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 鈀/鐵,鈷,鎳/藍寶石基板(0001)系統晶格結構與磁性研究(2012) 紀喬崧此篇論文分為兩大主題,第一部分是透過斜角度之方式鍍鐵於藍寶石基板(0001)上,最後覆蓋上鈀約30 ML,目的是保護基板上的鐵磁層避免氧化。所有的樣品皆在超高真空腔(UHV:10-9torr)之下用熱蒸鍍原理製程,隨後破真空於大氣下量測,包含磁光柯爾效應(MOKE)、X光繞射(XRD)、邊緣X射線吸收系微結構(EXAFS)、掃描穿隧式電子顯微鏡(STM) 等等。藉由改變鍍膜鐵的角度和鐵的厚度,可以控制鐵薄膜的磁性行為;當鍍膜的傾斜角度越大的時候,會使得表面粗糙度和原子排列的亂度越大。 第二部分是鈀吸附氫氣的實驗,於UHV系統下製備n ML Pd/Fe,接著用MOKE量測曝氫後的磁性行為。發現曝氫於一大氣壓後,會產生消光角的位移以及p方向電場平方(|E_p |^2)的改變。隨著鈀厚度的增加,消光角位移程度越大, |E_p |^2的變化量也越大,在特定檢偏鏡角度下,發現MOKE訊號會隨著Pd的厚度(30 ML~60ML) 而增加10%~40%。之後我們固定Pd的厚度在 60 ML,改變中間的鐵磁層,比較Pd/Fe、Pd/Co、Pd/Ni曝氫的行為,發現MOKE訊號的增加量分別增加約40%、35%、和60%。同時也量測吸附和脫附氫氣所需的時間以及飽和所需之氫氣壓力,三個樣品的氫氣飽和壓力都在100 mbar 以下,當氫氣壓力於1 atm 所需飽和時間皆小於10分鐘,但氫氣脫附的時間, Pd/Fe、Pd/Co 約需要8小時, Pd/Ni 只需不到2小時,而且其反應都是可逆的。 關鍵字:斜向鍍膜,磁光柯爾效應Item 鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究(2012) 陳均達; Jyun-Da Chen在二氧化矽(SiO2)的基板上,以磁控式共濺鍍(Co-Sputtering)成長20nm及30nm (Co40Fe40B20)1-xCux薄膜,其x分別是0、15、25、35及50。柯爾磁光效應(Magnetic Optical Kerr Effect, MOKE)對樣品做不同角度的量測可得知磁異向性;當參雜Cu比例增時CoFeBCu薄膜的表面磁異向性從二重對稱(2-fold symmetry) 過渡到各向同性。以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)量測樣品表貌,發現隨著參雜金屬Cu增加時,樣品從柱狀排列變均勻分布的顆粒排列,印証了磁異向性的變化。樣品的矯頑力(coercivity)也隨著金屬Cu成分增加而變小;從0.052(Oe)下降至約為0(Oe)。從鐵磁共振(Ferromagnetic Resonance, FMR)分析結果顯示樣品的磁異向性係數Ku(anisotropy constant),隨著參雜金屬Cu成分增加從7.33 (J/m3)下滑至3.33(J/m3),吉爾伯特阻尼係數α(Gilbert damping constant)則隨著Cu成分增加從0.05上升至0.18。Item 紅熒烯/鈷雙層結構在矽(100)上的結構與磁性研究(2012) 許智瑜我們利用原子力顯微鏡(AFM)、磁光柯爾效應儀(MOKE)以及與外校合作的X光繞射儀,去探測磁控濺鍍的鈷(cobalt)與蒸鍍的紅熒烯(Rubrene)在矽(Si)(100)基板上的結構與磁性,首先第一部分探討單一種材料Co/Si(100)與Rubrene/Si(100)的磁特性、表面結構以及整體結構,鈷有hcp結構,紅熒烯有網狀結構且在450 K與550 K兩個溫度退火後,結構變差。再來第二部分兩種材料順序不同分成三組,第一組Co/rubrene/Si(100)、第二組中間Rubrene退火Co/Rubrene-550k/Si(100),以及第三組Rubrene/Co/Si(100)三組,磁特性與結構的不同,以及結構與磁性的相互影響。第一組與第二組矯頑力與表面粗糙度相關,表面粗糙度越大,矯頑力越大。第三組上層紅熒烯薄膜會衰減殘磁與飽和磁化量的強度。最後一部分由於應用元件常以多層膜方式來製作,可以增進由介面效應所引致的特殊磁特性,以及增進各磁性層間的交換耦合作用影響,第三部分分析多層膜(20 nm Rubrene/40 nm Co)7/Si(100)的磁性與結構,每一層鈷的結構再蒸鍍上紅熒烯後都會重新恢復平坦表面,且矯頑力更小。Item 鐵與氧化鐵在鎢(111)與鎢(998)上的磁性研究以及鍍率對磁性的影響(2012) 李寶生; Bao-Sheng Li在之前的研究裡[1],將鐵磁性材料如鐵(Iron ; Fe)或鈷(Cobalt ; Co)蒸鍍到單晶的鎢上,利用磁光柯爾效應(MOKE),發現某些樣品在縱向(in-plane)以及極化方向(perpendicular)上皆可以量測到300~900高斯的矯頑磁場(Coercivity),並且透過對樣品通以電流時,可以觀察到磁滯曲線(Hysteresis loop)產生很大的偏移(Bias)現象,最大可達150 高斯 / 1安培的偏移量[1],這種特異的磁性,激發我們很大的興趣。不過由於某些尚未掌握到的關鍵變因,使實驗結果的再現性大有問題。而本研究的動機是找到該關鍵變因,以利後續進一步研究。因歐傑能譜顯示具有特異磁性的薄膜樣品含氧及碳等元素,我們懷疑是雜質導致特異磁性,而進一步猜測也許是氧化鐵在”作怪”。故利用氧化鐵(Fe2O3)當作鍍源來模擬被氧化污染的純鐵,以及與純鐵鍍源交互鍍膜進行實驗,先使用殘氣分析儀(Residual Gas Analyzer)檢查鍍源,並利用歐傑電子能譜儀(Auger Electron Spectroscopic)與低能量電子繞射儀(Low Energy Electron Diffraction)來觀察薄膜的成分以及其表面形貌,再使用程式控溫熱脫附質譜儀(Temperature Programmed Thermal Desorption Spectroscopy)來確定薄膜厚度。對照之前的研究,發現鍍率(Deposition rate)也影響著薄膜的磁性性質,所以本次研究也嘗試著將鍍率當作操作變因來進行實驗。Item 硫酸鈉與硼酸溶液對導電玻璃ITO上鍍鈷的影響(2012) 陳文賓; Wen-bin Chen本研究探討硫酸鈉與硼酸溶液對導電玻璃ITO上鍍鈷的影響。以循環伏安法找出適合的電鍍電壓,並改變不同的電解質輔助液探討對鈷膜表面的影響。我們藉由金相顯微鏡、原子力顯微鏡對鈷膜表面進行觀察,再以固定電鍍電壓的方式,分析得到電流對時間的關係,判定鈷在ITO上為接近瞬時成核的機制,並利用磁光柯爾效應測量鈷膜的磁性。 在實驗的過程中我們發現,電解質輔助液硫酸鈉以及硼酸各有其優缺點,硫酸鈉幫助我們決定所需要電鍍的電壓以及增加還原電流,硼酸輔助液不僅可以抑制產生Co的氫氧化物,它還能讓薄膜均勻成長。我們發現硼酸的濃度明顯影響Co島的結構,並進而改變磁性之量測結果。Item 在導電玻璃上電鍍鈷鉑奈米島團的研究(2012) 陳藝丰; Yi-Feng Chen薄膜和奈米島團的製備有很多種方式,其中可以在大氣下進行的方式之一就是電鍍。電鍍薄膜的過程中有許多的變因可以加以探討,本實驗想要建構一套系統化的討論方式,找出電鍍條件和薄膜特性之間的關係。實驗中,控制電鍍液的組成成分,探討的操縱變因為:不同的電鍍方式,而用來測量分析薄膜特性的儀器有: 恆電位儀(potentiostat)、恆電流儀(galvanostat)、螢光元素分析儀(x-ray fluorescence, XRF)、磁光柯爾效應儀(magneto-optical Kerr effect, MOKE)、原子力顯微鏡 (atomic force microscopy),分別就:電鍍時的電流電壓變化分析,電鍍後膜的成分、磁特性、表面形貌結構這幾個面向來探討。 本實驗將鈷鉑薄膜利用化學電鍍的方式鍍在導電玻璃(氧化銦錫ITO)上。電鍍液是由100 mM的硫酸鈷溶液和3.33 mM的氯鉑氫酸加上50.0 mM的硼酸(緩衝液)組合而成。電鍍的方式主要分成兩種,一種是定電壓電鍍法(potentiostatic),另一種為定電流電鍍法(galvanostatic)。藉由固定電壓觀察電鍍時的電流變化,或是固定電流觀察電鍍時的電壓變化,搭配循環伏安法可以對於實驗結果加以解釋,並進一步地由成分分析和磁特性分析,觀察電流或電壓的大小如何影響鍍膜的成分,而膜的成分和磁特性和表面結構的關係也可以藉此探討出來。 一開始,先做一系列相關鍍液的循環伏安法對照實驗,推測CV圖中特殊還原峰值電壓可能發生的反應,並在這些特別的電壓位置進行定電壓電鍍薄膜;我們選用了-0.45 V、-0.70 V和-0.85 V這三種特別的電壓大小去電鍍薄膜,接著利用元素分析儀討論在不同電壓下鈷鉑的還原比例,在-0.70 V的電壓大小可以得到鈷鉑還原比例約為1:1,並在這個條件下所鍍的薄膜其縱向矯頑力最大;在 -0.45 V的定電壓下電鍍的薄膜出現特殊形狀的磁滯曲線,探究其薄膜結構,則由原子力顯微鏡觀察到薄膜表面有自我叢聚的島狀微結構。 最後利用定電流電鍍法,得到許多呼應定電壓電鍍法的實驗結果;並且可以觀察到利用化學沉積的方式,電鍍出來的薄膜具有多樣性的表面形貌,電壓和電流的些微改變,所鍍出來的薄膜表面形貌即有所不同,所以可以利用改變化學沉積的參數,製作想要鍍的薄膜的表面形貌。Item CoO/Co超薄雙層結構在半導體基底上之磁性研究(2007) 張新政本研究是在超高真空環境下使用蒸鍍方式成長Co、氧壓下鍍Co方式成長CoO,成長CoO/Co超薄雙層結構於Ge(100)與Si(111)上。以歐傑電子能譜儀與反射式高能量電子繞射儀進行表面組成分析,並以表面磁光柯爾效應儀進行室溫與以1 kOe外場冷卻下之磁性性質分析。在Co/Ge(100)上,要出現交換偏向效應需要10 ML的CoO層,而隨著CoO層厚度由10 ML增加到40 ML,阻隔溫度會由169 K增加到231 K。隨著CoO層厚度增加,CoO/Co/Ge(100)會出現環狀繞射圖形,代表更規則化。水平膜面方向的最大交換偏向場出現在25 ML CoO/ 25 ML Co/Ge(100)系統中,HE = 460 Oe,這比在CoO/Co/Ge(111)上所觀測到的小,且出現最大交換偏向場的厚度也較厚。CoO/Co/Si(111)也是有傾斜出膜面的異向性,且介面也會有化合,由於CoO層為多晶,導致交換偏向場會較小。Co/Ge(100)與Co/Si(111)都是磁化易軸接近水平膜面的方向,因此垂直膜面方向的矯頑磁力會叫水平膜面方向的大,導致在量測交換偏向效應時,垂直膜面方向因矯頑磁力超過本系統量測場(2 kOe)而無法的到可信的垂直膜面方向之交換偏向場。Item 紅熒烯與鈷在矽(100)上形成複合材料的結構與磁性研究(2013) 侯詠智本實驗室利用磁光柯爾效應儀(MOKE)、原子力顯微鏡(AFM)與X光繞射儀(XRD),來分析使用磁控濺鍍的鈷(Cobalt)與蒸鍍的紅熒烯(Rubrene)在矽(Si(100))基板上的結構與磁特性,第一部分先探討Co/Si(100)的不同濺鍍功率的表面結構與磁特性,再來是Rubrene/Si(100)的不同溫度與不同厚度之表面結構,Co/Si(100)於所有濺鍍功率都會有三角錐結構,只是濺鍍功率低的比例較少,而Rubrenen/Si(100)於不同的溫度與時間都會有結構上的變化,但無論是改變蒸鍍溫度或時間,表面的堆積過程是雷同的,都是由顆粒狀轉變為網狀結構。第二部分將不同的鈷與紅熒烯混合比例分成三組,第一組Co0.5Rubrene0.5/Si(100)、第二組Co0.6Rubrene0.3/Si(100)、第三組Co0.75Rubrene0.25/Si(100),改變鈷的鍍率但紅熒烯的蒸鍍條件完全相同,分析結構與磁性之間相互影響之現象。這三組皆無三角錐結構,第一組樣品表面平整,且矯頑力與表面粗糙度相關,表面粗糙度越大矯頑力越大。第二組與第三組較薄的前幾個樣品開始出現顆粒狀結構,且矯頑力與顆粒大小相關,顆粒越大矯頑力越大。為後一個部分是將Co0.5Rubrene0.5/Si(100)與Co0.75Rubrene0.25/Si(100)這兩組的紅熒烯使用酒精沖洗掉,分析其表面結構與磁性的關係,發現這兩組表面有不一樣的成膜方式,但相同的是洗掉紅熒烯會將部分懸浮的鈷粒一起帶走,所以洗掉紅熒烯後的矯頑力比洗掉前小。Item 鈷鈀合金在氫化效應下導致可逆性長程有序磁排列(2015) 黃瀚元; Huang, Han-Yuan不同比例及厚度下的鈷鈀合金長在藍寶石基板(Al_2 O_3 (0001))上,觀察樣品氫化效應對磁性的影響。 樣品皆在超高真空系統下(〖10〗^(-8) torr)利用熱蒸鍍原理將鈷及鈀兩金屬對鍍形成合金,鍍完成後用歐傑能譜儀(Auger Spectrum)測量其成分比例、用磁光柯爾效應(MOKE)測量氫氣吸附後的磁光特性改變、原子力顯微鏡(AFM)觀測表面結構對於氫氣吸附所改變的磁性行為,接著在低溫下用超導量子干涉震動磁量儀測量磁的特性。 鈀吸附氫氣後會變成氫化鈀,隨著曝的氫氣量愈來愈多,氫化鈀晶格常數從原本的 3.89 Å (α-phase)上升至 4.02 Å(β-phase)。樣品固定Pd的鍍量且Pd比例為33 %時,曝完氫氣後其磁光特性並沒有明顯變化,隨著鈀金屬比例升高至61 % 時,曝完氫氣後,樣品磁滯曲線的矯頑力、殘磁比及光訊號皆會改變。將鈀的比例提升至 76& 及 86 %時,矯頑力上升10倍;磁滯曲線的飽和磁化量及殘磁的比值(squareness = M_r/M_s )也在曝完40 mbar氫氣2-3秒內從10% 上升至100%。這是因為當鈀的比例變高而磁性金屬鈷的比例下降時,合金的磁矩排列從原本的長程無序狀態下,氫化後變成長程有序排列的稀磁性金屬特性。固定Pd比例(61 %)下改變樣品厚度,發現20奈米厚度的樣品,其吸附氫氣後的磁光效應改變比10奈米來的明顯。除此之外,當氫氣被機械幫浦抽出時,樣品會在2~3秒內從β-phase回到α-phase,且該反應是可以被重複的。 用原子力顯微鏡觀察 Co_14 Pd_86 樣品的表面形貌,其表面上有許多直徑約100奈米的團簇,團簇中間充滿著直徑約20奈米的顆粒,這些顆粒除了可以增加樣品接收氫氣的表面積外,還可以形成不同的截面以增加氫氣吸收的效率。Item Fe/Co/Pt(111)的磁性研究(2005) 曾健家摘要 我們利用表面磁光柯爾效應儀(SMOKE)探測鐵超薄膜在純白金以及鈷與白金所形成的磁性基底上磁性隨著薄膜厚度的變化。 Fe在Pt(111)上的成長,其磁性和薄膜厚度的關係受外加磁場的大小影響而有所不同,利用小磁場可以測得磁化易軸位於in plane方向,而利用大磁場測量會把磁化難軸磁化,導致在in plane與out of plane方向皆可得到磁滯訊號。在Fe薄膜的厚度為1ML時,測量不到磁滯訊號,降溫測量也是如此,有可能此樣品不具磁性,或者居禮溫度低於165K。把5ML Fe/Pt(111)經退火效應後在室溫測量磁滯訊號,發現只有在Longitudinal方向有值,當退火溫度到830K時,磁滯消失。dFe Fe/不平坦Pt用大磁場測量,會得到和dFe Fe/Pt(111)相同的結果,差別在於dFe Fe/不平坦Pt樣品Polar方向的矯頑磁場在薄膜厚度3ML時有最大值,而dFeFe/Pt(111)則是隨著厚度增加而增加。 鐵在鈷與白金所形成的磁性基底的成長,基底一開始具有Polar方向的磁性,鍍上鐵後,Polar方向的磁性消失,最後隨著層數增加,Polar與Longitudinal方向皆測的到磁滯訊號。基底若一開始具有Longitudinal方向的磁性,鍍上鐵後,Longitudinal方向的磁性仍在,隨著層數增加,Polar方向的磁性也顯現出來,最後兩個方向皆有訊號。 經由以上鐵薄膜在不同基底的磁性探討,和實驗室之前的研究統整,希望將來能夠把鐵磁性物質在白金上的磁性與結構變化做個完整的探究。