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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    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  
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    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。
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    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。
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    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。
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    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。
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    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。
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    濺鍍成長鐵鈷合金薄膜與大學近代物理實驗改進研究
    (2010) 林仟弘; Chang-Hong Lin
    本研究是利用射頻濺鍍的方式,在單晶矽(100)上成長鈷和鐵鈷合金薄膜,並配合大氣磁光柯爾效應儀進行磁性的量測,且配合原子力顯微鏡、掃描穿隧式電子顯微鏡,進行表面形貌量測,觀察濺鍍不同鐵磁性薄膜一系列的研究。 我們建立一套全新的射頻濺鍍系統,且成功利用此系統濺鍍Co/Si(100)及CoxFe1-x/Si(100)薄膜。實驗發現,改變濺鍍條件成長薄膜,濺鍍功率和工作壓力皆會影響薄膜成長速率。濺鍍功率及工作壓力的增加皆會使薄膜成長速率加快。 在以濺鍍功率50 W、工作壓力 4mTorr成長Co/Si(100)薄膜時,發現鈷膜表面有特殊的三角錐結構,尺度約為100 nm。而改變濺鍍條件則無此現象。此錐狀物是由底層鈷層的柱狀晶向上成長,成長的Co膜為HCP結構,且鈷膜平面平行 HCP結構上的c 軸,和我們在磁性量測發現易軸在縱向的結果呈現一致。 且實驗發現成長Co/Si(100)薄膜及Co0.4Fe0.6/Si(100)薄膜時,表面粗糙度隨薄膜成長會先下降再增加。另外由表面磁光科爾效應儀的磁性量測結果發現Co/Si(100)薄膜之矯頑力也隨薄膜厚度增加先下降再增加,和表面粗糙度有相同的趨勢,證實磁性薄膜表面粗糙度會影響磁性薄膜之矯頑力。 另外,我們也進行本系實驗物理(III)課程改進研究。由問卷調查發現新增選修實驗對學生學習上有很大的幫助,且學生可提早認識當前研究的趨勢幫助其未來規劃。另外,我們也就各項觀察提供建議的改善方針,以期提升實驗課的深度與廣度。
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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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    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。