCl2-化合物,並將銅原子從電極表面拔除,隨時間的變化,銅原子會在電極表面上較穩定的區域,重新將銅原子填回載體,這也是為何實驗進行前我們會在-100 mV ~-300 mV左右掃CV 實驗10~15分鐘,這樣可以得到穩定良好的銅(100)電極表面。當隨著電位減小時我們可以觀測銅(100)電極表面有一溶解的情形,隨時間變化,由台階邊緣往平台方向逐漸溶解,所以台階會變成平滑棉花的波浪狀,相反地,當我們將電位再調回陽極方向更正的電位時會重回氯離子的形態,且電位愈正台階形狀和表面型態皆會趨於穩定。而台階高度在所有觀察電位皆是0.18-0.2 nm。經由STM的觀察可以發現,鈷原子吸附在單晶銅(100)電極上,並沒有單層鈷原子的沉積(沒有發現UPD),鈷原子在沉積時,會先從銅(100)台階凹陷的地方開始沉積,從STM的圖觀察可以看出表面會變的比鈷還沒沉積前來的平坦,但是不會形成一個均勻連續的薄膜表面。 基本上隨著電鍍時間增加膜厚也有增長的趨勢,但是超過十分鐘後因為溶液中鈷的含量分佈不均勻,靠近電極表面的地方,鈷離子的濃度遠小於溶液中的濃度,會導致擴散(diffusion effect)行為,使得鈷離子由濃度高處往低處移動。因此擴散效應影響了鈷原子吸附至銅(100)電極表面導致鍍鈷的速度會隨著時間的增加而變慢,所以CV上沒有明顯變化。另外在此電位下停頓已有氫氣放出,所以停頓愈久氫氣愈多(樣品拿出後有看到氣泡),這也會影響鈷在銅上的鍍率。配合前面的CV和STM結果,我們可以確信鈷離子會於電位-800 mV開始還原並沉積於單晶銅(100)電極上(Co2++2e-→Co)。 在電位-850 mV的狀況下單晶銅(100)電極表面上所沉積的鈷膜經由EC-MOKE觀察出具有磁性現象。到目前為止我們只知道HC似乎只有在一開始1-2層時會增加快速,之後就算隨著膜厚增加也是維持在64-65 Oe左右,MR則在1-3層會增加較快的趨勢,之後會呈現較緩慢的增加,配合STM圖像並還沒有可看出表面結構的改變,但是因為是三維成長,所以表面的形態有變亂的跡象。以0.005 mM PbCl2加入到1 mM CoCl2/1 mM HCl的水溶液,想要以當鉛為界面活性劑主要電鍍鈷,量測EC-MOKE結果,可以觀察出磁滯曲線的訊號,但是磁滯曲線的方正度並沒有在沒有添加PbCl2情況下量測出的好,因此在0.005 mM PbCl2濃度還是沒有達到鉛為界面活性劑的功效。
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    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。
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    石墨烯插層對Co/Cu薄膜的磁特性影響研究
    (2016) 張育杰; Chang, Yu-Chien
    本研究在水溶液環境中利用電化學的方式成長Co薄膜在Cu(100)及graphene /Cu上並進行磁性量測,再加入紫精酸的異質介面,研究Co薄膜在不同的介面對磁特性的影響,其中使用循環伏安法量測其成分組成,並使用磁光柯爾效應進行磁性量測。發現5至20 nm的Co薄膜在Cu(100)及graphene/Cu表面上成長,隨著厚度上升皆表現出縱向方向為磁化易軸,接著進一步分析縱向的磁滯曲線可以得到其飽和磁化量、殘磁、方正度以及矯頑力。Co/Cu(100)於不同電位測量時,其飽和磁化量、殘磁、矯頑力並無明顯的變化,而Co/graphene/Cu上則在特定的厚度會產生雙磁滯曲線疊加的現象,並且隨著電位可以控制其磁特性,比較石墨烯插層對Co/Cu薄膜的矯頑力影響,發現在任何電位下Co/Cu(100)薄膜的矯頑力皆大於Co/graphene /Cu薄膜。而後在Co/Cu(100)上覆蓋紫精酸會使得較薄的Co膜其飽和磁化量與殘磁下降且矯頑力上升,但是至12 nm以上時便不受影響,然而Co/grap hene/Cu於不同電位測量時,覆蓋紫精酸並無明顯變化。此研究發現在紫精酸及石墨烯之異質介面對Co薄膜受電位控制時的磁特性有微小的變化,對於開發電控制磁性元件附有應用潛力。