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 基質輔助雷射脫附游離飛行時間質譜法和拉曼光譜技術於茜素媒染色澱成分鑑定及結構解析之研究(2024) 王彥淳; Wang, Yan-Chun本研究使用基質輔助雷射脫附游離飛行時間質譜法和拉曼光譜技術,探討茜素與媒染劑(包括醋酸鋁,硫酸鋁鉀,醋酸鋁與醋酸鐵)反應時,形成「茜素-金屬離子」有機金屬錯合物的可能結構。此反應一旦形成有機金屬錯合物,其沉澱物的顏色分佈為紅色到褐色。該沉澱物可使用基質輔助雷射脫附飛行時間型質譜儀加以測量,並以CHCA (alpha-cyano-4-hydroxycinnamic acid)作為基質。實驗結果發現在正電模式時,質譜圖上有一明顯的訊號在m/z=504.043,符合兩個茜素分子與醋酸鋁中的鋁離子錯合的荷質比。此外在測量茜素與明礬溶液的訊號時,還偵測到了茜素與鋁離子和鉀離子的中間產物之訊號在m/z=316.049、m/z=331.069、m/z=375.075、m/z=392.082,符合茜素分子與鋁離子和鉀離子錯合時配位了羥基和甲氧基的荷質比。利用拉曼光譜觀察到特徵峰值分別為1298 cm-1、1332 cm-1、1454 cm-1、1480 cm-1代表了C-OH和C-H的彎曲振動,以及C-C的伸縮振動,還觀察到了1630 cm-1 的C=O伸縮振動和1162 cm-1及1193 cm-1的 C-H彎曲振動和C-C的伸縮振動,基於這些特徵峰值最後推測出化學結構,並比對文獻參考進行驗證。為了探討媒染後的顏色變化,利用LabVIEW程式中RGB數值轉換為波長的程式,探討該方法取代反射式吸收光譜法的可行性。Item 雷射照射下石墨烯/二硫化鉬與六方氮化硼/二硫化鉬雙層異質結構之穩定性(2023) 許聖郁; Hsu, Sheng-Yu本研究使用拉曼光譜及螢光光譜,研究了二硫化鉬和石墨烯/二硫化鉬和六方氮化硼/二硫化鉬等結構在不同雷射功率下的穩定性。結果顯示,在石墨烯/二硫化鉬和六方氮化硼/二硫化鉬等異質結構中,薄膜能夠隔絕大氣並增強二硫化鉬受雷射影響的穩定性。原子力顯微鏡表面形貌和拉曼光譜顯示,經過56 mW、30 mW雷射照射裸露的二硫化鉬後,二硫化鉬會凸起並發生結構變化,並且拉曼訊號在30分鐘後衰減至原本的10 %。結構變化的過程中,A1g和E2g兩個特徵峰會發生紅移,A1g的紅移是由氧化產生的p-dope所引起,而E2g則是由結構變化產生的應變所導致。對於石墨烯/二硫化鉬系統,我們觀察到不同的光譜特徵。在雷射照射過程中,拉曼特徵峰和光致螢光強度並沒有快速下降,這顯示結構變化現象被抑制。而對於六方氮化硼/二硫化鉬30 mW的實驗組中,觀察到拉曼特徵峰和光致螢光強度呈現先上升的趨勢,因此推測在略低於30 mW雷射的環境下,六方氮化硼/二硫化鉬能夠保持穩定。結果顯示石墨烯/二硫化鉬受雷射照射影響的穩定性最佳,六方氮化硼/二硫化鉬次之,未經覆蓋而裸露的二硫化鉬穩定性最差。Item 層狀二硫化鉬在共振激發下的偏振拉曼光譜(2023) 薛喬方; Syue, Jiao-Fang偏振拉曼光譜已經被應用在測量二維材料上,包括石墨稀與過渡金屬二硫化鉬,尤其是使用線偏振和圓偏振光為激發光線。量測不同溫度下的二硫化鉬受不同偏振入射光影響的拉曼張量,我們可以知道聲子振動模式是如何表現其偏振態。在本實驗中,利用紅光共振激發變溫下的二硫化鉬,結果顯示,在低溫狀態下,線偏振的入射光激發時,面內振動(E')和面外振動(A_1')模式表現出線偏振的散射光,b mode則是呈現非各向同性(anisotropic),隨著溫度的上升,E' 、A_1'仍維持在線偏振的散射光,而b mode則漸漸改變成線偏振的散射光;圓偏振的入射光激發時,低溫狀態的E'和A_1'模態呈現出旋向守恆(helicity-conserve),b mode 則是表現出旋向轉換(helicity-exchange),隨著溫度的上升,E' 、A_1'仍維持旋向守恆,但b mode會漸漸變成旋向守恆。 實驗結果顯示了b mode的獨特性,因此我們引用了一些電子-聲子耦合如何影響拉曼強度的偏振態有關的論文,來解釋這個特殊的現象,同時深入探討層狀二維材料的聲子與光子之間的交互作用,以便提供未來先進材料應用更多重要的基礎與應用。Item 以拉曼光譜技術及基質輔助雷射脫附游離質譜法分析藍色水彩顏料及應用在畫作上的鑑定(2022) 鐘琬茹; Zhong, Wan-Ru本論文以拉曼光譜技術建立各種藍色顏料的標準參考拉曼圖譜,使用的藍色顏料包括群青、酞青藍、鈷藍、普魯士藍、靛藍等,共8種常用的藍色顏料。再分析87支市售的藍色水彩顏料,發現較多水彩顏料是以群青及酞青藍為成分製作,甚至能發現有些藍色是與白色、紫色或綠色顏料混和而成。而有些無法以拉曼光譜儀直接測量到的顏料,以水洗方式純化顏料後再進行測量,洗去顏料中的甘油、阿拉伯膠等物質後,便能成功檢測出該顏料的拉曼光譜。建立標準參考拉曼圖譜後,本論文也實際應用於畫作上的鑑定,分析由國立台灣師範大學文物保存中心提供的畫作,鑑定出畫作上的藍色顏料為群青,紅色顏料為朱紅,黃色顏料為鉻黃,而綠色顏料為普魯士藍混和鉻黃。除了使用拉曼光譜技術之外,本論文也利用基質輔助雷射脫附游離飛行時間質譜技術(MALDI-TOF MS)針對藍色水彩顏料進行分析的研究,因為MALDI-TOF MS具有可大量分析樣品的優勢,未來可能用於大量分析未知顏料或建立顏料質譜數據庫,實驗結果發現酞青藍、陰丹酮藍以及靛藍顏料均能得到質譜圖。Item 二維二硒化鈮之約瑟夫森效應及超導量子位元的應用(2021) 郭柏汝; Guo, Bo-Ru具有六角蜂巢晶格結構的二維材料(例如:石墨烯以及2H族過渡金屬二硫族化物)所蘊含的特殊物理性質,可做為未來對基礎材料科學、電子元件應用,以及資訊傳輸領域應用當中的替代選擇。於部分六角蜂巢晶格的二維材料當中,其特殊晶格結構以及原子軌域組合,除了賦予材料空間反轉對稱破壞性以及時間反轉對稱性外,還分別授予坐落於K以及K’點處之布洛赫函數於單位晶格內具有兩方向相反的內稟環狀電流。由於其方向相反,對於載子而言則是多出了有別於一般電子自旋的能谷電子自由度(valley DOF)。由於此種能谷電子自由度對應了相反方向的能谷磁矩,於光學應用上則是對於不同圓偏振光有著不同的選擇規則。此種電子與晶格原子之間的交互作用,亦可以推廣應用至量子資訊領域。於量子資訊領域中,以量子位元作為運算基本單位,其中量子位元可以是任意二能階系統,例如:電子自旋、離子阱和超導量子位元等等。超導量子位元則是以電路結構作為基礎打造而成的人造原子系統,其中Google和IBM團隊已投入大量研究經費鑽研其富含的物理特性。隨著二維材料與量子資訊興起,是否能將二維材料獨特之特性應用至超導量子位元系統中,是一個尚未被驗證的議題。因此,本學位論文將探討二維超導材料2H-二硒化鈮(NbSe2)之特性及在量子計算領域中的應用性。將呈現: (1)基本材料特性,(2)透過圓偏振拉曼光譜分析2H- NbSe2內稟能谷電子耦合自旋電子特性,(3) 2H-二硒化鈮超導電子以及對應量子傳輸特性,及(4) 基於2H-二硒化鈮超導量子位元微波特性,並加以分析討論。此項工作有助於作為研究二維材料超導量子位元的基礎。Item 層狀二硫化鉬的偏振解析拉曼光譜研究(2021) 姜昱帆; Chiang, Yu-Fan偏振拉曼光譜已被廣泛應用於許多二維材料,包括石墨烯和過渡金屬硫化物,特別是使用線偏振光和圓偏振光為激發光。通過計算不同材料受不同偏振入射光影響的拉曼張量,我們可以得知聲子振動模式是如何表現其偏振態。在這項工作中,單層二硫化鉬被轉移到擁有不同厚度之二氧化矽的矽基板上,以測量偏振拉曼光譜。結果顯示,當被線偏振的入射光激發時,單層二硫化鉬的面內振動(E^')和面外振動(A_1^')模式分別表現出各向同性和線偏振的散射光。同時,當使用圓偏振光作為激發光時,E^'和A_1^'模態則分別表現出旋向交換(helicity-exchange)和旋向守恆(helicity-conserve)的行為。 更重要的是,實驗結果發現單層二硫化鉬的E^'和 A_1^'振動模式在位於純矽基板上時出現與理論模型相異的情形。我們引入了一個強度偏移量來解釋二硫化鉬的聲子與基板之間的耦合效應。此外,還引用了一些與電子-聲子耦合如何影響拉曼強度的偏振態有關的論文,去解釋這種奇特的現象,深入探討層狀二維材料的聲子與光子之間的交互作用,以期提供未來先進材料應用更多重要的基礎與應用。Item 以拉曼光譜技術鑑定東方繪畫顏料的實際與應用(2021) 張滙婷; Chang, Hui-Ting本研究以拉曼散射光譜儀分析顏料的拉曼指紋圖譜,做為標準參考物質顏料,建立鑑定維護或修復畫作時所需的標準拉曼光譜圖。再使用本實驗室開發的LabVIEW程式擷取背景螢光的功能,擷取螢光背景光譜圖分析,另一方面也使用表面增強拉曼散射技術,藉著增強拉曼訊號並降低螢光背景的方法,解決螢光干擾的問題。利用上述方法技術,以螢光光譜區分方解末及胡粉兩種碳酸鈣顏料和辰砂及鉛丹兩種無機顏料;而LabVIEW程式無法解決的背景螢光問題,以表面增強拉曼散射技術,增強拉曼訊號並解決螢光干擾的問題,藉著添加奈米銀及使用拉曼光譜儀分析,解決紅色有機顏料強烈的背景螢光問題。本研究分析顏料標準品的拉曼光譜圖,實際將表面增強拉曼散射技術應用於東方畫作未知樣品上,成功降低拉曼光譜中的螢光干擾,並與顏料之標準拉曼光譜比較,分析出未知樣品1中之成分顏料為鉛丹,未知樣品2中之成分顏料為鉛丹和鉛白,透過分析未知樣品的例子,證明本研究方法能成功應用於東方畫作顏料的鑑定上。Item 拉曼光譜技術在顏料鑑定及建立資料庫上的應用(2020) 簡佩妏; Chien, Pei-Wen白色顏料是繪畫上一個分常重要的顏料,加上畫家需要呈現不同的繪畫感覺,因此有許多以不同材料來源所製成的白色顏料。本論文選擇檢測快速且具有獨一無二的拉曼散射訊號的拉曼光譜技術對胡粉、鉛白、珍珠粉、白雲石、方解末、鋅白、鈦白、立德粉與水干雲母共9種白色顏料進行鑑定,並應用於畫作上的顏料分析 除了白色顏料的研究,本論文也選用7種碳酸鈣顏料,搭配本實驗室開發的LabVIEW拉曼光譜背景螢光減去程式,解決碳酸鈣顏料拉曼光譜螢光訊號干擾的問題。並且透過此程式具有將扣除的螢光訊號重新繪製成螢光光譜的特點。將7種碳酸鈣顏料被扣除的螢光訊號重新繪製成螢光光譜,並根據螢光最大波長的數值成功分辨出這7種碳酸鈣顏料。 本論文也進行畫作上顏料的鑑定。進行檢測的有五月雨以及奈良市登大路町十四這兩幅畫。透過拉曼光譜的結果,以及LabVIEW拉曼光譜背景螢光減去程式的應用。推測五月雨的白色蝴蝶可能使用胡粉或方解末這兩種以碳酸鈣為主成分的白色顏料。奈良市登大路町十四的打底層則推測出是使用鉛白,白色建築物則是使用鋅白。 本論文也會介紹LabVIEW文物修復專用光譜資料庫,此資料庫為國立臺灣師範大學美術系與化學系共同建立的資料庫,是國立台灣師範大學獨有的資料庫。與其他資料庫相比具有未知物光譜檢索功能。並且搭配Data thief圖檔轉換程式,能夠快速的擴充資料庫,目前資料庫內已有20種天然材料製成的顏料拉曼光譜。Item 菱形與類四方晶系結構鐵酸鉍薄膜之光譜性質研究(2012) 蔡育仁; Yu-Ren Cai本論文研究多鐵材料 BiFeO3 薄膜 (厚度約為 30 nm) 成長於不同基板 (LSAT、DyScO3、LaAlO3) 的光譜響應。x 光繞射能譜顯示 BiFeO3 成長於 DyScO3 及 LSAT 基板上呈現菱形晶系結構,成長於 LaAlO3 基板上呈現類四方晶系結構。我們量測薄膜的穿透光譜,計算吸收係數,估算 BiFeO3 薄膜成長於 LSAT 與 LaAlO3 基板上室溫能隙值約為 2.58 eV 與 3.08 eV。隨著溫度下降,菱形晶系 BiFeO3 薄膜 (LSAT 基板) 能隙值在低於 100 K 時,明顯偏離理論預測值,此可能與 BiFeO3 塊材於低溫具自旋玻璃態以及晶格不匹配度改變有關。此外,菱形晶系 BiFeO3 薄膜樣品於 2.8 ~ 3.2 eV 與 4.0 ~ 4.4 eV 能量區間,與類四方晶系 BiFeO3 薄膜樣品於 3.45 ~ 3.5 eV 與 4.27 ~ 4.3 eV 能量區間,其振盪子權重分別在 200 K 與 150 K 附近顯現極值,此亦與 BiFeO3 薄膜樣品於 200 K 與 150 K 的自旋重新排列行為有關。 其次,我們量測薄膜的高溫拉曼散射光譜,菱形晶系結構 BiFeO3 薄膜 (DyScO3 基板) 的 173 cm-1 拉曼峰於 600 K 附近展現不連續紅移現象,此與自旋聲子之交互作用有關,我們計算出自旋聲子耦合係數約為 12.9 mRy/Å2。另一方面,類四方晶系結構 BiFeO3 薄膜 (LaAlO3 基板) 在 360 K 附近,221 cm-1、269 cm-1、359 cm-1 及 586 cm-1 拉曼峰頻率位置與半高寬有階梯式的變化,造成此現象有兩種可能因素:(i) 類四方晶系結構從 MC-Type 轉換為 MA-Type;(ii) 反鐵磁有序相轉換。我們也觀察到 586 cm-1 與 685 cm-1 拉曼峰在接近 600 K 時有不連續紅移現象,此可能為接近尼爾溫度時,受到自旋聲子耦合交互作用影響所致。Item LixCoO2 單晶樣品之光譜性質研究(2012) 蔡馨嬅; H. H. Tsai我們研究摻雜不同鋰離子濃度 LixCoO2 單晶樣品之橢圓偏光與拉曼散射光譜。Li0.33CoO2 室溫吸收光譜顯示 3 個吸收峰,其頻率位置分別約為 1.61 eV、3.35 eV 及 5.21 eV。前二者對應 Co3+ 電子由 t2g 躍遷到 eg 軌域,而後者則與電子由 O 2p 躍遷到 Co 3d 軌域有關。隨著鋰離子濃度增加,吸收峰頻率位置大致維持不變,但Li0.87CoO2吸收峰能量轉變為 3.08 eV、4.55 eV 及 5.76 eV,代表其電子結構產生變化。 其次,Li0.33CoO2 室溫拉曼散射光譜具有 2 個拉曼活性振動模,其頻率位置約為 468 cm-1 ( Eg 對稱性 ) 和 568 cm-1 ( A1g 對稱性 ),分別對應氧原子沿著 ab 平面與 c 軸伸張振動。隨著鋰離子濃度增加,因 c 軸縮短,鍵能增加,故 A1g 拉曼峰展現藍移變化。我們另發現 Eg 拉曼峰的半高寬隨著鋰離子濃度增加而變大,這意味著晶格的無序度擴增。有趣地是,Li0.87CoO2 拉曼散射光譜展現兩個六方晶系結構相的共存,分別為第一六方晶系的 490 cm-1 ( Eg ) 和 598 cm-1 ( A1g ) 拉曼峰與第二六方晶系的 480 cm-1 ( Eg ) 和 570 cm-1 ( A1g ) 拉曼峰,此與之前文獻[J. Raman Spectrosc. 28, 613 (1997).] 的發表結果亦相符合。 最後,當樣品降溫至 200 K 時,Li0.50CoO2 的 Eg 與 A1g 拉曼峰呈現異常藍移,此現象為反鐵磁相轉變所致,A1g 拉曼峰在 200 K 至 120 K 溫度區間卻轉變為紅移,其與 Co3+ 和 Co4+ 的電荷有序性排列有關。Li0.53CoO2 的 A1g 拉曼峰在 66 K 附近產生偏離藍移現象,推測亦與其反鐵磁相轉變有關。Li0.50CoO2 與Li0.53CoO2的高頻雙磁振子拉曼峰之半高寬在尼爾溫度附近變窄,暗指其反鐵磁有序性的相干長度變長。
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