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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    電漿蝕刻磁性薄膜的影響
    (2025) 汪敬修; Wang, Ching-Hsiu
    現代電子元件與資訊儲存技術的進步,人類社會對高密度、高穩定性功能性材料需求日益提升。其中,磁性薄膜材料的磁學特性與多功能可調控性,在高密度磁性儲存、自旋電子學(Spintronics)、磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)。磁性薄膜的性能除取決於其內部層狀結構與元素組成外,與基板表面結構特性、粗糙度以及成膜過程中的介面品質有密切關聯。基板表面形貌與微觀結構對磁性薄膜之晶粒成長機制、磁疇結構形成以及磁各向異性等特性均產生深遠的影響。本實驗以射頻氬電漿(Argon Radio Frequency Plasma)乾式刻蝕技術為核心,針對磁性薄膜沉積常用之兩種絕緣基板材料:藍寶石(Al₂O₃)與二氧化矽(SiO₂)進行表面結構調控,系統性研究不同基板經氬電漿蝕刻後的表面形貌演變行為。實驗研究經氬電漿蝕刻鈷鈀多層膜Pd(3nm)/[Co(0.6nm)/Pd(0.8nm)]₅/Pd(4nm)/Al₂O₃磁性薄膜後的磁性特性所造成的影響。不同於傳統單一層或無蝕刻參數優化之研究,實驗研究使用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)與磁光柯爾效應(Magneto-Optical Kerr Effect, MOKE)兩種實驗量測方法,搭配不同區域的磁性掃描分析,分析氬電漿蝕刻對磁性薄膜微觀與宏觀磁學行為的深層影響。實驗過程中,採用RF射頻電漿刻蝕系統,用以交流射頻功率與氬電漿為蝕刻方式,分別對藍寶石與二氧化矽基板進行10分鐘與30分鐘的乾式氬電漿蝕刻處理。藍寶石作為高硬度單晶基板,具六方緊密堆積(Hexagonal Close-Packed,HCP)晶格結構,具有高莫氏硬度(Mohs 9)、高熱穩定性與良好光學性能,在高品質磁性薄膜生長中廣泛應用;二氧化矽具有化學穩定性高與介面光滑特性,常用於磁性多層結構與自旋元件製程中的隔離層或緩衝層。透過氬電漿物理性濺射作用,氬電漿實驗產生基板表面粗糙度、蝕刻深度與微觀表面形貌變化,藉以探討不同基板特性對電漿蝕刻行為之反應性差異。蝕刻後樣品經AFM進行奈米尺度三維表面形貌量測,並利用Ra(算術平均粗糙度)、Rq(均方根粗糙度)作為表面粗糙度之定量參數,分析不同蝕刻時間與基板材料對表面粗糙度與形貌特徵之影響。AFM量測結果顯示,隨蝕刻時間增加,兩種基板表面粗糙度均有明顯提升,但其表面反應機制存在顯著差異:藍寶石基板因其高結晶性與硬度,受氬離子蝕刻後表面僅形成輕微凹洞狀起伏,Ra與Rq值增加幅度較緩;二氧化矽基板由於密度與莫氏硬度比藍寶石基板較小,二氧化矽在氬電漿蝕刻後表面更容易蝕刻成微奈米凹洞,表面粗糙度提升幅度更為明顯。藍寶石基板上沉積鈷鈀多層膜結構(Pd(3nm)/[Co(0.6nm)/Pd(0.8nm)]₅/Pd(4nm)/Al₂O₃),經氬電漿功率100W,氬電漿蝕刻5分鐘後,實驗採用MOKE磁光柯爾顯微鏡進行不同區域磁滯曲線量測,探討氬電漿蝕刻後蝕刻去除鈷鈀多層膜對磁性特性之影響,特別關注矯頑力(Hc)、剩磁(Mr)、磁滯曲線特徵。實驗結果顯示,經氬電漿蝕刻(中央區域,100 W持續5分鐘以上)之基板表面,沉積後之磁性薄膜幾乎完全喪失鐵磁特徵,MOKE量測之磁滯曲線呈現線性趨勢,無剩磁且矯頑力趨近於零,表現出典型順磁行為。分析推測,可能因為氬離子的高能量物理撞擊作用已去除鈷鈀磁性層結構。觀察邊緣輕蝕刻區(蝕刻深度較淺),磁性薄膜保持明顯垂直磁各向異性,呈現方形磁滯曲線,剩磁接近未蝕刻區域水平,矯頑力雖略有下降,但仍維持可觀磁性翻轉特徵。特別值得注意的是,過渡區域之磁滯曲線則呈現典型混合特性,整體曲線於高磁場區域展現斜率變化,而於低磁場區域維持一段平台狀特徵,反映此區域內同時存在部分未被完全破壞之磁性層與蝕刻損耗之非磁性層,導致磁性特徵逐步過渡與轉變。深層蝕刻區表面具明顯蝕刻坑洞。實驗研究結果顯示,藉由氬電漿蝕刻處理,即可於單一樣品內部實現磁性梯度結構,具備從鐵磁性、高矯頑力區,到低矯頑力磁性區,甚至完全順磁性區域之漸變分佈,無需複雜多道製程或額外遮罩步驟,即可快速製備多功能磁性元件所需之微區磁性結構。綜合分析,實驗研究提供氬電漿蝕刻對磁性薄膜的磁學特性調變效果,藉由調控氬電漿、氬電漿蝕刻時間與基板選擇,可有效實現磁性薄膜從順磁到鐵磁,以及矯頑力與剩磁之連續可調特性,為未來發展高密度磁性儲存、自旋電子學與可重構磁性功能元件提供幫助。
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    以化學氣相沉積法合成新穎二維材料二硫化錫奈米薄片以及可撓式壓電元件的應用
    (2018) 黃俊偉; Huang, Jun-Wei
    近年來,二維層狀半導體材料,被許多科學家及實驗室研究團隊積極開發,像是石墨烯(graphene)及層狀金屬硫族化物(layer metal dichalcogenides)。石墨烯隨著奈米碳材熱門研究與發展下,由於其取得容易、市價便宜,且表現出十分優異的物理特性,包括高導電、高導熱性質。但在半導體特性上,缺乏明顯的能隙,導致石墨烯在電子及光電元件上限制了其應用端的表現。因此,我們將研究著重在有能隙的層狀金屬硫族化物半導體材料-二硫化錫(SnS2)。二硫化錫為n-型半導體,具有2-2.6電子伏特之薄膜厚度相關的間接能隙、開關電流比102及載子移動率可高達0.1~1 cm2/Vs,使得應用在場效電晶體、光電感測器、可撓式元件、太陽能電池應用上,受到了高度關注跟重視。 以機械剝離法將三維塊材製備成層狀二硫化錫薄膜,即可簡易又快速得到高品質單晶材料,但此法難以控制材料大小及薄膜層數是難以改善的缺點。而利用化學氣相沉積合成法,可製備大面積兼具高品質二硫化錫奈米薄膜。本研究中,使用草酸錫(SnC2O4)及硫粉(S)作為實驗前驅物,通入氬氣(Ar)於石英管中反應,在高溫爐中成功以化學氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD),利用由下往上(bottom-up)的沉積方式,將二硫化錫奈米薄膜成長於p-型矽基板上,為了擴大面積,減少成核密度(nucleation density),我們嘗試了各種方法,包含增加腔體內部氣體流速的調整和減少前驅物的使用量。並藉由光學顯微鏡、拉曼光譜儀、原子力顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、高解析穿透式電子顯微鏡、X-光晶格繞射、來進一步鑑定我們合成的二硫化錫奈米薄膜。 我們隨著科技進步,人們對於高性能之電子產品,需求日益增高。如可撓式、輕薄式之電子基板等,也因此具有壓電壓阻高機械強度的二維半導體材料成了熱門研究主題。本研究以機械剝離法將二硫化錫轉置在聚對苯二甲酸(polyethylene terephthalate, PET)薄膜上,製成可撓式電子元件,並架設一個壓電感測平台,以量測二硫化錫電晶體在上下彎折時,拉伸與擠壓應力產生的電流起伏變化。未來,可進一步應用在可撓式的電子產品,人體脈動量測,或是其他新穎二維材料壓電鑑定上。 關鍵字:二硫化錫、化學氣相沉積、拉曼光譜儀、原子力顯微鏡、場效電晶體、壓電效應、可撓式元件