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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    第一原理模擬在材料開發的應用:(I) 錫碘化物鈣鈦礦的介電性質分析,(II) 銅單原子催化劑在鈀表面上的動力學分析,以及 (III) 電場於顯式溶劑之電化學模擬
    (2023) 廖振成; Liao, Chen-Cheng
    在材料科學與凝態物理領域不斷演進中,第一原理模擬已經在方法上具有非常重要的地位。這些模擬由量子力學出發,不依靠經驗參數,為我們提供了在微觀尺度上研究材料原子組成和電子性質的方式。第一原理模擬不僅提供了實驗上無法觀測到的微觀現象,也在於它們具有普遍地提供預測能力。隨著人工智慧(AI)的出現,AI驅動的算法與基於第一原理的模擬之間的協同作用已帶來了加速材料發現和設計的新時代。這種融合不僅有助於了解複雜現象,並有助於促進新一代設備的設計。基於第一原理的模擬和AI的緊密結合不僅是互補的;它正在革命性地改變我們在21世紀如何接近、理解和利用材料的潛力。第一部分 (I) 錫碘化物鈣鈦礦的介電性質分析 錫基鈣鈦礦是一種非常有潛力的材料,用以取代傳統具有毒性的鹵化鉛鈣鈦礦,但其不穩定性限制了其發光性能。然而,二維的錫基鈣鈦礦能夠提升激子束縛能進而提升光致發光量子產率(PLQY)。除此之外,二維錫基鈣鈦礦中的有機層與無機層之介電常數差異亦會影響機子束縛能。本篇將透過密度泛函理論探討以下二維錫基鈣鈦礦:(TEA)2SnI4, (PEA)2SnI4, (p-FPEA)2SnI4, (p-ClPEA)2SnI4 以及(p-BrPEA)2SnI4之介電常數,並探討其與PLQY之關係。其結果顯示改變陽離子組成,並不會大幅地影響陽離子層之介電常數,反而會誘導陰離子層的介電常數產生變化。 第二部分 (II) 電場於顯式溶劑之電化學模擬 本研究系統性評估了對Cu(111)表面上電化學CO二聚化的顯式溶劑模型。在存在吸附物和銅表面的情況下,對溶劑的組成在室溫下進行了分子動力學採樣。本研究通過考慮引入外加平板電場,對CO二聚化反應路徑上的能量和功函數進行探討。我們觀察到,即使在引入外加電場的情況下,使用定電位修正,CO二聚化過程的活化能和反應能仍然保持相近的數值,分別約為0.95電子伏特和0.35電子伏特。這一發現在顯式溶劑模擬下,再次確認了CO二聚化主要是一個由熱驅動的過程。此外,引入外加電場範圍從+0.2 V/Å到-0.2 V/Å,在pH = 7條件下,導致有效的電化學電位相對於標準氫電極從+1.766 V變化到-0.565 V。第三部分 (III) 銅單原子催化劑在鈀表面上的動力學分析 本研究焦點是通過在Pd(111)表面上之單原子銅催化劑進行電化學CO和CHO耦合過程,探討C-C鍵形成進行計算。我們發現了過程中穩定的中間體,即[CuO2](CO)2,在暴露於CO氣體分子時被視為一種四牙和四面體的中間產物。在本篇電化學計算中,將CO團氫化為CHO的能量需求為0.87電子伏特,其低於常規Cu表面相應步驟的能量。本研究觀察到從頂層Pd原子到吸附物分子的電荷轉移效應,尤其是在過渡態處。這一現象導致了0.67電子伏特的C-C鍵形成能障。此外,C-C鍵形成的為放熱反應,為-0.21電子伏特,代表了利於生成C-C鍵的化學平衡條件。最後,由動力學建模分析討論氣體分子(CO、CO2、O2)的溫度和壓力影響,我們發現[CuO2]*(CO)2中間體在室溫下大量存在,並在乾燥的環境條件下表現出很好的化學耐受性。
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    鋰基電池材料特性之理論探討
    (2020) 杜冠瑩; Du, Guan-Ying
    本論文將關注三種在能量儲存上具有前景的電化學電池,分別是鋰硫電池、鹼金屬硫電池和鋰有機硫電池。討論分為三部分。在論文的第一部分,我們使用密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)搭配SMD溶劑模型(Solvation Model Based on Density)並考慮電解液介電常數及donor number(DN)的效應,探討鋰硫電池當中電解液對多硫化物的電化學反應路徑及相關生成物的影響。我們發現當電解液具有低介電常數或高介電常數但低DN時,鋰硫電池中可能的電化學反應路徑為2Li+S8 → Li2S8 → Li2S6 → Li2S4。另外,當電解液具有高介電常數及高DN時,可能的電化學反應路徑為S8 → S82- → S4•- → S42-或S8 → S82- → S62- → S3•-,其中S82-亦有可能不經由S62-而生成S3•-,即S82- → S3•-。 論文的第二部分討論鹼金屬硫電池的材料特性,我們使用DFT搭配SMD溶劑模型來探討不同鹼金屬的硫化物在二甲基亞碸溶劑中的穩定性。研究結果顯示,相較於溶合更強,與更多溶劑分子鍵結而形成較大團簇的鋰離子,銣離子與短鏈多硫化物陰離子(硬鹼)的靜電力較強,而使得短鏈多硫化物陰離子可以被穩定。此外,鹼金屬硫化物M2S的溶解度會影響電容量。 論文的第三部分,我們使用DFT方法搭配SMD溶劑模型來探討鋰有機硫電池中不同取代基多硫化物對電池電容量的影響。我們發現添加二烯丙基二硫化物或二烯丙基三硫化物於對稱取代有機硫化物(例如:二苯基二硫化物)作為反應物時,系統中會形成非對稱取代有機多硫化物;並且因烯丙基自由基容易生成,可促成非對稱取代有機硫化物中的碳-硫鍵斷鍵。此碳-硫鍵斷鍵會產生烯丙基自由基和有機二硫/三硫自由基(例如:苯基二硫自由基或苯基三硫自由基)。有機二硫/三硫自由基進一步還原,並生成S2-,使得電池陰極於放電過程中可以得到較多電子,從而提升電池的電容量。因此二烯丙基二硫化物或二烯丙基三硫化物是提升電池電容量的重要因素。
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    臨場監控雷射鍍膜法合成高介電常數薄膜電性、光性、微波特性研究
    (2007) 陳昱文; Yu-Wen Chen
    本研究利用脈衝雷射鍍膜法(Pulsed Laser Deposition, PLD)合成PBZNZT x(0.94Pb(Zn1/3Nb2/3)O3+0.06BaTiO3)+(1–x)((1–y)PbZrO3+ yPbTiO3)( x=0.6, y=0.52 )薄膜。首先利用光多頻分析儀亦即可見光發射光譜儀(Optical Multichannel Analyzer, OMA, i.e., Optical Emission Spectroscope, OES)臨場監控並擷取分析靶材的電漿物種發射光譜,俾了解品管PLD適當的鍍膜參數條件,据以獲得BMT當緩衝層,在鍍膜溫度T= 400 ℃,雷射能量通量密度E= 1.50 J/cm2,雷射鍍膜重覆率R.R.= 5 Hz,氧分壓PO2 (PBZNZT)=0.50 mbar、PO2 (BMT)=0.90 mbar,PBZNZT、BMT靶材分別與基板間距為4.5 cm、4.0 cm,鍍膜時間t=30 min (PBZNZT)、15 s(BMT),成功鍍得鈣鈦礦結構PBZNZT/BMT/MgO薄膜。再進一步量測分析所有薄膜的電性、光性、微波特性。 電性方面,雷射鍍PBZNZT薄膜的最佳矯頑電場Ec 值約522.32 kV/cm,最佳殘留電極化Pr值約25.99 C/cm2,且薄膜在頻率2 kHz的最佳低頻介電常數(εr) =737。 光性方面,PBZNZT/BMT/MgO薄膜晶粒大小均勻,約在50–100 nm,膜厚(d) =2193.37 nm,能隙(Eg)=0.85 eV,折射率(n)=1.9020,吸收係數(k)=0.00428 nm-1,最佳光頻介電常數(εr) =3.6153。 微波特性方面,PBZNZT/BMT/MgO薄膜的最佳微波介電常數(εr)約177.7,微波品質因子(Q)約10,080。 藉雷射鍍膜法研製具高介電常數PBZNZT薄膜,除可提供相關學術研究參考外,並可促成高介電常數薄膜之輕薄短小元件應用早日來臨。
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    ABO3微波介電材料的光譜研究
    (2005) 張碧容; Pi-Jung Chang
    在這篇論文中利用拉曼光譜、x-ray光吸收譜以及x-ray繞射,來量測微觀狀態下鈣鈦礦結構(perovskite structure)的微波介電陶瓷材料結構性質與其微波性質之關連性。本文主要討論的鈣鈦礦結構陶瓷材料的是ABO3中之1:2結構,也就是A(B’1/3B”2/3)O3。其中主要探討的部份包含:Qf值與氧八面體結構之關係,以及微波介電係數是否受到陶瓷鈣鈦礦結構材料中陰陽離子間距的影響。 我們利用三組樣品來探討上述的微波特性與晶體結構的相關性。有兩組樣品是改變B晶體位置的樣品,第三組樣品是改變A位置的系列樣品。利用這兩個系列的樣品來說明A位置與B位置的取代對微波介電參數的影響。第一組樣品為xBa(Mg1/3Ta2/3)O3+(1-x)Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(縮寫為xBMT+(1-x)BMN),這組樣品是針對改變B”位置的離子,探討結構與微波關連性。我們發現第一組樣品中,圍繞在B”位置周圍的O離子所形成的氧八面體結構對於Qf值有極強烈相關性,而Ta離子與O離子的距離對於介電係數之也有影響。經由延伸X光吸收精細結構(Extended x-Ray Absorption Fine Structure)的擬合發現,在xBMT+(1-x)BMN中,當x增加時,即Ta離子在B”位置上的含量越來越多時,氧八面體會越趨於緊密,也就是Ta離子距O離子的距離越來越小,同時介電係數也有此趨勢,由此我們可以證明介電係數確實與陰陽離子的間距相關;經過計算後,我們可以獲得在此材料中站在B”位置上的離子與O離子平均偏移量與Qf值之關係,此偏移量可以看成是氧八面體的扭曲程度,可以發現當平均偏移量較大時Qf值會相對較小,所以未摻雜的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3或是Ba(Mg1/3Nb2/3)O3會有較高的Qf值。在x=0.5時Qf值最小的原因是此時Ta與Nb各佔一半在B”位置上,1:2有序的情況最差,因而有最小值;在x=0.75的樣品具有較大的偏移量使得Qf值較x=0.25的樣品低相當多。 第二組樣品是xBaTiO3-(1-x) Ba(Mg1/3Ta2/3)O3;Ti離子同時取代Mg與Ta離子,在x-ray繞射的結果可看出,隨著濃度上升晶格常數及Qf值變小而介電係數卻上升;我們歸因於入雜質Ti會造成氧八面體之扭曲而造成介電係數以及A1g(O)聲子的半高寬增加,在拉曼光譜中,1比2的結構聲子也隨著濃度漸漸不明顯,使得Qf值下降。 在第三組樣品:xSr(Mg1/3Ta2/3)O3+(1-x)Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(縮寫為xSMT+(1-x)BMT),由這組樣品可瞭解當A位置上的離子受到取代時,微波介電的特性與結構的關係,並與與B位置的取代的結果比較其異同。我們對xSMT+(1-x)BMT進行拉曼光譜的分析和x-ray吸收精細結構譜的擬合。在這兩項量測結果和微波量測的數據中,均發現有三段式的結構與微波特性的變化,其轉折點在x=0.5與0.75。拉曼測量中1:2比例結構的聲子在x>0.5後開始消失,並且在不同頻段增加很多新的聲子,而在x-ray吸收譜擬合,Ta-O距離傅利葉轉換圖譜也顯示出相對應的結構對稱變化。拉曼測量的結果可推測在x<0.5時Ba(Mg1/3Ta2/3)O3結構主導其結構特性與微波特性。我們發現離子半徑較小的Sr離子取代Ba離子時,造成整體結構變緊密使得大部分聲子有藍位移,但是對於TaO6氧八面體來說反而由於A位置取代成因電性較小的Sr離子讓氧八面體產生形變,使得A1g(O)聲子半高寬上升。入半徑較小的Sr離子,也造成A位置上的離子距O離子的平均距離增加,因此介電係數值也增加。x-ray吸收精細結構分析也有相似的結果。在x=0.75後, Sr(Mg1/3Ta2/3)O3結構主導材料特性,而微波特性也隨著改變。
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    非線性光學晶體鈮酸鋰摻雜不同濃度氧化鋅之介電頻譜研究
    (2004) 楊明航
    本論文是以摻雜不同濃度ZnO的鈮酸鋰晶體,使用HP4194A阻抗分析儀,在溫度範圍100◦C~600◦C,頻率變化100Hz~40MHz的交流電作用下,沿著其c軸量測其阻抗值。我們從阻抗數據資料中,求得導電率隨溫度、頻率的變化關係,進而求得導電活躍能,並求得摻雜氧化鋅的濃度和導電活躍能的變化。 我們也求得介電常數隨溫度、頻率的變化關係,進而求得摻雜氧化鋅的濃度和介電常數的變化。並透過M(electric modulus)的表示法求得晶體的弛豫活躍能,以求得摻雜氧化鋅的濃度和弛豫活躍能的變化,藉此希望能夠了解晶體在摻雜不同濃度氧化鋅的導電和介電特性的變化。 我們發現樣品在外加交流電作用下,同時存在有導電離子的移動和電偶極的影響。在高溫低頻的狀況下,離子的貢獻較突顯;相對地,在低溫高頻的狀況下,電偶極的貢獻才較能觀察得到。 我們將樣品對交流電下的反應採用等效電路進行模擬,以希望更加地了解離子的移動和電偶極的變化對導電和介電特性的影響,進而探討氧化鋅的添加對鈮酸鋰晶體所造成的影響。 我們分析樣品的直流導電活躍能Ea、導電率σ、介電常數ε、介電損耗因子tan δ和弛豫活躍能Em隨著滲雜ZnO的濃度變化關係,發現所得的變化結果在濃度5~6 mole%和濃度7~8 mole%時出現轉折點,故我們推測當摻雜不同濃度的氧化鋅時,在5mole%之前和5mole%~7.5mole%及7.5mole%之後有著不同的影響。
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    磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨晶體的高溫相變與導電、介電性質之研究
    (2002) 顏正杰
    摘 要 本論文包含三個研究主題。一、將KDP與ADP兩晶體加熱,並利用偏光顯微鏡沿a軸觀察兩晶體的光學變化,找出晶體的結構相變溫度。二、對兩晶體做熱分析測量(DSC與TGA)。三、沿a軸測量兩晶體在不同頻率下隨溫度變化之阻抗,經由計算得到晶體的電容率、導電係數、活化能、弛豫時間,藉由這些數值了晶體的導電、介電特性與溫度、頻率的關係。 利用加熱台在偏光顯微鏡下加熱兩晶體,我們沒有觀察到任何結構相變的光學變化,建議可從c軸觀察。我們對兩晶體進行熱分析測量,DSC與TGA兩曲線有相互重疊,表示晶體吸熱現象並非是結構相變所造成,而是熱分解的結果。 KDP晶體的介電常數與導電係數在180℃附近有異常。ADP晶體的介電常數在120℃~140℃有變化,導電係數沒觀察到特別的變化。 Electric Modulus 來研究晶體弛豫,該兩晶體的弛豫現象以導電弛豫為主,配合Williams-Watt form的衰減函數 來擬合M實驗曲線,可得到更佳擬合。