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 氫氣影響鐵鈀合金與鎂基多層膜的磁性以及結構變化(2023) 廖黎杰; Liaw, Li-Jie氫化效應對磁性材料的影響已被廣泛研究,目前已知的熱門儲氫材料中以可在室溫且低氫氣分壓儲氫的鈀(Pd)為主,其高氫敏感性適合觸發材料中的磁性變化。本篇論文以第一部分著重在鎂(Mg)基儲氫材料,其儲氫能力是自身體積4倍最受矚目,然而Mg塊材需要高溫高壓的氫氣環境才能吸收氫氣並且儲存。通過鈀覆蓋層的催化作用,氫分子的裂解在催化過程中有效發生,促進氫原子擴散到底層的純鎂。該過程已被實驗證實在室溫、1 bar的氫氣壓力下發生。Pd/鈷(Co)/Mg多層膜的磁光柯爾效應(MOKE)在真空和1 bar氫氣壓力下測量以進行比較。氫化效應不可逆地將矯頑力(Hc)從25 Oe提高到大約200 Oe。在使用原子力顯微鏡(AFM)量測表面形貌下,氫化後的樣品表面粗糙度從0.1增加到6 nm,且通過 X 射線衍射(XRD)量測在室溫環境下形成穩定的MgH2相。此外,將具有高儲氫穩定性的Mg間隔層夾在Pd/Co/Mg/Fe多層結構中,以提高其儲氫穩定性並探索該結構的磁傳輸特性。透過平面磁場四點測量,磁阻率(MR ratio)的變化從0.22±0.01%增加到0.30±0.01%,這也表明MgH2增加了自旋散射概率和熱效應的穩定性。在我們研究的第二部分,我們重點關注了Pd的獨特性,特別是其高吸氫能力和可逆氫化行為,以及氫氣脫付的遲滯現象,這使其非常適合與氫相關的應用。為了解氫化對磁性的影響,我們的目的是探索氫化對磁異向性能的改變及其與FePd薄膜晶體結構的關係。我們採用X射線磁圓二色性(XMCD)來檢測氫吸收對FePd合金薄膜中Fe磁矩的影響,透過觀察到特徵峰的顯著變化,表明磁性行為發生了變化。值得注意的是,我們發現 FePd薄膜中的磁異向性可以通過吸氫和解吸過程可逆地旋轉無需外部磁場。這使我們能夠實現無磁場開關,這是磁控制領域的一個顯著進步。此外,我們的研究證實FePd薄膜的磁異向性主要受界面應變誘導的磁異向性能與傾斜沉積誘導的表面微結構之間的競爭,且通過橫截面透射電子顯微鏡(TEM)分析和檢查不同厚度的FePd異向能證實了這一觀察結果。總結來說,我們的研究為氫化對磁性薄膜磁性的影響提供了有價值的見解。這些發現證明了MgH2形成、自旋散射和Pd/Mg基多層膜的磁性之間的相關性。 FePd合金體系中磁異向性的可逆控制是通過吸氫和解吸實現。這項研究為自旋電子元件中氫遷移和存儲的控制提供了不同的見解,為磁性元件中的磁矩切換機制引入了新的自由度。Item Item 磁場增強石墨氮化碳基二硫化亞鐵異質接面的氮氣還原光催化劑(2022) 張芷瑜; Chang, Chih-Yu在自然界中,固氮酶在環境條件下將氮氣固定成生物可用的形式,但是生物合成的方式無法迎合人們的需求,因此需要透過人工合成法達成。在現代社會中,世界上一半的固定氮是通過工業哈伯法製氨所達到人類所需,這種氨合成法需在高溫和高壓下才能進行。因此,欲藉由本篇論文提出了一種由仿生團簇二硫化亞鐵和二維層狀半導體材料石墨氮化碳共同組成的固氮酶模擬物異質接面,此光催化劑可以在環境溫度和壓力下完成光催化氮氣固定和轉化為氨分子,並且透過增加反應磁場的變化對氮氣還原具有更高的活性。本篇論文的結果將擴展材料設計和工程的範圍,以創建在溫和條件下運行的鐵基氮氣還原光催化劑。Item 二硫化鉬相關異質結構分析(2021) 許銓喆; Hsu, Chuan-Che我們分析二硫化鉬異質結構的物理特性,我們將鐵磁性材料(鐵、鈷鈀合金)和功能性材料(金、C60)鍍在二硫化鉬的薄片上。所有實驗中的二硫化鉬都使用化學氣相沉積(CVD)來製備於二氧化矽/矽(1 0 0)上。在鍍上異質結構之前,我們都會利用原子力顯微鏡(AFM)、光致發光光譜(PL)和拉曼光譜(Raman)來檢查二硫化鉬的基本性質。形貌上,發現一些有趣的現象:高溫下(約500 k)在二硫化鉬上鈷鈀合金的實驗中觀察到有奈米顆粒會聚集在單層二硫化鉬的邊緣,然而在多層二硫化鉬中這些奈米顆粒則在每層邊緣平行排列,且我們也觀察到光致發光的quenched (淬滅)現象,這證明高溫下鈷鈀合金也有覆蓋在二硫化鉬的平台表面上且非常的平坦,粗糙度約小於±0.5 nm,相較之下,常溫下成長在二硫化鉬的鈷鈀合金薄膜卻很粗糙(粗糙度~±2 nm)。再來是關於二硫化鉬上金(2~8 nm),我們觀察到高度反轉的現象。鍍金前,二硫化鉬到基板二氧化矽的台階高度為 +0.66 nm,這大約是正常的二硫化鉬的單層厚度。鍍金後,二硫化鉬到基板之間的高度反轉成(約-1.0至-3.5 nm)。此高度反轉現象的原因是金在二硫化鉬和基板上的不同生長模式,且這機制會取決於金的鍍膜時的溫度和金的厚度。關於磁性方面,令人驚訝的是我們觀察到鐵磁性材料(鐵、鈷鈀合金)/二硫化鉬與旁邊的基板二氧化矽之間有magnetic decoupling(磁去耦合)的現象。儘管二硫化鉬厚度(~0.66 nm)比鐵或鈷鈀合金的厚度更薄,關於3.6 nm的鐵在二硫化鉬上的矯頑場 (Hc) 為 28 ±5 Oe,然旁邊區域基板二氧化矽上的3.6 nm Fe的Hc約為 58 ±5 Oe,可看出矯頑場有明顯的差異(約30 Oe),之所以會有magnetic decoupling是由於鐵在不同基材上具有明顯的界面的磁各異向性。且也觀察到鈷鈀合金在二硫化鉬上也有類似的現象,在二硫化鉬上的鈷鈀合金(8 nm)的Hc為 52 ±3 Oe,旁邊的基板二氧化矽上的鈷鈀合金Hc 為 64 ±3 Oe,可得知鈷鈀合金上也會觀察到magnetic decoupling的現象。 最後,關於有機材料在二硫化鉬上的研究,隨著C60覆蓋度的增加,PL峰值從原本是二硫化鉬主導的1.83 eV變為C60主導的1.69 eV,此外在 C60/二硫化鉬這異質結構上證明了連續雷射會導致C60脫附。大約10 mW/µm2 的雷射功率就足以讓二硫化鉬薄片中的 20 nm C60脫附,所以可用這方法設計約為 500 nm微觀圖案。除了形態結構之外,還通過連續雷射誘導C60脫附的方法,來觀察在C60/二硫化鉬上微觀圖形的PL,關於上述在二維材料二硫化鉬基本研究(形貌,磁性,有機材料雕製微觀圖形),相信這對未來的二維材料的二硫化鉬自旋電子應用或元件設非常有幫助。Item 紅熒烯對鎳/矽(100)系統磁性與結構的影響之研究(2021) 李有庠; Li, You-Siang新興半導體材料的研究日益增長,近年來以紅熒烯為主軸的研究也相當活躍。鐵磁性材料會受紅熒烯影響而改變晶體結構,而本實驗室近年來研究亦指出鐵磁材料鈷受到紅熒烯介面影響在晶體結構以及磁域翻轉的描述有卓越的研究成果。鎳受到紅熒烯的影響,產生磁性與結構上的變化,成為本論文研究重點。本研究利用磁光柯爾效應儀、原子力顯微鏡、磁光柯爾顯微鏡、X光繞射儀、X光反射儀與X光電子能譜儀,去探討鎳/紅熒烯/矽(100)系統的結構與磁性變化。第一部分在鎳/矽(100)系統中,磁性量測矯頑力隨薄膜厚度增加的變化,矯頑力在鎳厚度28奈米時由50 Oe上升至100 Oe左右,而在鎳厚度約28奈米時透過X光繞射確認鎳薄膜開始出現了Ni(200)及Ni(220)兩個磁化難軸的晶向;第二部分分別在鎳的上方及下方加入一層紅熒烯,並從結構分析上得知鎳的晶體結構會因為紅熒烯的加入使得晶粒的增長更加明顯,並且在鎳與紅熒烯的介面層有化學鍵結的產生。而在第三部分鎳/紅熒烯/矽(100)系統中透過加入少量而不同厚度紅熒烯,觀察上層鎳薄膜的磁性變化,在加入少量紅熒烯之後,矯頑力在鎳厚度28奈米時由50 Oe巨幅上升至150 Oe左右,除了從第二部分即可得知的結構變化外,配合科爾顯微鏡以及原子力顯微鏡的測量得知表面顆粒造成的磁性缺陷也扮演著影響磁性的重要角色。Item 鈷,鎳/氧3x3/鎢(111) 的成長、結構、熱穩定性及磁性之研究(2012) 薛坤仁本研究目的在觀察,於超高真空系統中,鈷和鎳分別在氧3x3/鎢(111)基板上的晶格結構、熱穩定性、磁性及成長。藉由歐傑電子能譜與低能量電子繞射研究這些物理特性。實驗中我們發現,在鎢(111)上曝氧後再以適當的溫度加熱,氧氣會吸附在鎢(111)表面上,並產生3x3的表面重構現象。特別的是,在薄膜成長及升溫過程中,我們可以從歐傑電子能譜儀中得知氧的訊號一直存在,而且訊號強度幾乎是固定的,此一結果暗示氧一直存在於表面上,類似介面活性劑。此外,我們也證明在鈷、鎳薄膜的成長及熱穩定性實驗中,氧扮演著非常重要的角色。在鎳/氧3x3/鎢(111)系統中,鎳的成長方式為島狀成長;在鈷/氧3x3/鎢(111)系統,鈷則是層狀成長。在熱穩定性方面,鎳/氧3x3/鎢(111)的實驗結果顯示,即使在鍍了大量(9 PML)的鎳後,還是不能明顯地觀察到潤濕層的存在;但在鈷/氧3x3/鎢(111)系統中發現了潤濕層的存在(0.33 PML)。此結果不同於在鈷/鎢(111)及鎳/鎢(111)系統之結果,鈷、鎳薄膜在加熱到凱氏溫標700度時,會形成潤濕層(1 PML),這些結果證明了氧3x3/鎢(111)的介面對於鈷、鎳薄膜的成長及熱穩定性有極大的影響。在磁性行為上,鎳/氧3x3/鎢(111)為傾斜磁化;而鈷/氧3x3/鎢(111)則是平面方向上的磁化。Item 鈷薄膜在鐵白金上成長之磁特性研究(2013) 阮家治本實驗在超高真空下進行,不同退火溫度的2 ML Fe/Pt(111)上成長Co超薄膜,並且對其進行退火處理的表面結構、成分組成以及磁特性研究,使用分子束磊晶的技術成長Fe及Co超薄膜,並利用低能量電子繞射儀,歐傑電子能譜儀以及磁光柯爾效應儀,探測樣品的表面結構、成分組成以及磁特性的研究,熱退火處理對Fe/Pt(111)系統中,當退火溫度超過570 K後,從歐傑訊號的變化可以看出 Fe/Pt介面形成了Fe-Pt表面合金,造成其矯頑力與柯爾訊號大幅提升。接著在不同Fe-Pt合金形成溫度的系統中成長Co薄膜,發現飽和磁化量與殘磁柯爾訊號受原子磁矩等量的增加而呈線性的增長,且矯頑力隨著膜厚上升達最大值,推測矯頑力上升是由於Co與下方Fe-Pt介面形成交換耦合作用之影響,並且在較低的Fe-Pt合金形成溫度,矯頑力提升的幅度較高。而後在Co/Fe-Pt/Pt(111)退火對磁特性影響的研究中,樣品溫度對磁性的影響在不同Fe-Pt合金形成溫度的系統中極為相似,可以發現其磁性隨樣品溫度在600 K以下時,受熱效應影響而下降,在600 以上時由於交換耦合與熱效應同時的影響使得磁性降低。在退火方面,Co/ Fe-Pt/Pt(111)系統中,矯頑力在600左右上升至穩定,750 K後又繼續上升,推測第一階段的上升應是Fe與Pt形成合金造成此趨勢,而第二階段的上升為Co與Pt形成合金造成,而飽和磁化量及殘磁柯爾訊號,升溫退火Co/ Fe-Pt/Pt(111)系統相似,皆無明顯變化,僅在Co/Fe-Pt/Pt(111)系統中,可以看到在600 K以下時柯爾訊號緩降,600 K以上快速下降,推測此差異應是由於Co薄膜與Fe-Pt介面的交換耦合效應。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 鈷鉑表面合金與鐵超薄膜介面的磁性研究(2011) 吳幸璇; Hsing-Hsuane Wu我們利用歐傑電子能譜儀(AES)、低能量電子繞射儀(LEED)及表面磁光柯爾效應儀(SMOKE)探測鐵超薄膜成長在鈷鉑表面合金系統中表面成分、結構及磁性的變化;並且搭配升溫退火效應探討系統隨著退火溫度上升而造成表面成分、結構及磁性的變化。當鈷鉑形成表面合金的溫度為710 K時,鐵薄膜在成長的過程中會發生結構上的轉變,導致極向的柯爾旋轉角均會有最大值,且矯頑力仍維持原鈷鉑合金之大小,顯示其可以產生有效的垂直磁交換耦合彈簧效應。在較低的合金形成溫度550 K時,鐵薄膜在成長的過程中亦會發生結構上的轉變且極向的柯爾旋轉角亦會有最大值,但其柯爾旋轉角與矯頑場均小於710 K的鈷鉑表面合金系統,推測是由於退火溫度較低時,形成的鈷鉑表面合金結構不完美所導致。將鐵超薄膜成長在不同鈷薄膜厚度下所形成的表面合金,發現當鈷薄膜厚度僅有0.7 ML時,較不利於產生垂直的磁交換耦合彈簧效應;故我們可以推論出鐵薄膜成長在鈷鉑表面合金上要具有有效的垂直磁交換耦合彈簧效應時,增加鈷鉑表面合金的退火溫度與增加鈷薄膜的厚度均有利於增強有效的垂直磁交換耦合彈簧效應,藉此可以有效提高儲存密度。將鐵成長在鈷鉑表面合金上並對其進行加熱退火效應,量測磁性及表面原子的變化,由歐傑電子能譜儀觀測表面原子組成,可發現鐵原子隨著退火溫度上升會往基底擴散,而鈷原子則是會先往表面擴散後再繼續往基底擴散。而觀察其矯頑場的變化,可以發現在退火溫度升高至700 K以上時,矯頑場會大幅度上升,推測來源為Fe-Pt的形成,比較鐵成長在白金基底上的退火效應,發現相同的退火溫度中,Fe/Pt(111)系統的矯頑場會大於Fe/Co-Pt/Pt(111),顯示在Fe/Pt(111)系統中鈷的摻雜不利於矯頑場的增加。 關鍵詞:表面合金、鈷鉑、磁性、磁交換耦合彈簧效應Item 抑制矽化物生成的低溫鐵薄膜之成長與磁性研究(2011) 涂文廷; Wen-Tin Tu相較於室溫成長,低溫下成長於矽基板上的鐵薄膜成功的減少了矽和鐵介面間的矽化物產生。在鐵矽介面間,5到15層低溫成長的鐵薄膜,在350K下都能夠維持穩定的狀態。同時,低溫成長的鐵薄膜其表面相當的平整,粗糙度約在0.4到0.6個奈米間。因此,低溫的鐵薄膜被用來做為一介面層,接續在室溫下繼續蒸鍍鐵薄膜。我們利用磁異相能的單一磁矩模型,來模擬矯頑場的變化,並推論和討論表面及體積異相能。