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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    螢光量子點應用於氣體感測器之研製
    (2024) 葉育慈; Yeh, Yu-Tzu
    本研究使用 CdSe/ZnS 量子點作為材料,結合自製微型光學感測器的紙張型感測器,以材料光致發光的特性檢測揮發性有機化合物 (Volatility Organic Compound,VOC) 的紙片型感測器。微型光學感測器使用市售之綠光感測器結合雙低通濾波放大電路,與光譜儀相比,大幅降低了成本。本研究做幾項影響因素的探討,包含光源的選擇、感測器的比較及其數據計算方式,成功的測量七種有機氣體於爆炸下限 1/10 的濃度,其結果具有良好的再現性及穩定性,線性迴歸係數大多大於 0.99。奈米銀具有奈米金屬增強螢光之特性,因此在本研究中還觀察 CdSe/ZnS 量子點混合奈米銀 Ag@C16 之螢光強度變化,結果為混合 Ag@C16 的量子點對有機氣體的選擇性及螢光強度的增強無太大的幫助,其可能原因為量子點溶液被稀釋或量子點與奈米銀的距離不適當所導致的。而此感測器對於水也有良好的反應及再現性,使其亦有潛力成為濕度感測器。最後,在本研究中,通過氣體吸附與表面反應、電荷轉移機制等方式,去探討量子點接觸氣體後螢光上升的可能機制。
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    稀土鐵石榴石與鈣鈦礦奈米材料之結構、磁性和應用
    (2023) 劉仕渝; Liu, Shi-Yu
    鈣鈦礦和稀土石榴(REIG)薄膜具有優異的光學和磁光特性。因此,將這兩種材料結合在一起可以創造出具有可調控光學和磁性性能的異質結構,並應用於光學通信、光學記憶和磁光元件等領域。在本研究中,我們將深入探討鈣鈦礦和REIG薄膜各自的潛在價值。近年來,一些研究表明使用稀土元素(RE)元素代替釔(Y)來調節石榴石薄膜的應變誘導磁異向性。REIG薄膜(~100 nm)藉由脈衝雷射沉積法製備於(111)取向的釔鋁石榴石(YAG)基板上。釤、钬和釔鐵石榴石(SmIG, HoIG, and YIG)具有垂直於膜面的壓縮應變,而鉺和铥鐵石榴石(ErIG and TmIG)具有弱的拉伸應變。由於負磁致伸縮常數,因此SmIG和HoIG薄膜表現出相對強的垂直磁異向性(PMA)。隨著技術的發展,對高存儲容量和快訪問速度的需求不斷增加。因此我們選擇對擁有相對強PMA的SmIG薄膜進一步研究。藉由降低SmIG薄膜厚度,可使其具有更強的壓縮應變,進而獲得更強的PMA。相比之下,YIG在30-120奈米區間仍展現水平磁異向性(IMA)。這一發現表明磁性能受Y:Sm比的顯著影響。隨後,我們製備了一系列不同厚度、Sm摻雜濃度的SmYIG薄膜。振動樣品磁力計揭露隨著厚度的遞減和Sm摻雜濃度的增加,可使SmYIG薄膜具有較強的PMA。此外,我們展示了在不同Sm摻雜濃度下,SmYIG薄膜的臨界厚度。為基於REIG薄膜的高密度磁信息存儲鋪平道路。YIG與反鐵磁材料的結合因其在自旋泵等應用中的潛力而備受關注。因此,我們於YIG薄膜上沉積氧化鈷(CoOx)薄膜以研究介面效應。由於CoOx薄膜於高溫缺氧環境下製備,所以其表面區域由純CoO組成,界面區域則為CoO和Co的混合物。CoOx/YIG薄膜不僅表現出低溫下由CoO提供的磁耦合,還表現出由鐵磁Co提供室溫負交換偏置(RT-NEB)。與CoOx/YIG薄膜相比,我們於YIG薄膜上製造了進一步氧化的CoO薄膜,並觀察到室溫正交換偏置(RT-PEB)。RT-PEB隨著外加磁化場增加而增加,並在外加磁化場為500 Oe時飽和。隨著溫度降低,PEB 逐漸轉變為 NEB。這些結果清楚地表明 CoO/YIG 雙層系統中PEB和NEB共存,而PEB歸因於CoO界面自旋的反平行耦合,而NEB歸因於AFM-FM耦合。有機-無機鈣鈦礦(MAPbBr3)/鐵磁異質結構在光控自旋電子元件中已被廣泛探討。然而使用金屬鐵磁層作為底部電極仍然是一個挑戰。因此,我們提出插入氧化鋁(AlOx)或石墨烯(Gr)層的超薄異質界面來改善均勻性。通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡,我們觀察到MAPbBr3層成功地形成了緻密的連續薄膜。此外,AlO¬x或Gr層的存在可以有效地防止鈣鈦礦和鐵磁金屬薄膜之間的氧化和界面擴散。然而,MAPbBr3層在環境下很容易受溫度、濕度、氧氣濃度影響而分解。因此,我們製備了全無機銫鉛溴化物鈣鈦礦量子點(CsPbBr3 QDs)來替代鐵磁層上方的 MAPbBr3,並研究了藍光雷射對磁性的影響。隨著雷射照射時間的增加,CsPbBr3 QDs的表面形貌和特徵尺寸發生了顯著變化並逐漸演變,引發了一系列氧化還原和界面擴散過程,特別是在 CsPbBr3 QDs/Co異質結構的界面處。這些結果開啟了鈣鈦礦/鐵磁異質結構在自旋電子學應用研究。
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    低維度掌性鈣鈦礦量子點之光學特性
    (2022) 花翊脩; Hua, Yi-Hsiu
    本篇論文討論在鈣鈦礦量子點中引入掌性分子,使其鈣鈦礦量子點變為Ruddlesden-Poppe鈣鈦礦結構。文中利用配體輔助再沉澱技術引入掌性陽離子長鏈,可以使三維鈣鈦礦結構逐漸轉變為準二維鈣鈦礦結構。同時掌性分子會使鈣鈦礦量子點在磁場下有塞曼分裂。導致鈣鈦礦量子點對於左圓偏振光與右圓偏振光的吸收產生差異,以及鈣鈦礦量子點的光致發光會具有圓偏振性。透過X射線繞射分析儀觀察掌性分子的引入對於材料的改變。並量測其光激發螢光以及量子效率。其量子效率從40.8%提升到42.9%以及45. 2%,以及X射線繞射分析儀從原本立方晶相改變為準二維的晶相。
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    量子點和鈣鈦礦二維材料之特性與應用
    (2021) 陳庭慶; Chen, Ting-Qing
    本論文共分三個部分:1.鈣鈦礦量子點-PCL(polycaprolactone)複合材料;2.CdSe量子點發光二極體的電洞注入層及電洞傳輸層之參雜;3.PbBr2及醋酸鉛二維晶體之研究。第一部分,我們合成CsPbBr3鈣鈦礦量子點,因為量子點具有量子侷限效應,所以我們藉由調控量子點粒徑大小得到460nm,到515nm光波長的CsPbBr3鈣鈦量子點。由於鈣鈦礦量子點在大氣下不易儲存,因此將量子點與高分子材料PCL混合,做出複合材料,研究結果顯示,由於我們用高分子材料包覆量子點,讓鈣鈦礦量子點在大氣環境下,能夠保存更久的時間。第二部分,我們使用全溶液製程製作CdSe的量子點發光二極體。在電洞注入層poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)參雜不同比例的P105分散劑,找到PEDOT:PSS參雜的最佳條件後,接著電洞傳輸層poly(9-vinylcarbazole)(PVK)參雜1,1-Bis[(di-4-tolylamino)phenyl]cyclohexane (TAPC)接著加上Bis[3,5-di(9H-carbazol-9-yl)phenyl]diphenylsilane (SimCP2),依序對這一系列參雜不同比例,觀察對發光二極體元件的影響。電洞注入層最佳參雜比例使表面粗糙度從3.1853nm下降到2.0144nm,而元件的量子效率也從2.23%達到3.33%,結果表明適當得參雜可以有效的改善元件載子的注入能力。最後,我將PbBr2及醋酸鉛在二氧化矽的基板上生長二維材料晶體,並改善製程,使得我可以得到較大或較薄的晶體,其中,醋酸鉛晶體可以長到約6um的六角形晶體,我使用AFM觀察其厚度,最薄到達20nm。接著,我使用其他材料(MABr、MAI)個別與兩種晶體反應,使我最後能得到鈣鈦礦的薄片晶體。
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    複合半導體量子點的光學性質
    (2005) 李佳任; Jia-Ren Lee
    本論文主要利用光激螢光與光調制實驗並搭配相關理論模型計算,對三組不同生長變因的複合半導體量子點系統做光學性質與成長特性上的分析與探討。 第一部份討論InAs/GaAs 量子點之載子分布與光學特性。螢光譜圖主要是由InAs量子點內四組能階躍遷所貢獻,且這些能階都幾乎擁有約70 meV的相同能量間距,當溫度增加時,量子點內基態與激發態所對應譜線的能量位置、半高寬及螢光強度表現出不同的變溫效應,在溫度超過150 K時,半高寬有明顯窄化的情況,此現象不同於一般在量子井或塊材中所觀察到的溫度展寬持續增加,本文以載子重新分布的機制搭配能階間譜線相對強度及能量位置額外紅移等的比較,對此現象提出解釋。在光調制譜圖方面,主要是來自於InAs濕層(wetting layer)及GaAs的貢獻,由此兩組光譜訊號在各溫度下的相對強度變化可以推論出其源自於兩種不同的光調制機制。經由光激螢光及光調制譜圖的互相驗證分析下,顯示在此量子點系統中,量子點內有四個能級是處於載子佔據的狀態,而較高能量的濕層基態是處於空能階的情況,以致於兩者所對應的譜線在兩種不同原理機制的光譜方法中分別出現。 第二部份探討基板傾斜對InAs/GaAs 量子點光性與成長特性之影響。藉由變功率螢光光譜的確認,樣品的螢光譜線分別源自於量子點中的基態與激發態之能階躍遷。無論是從螢光光譜的分析或原子力顯微鏡的觀測,都指向一個共同的結論,即在相同的磊晶厚度下,量子點的尺寸會隨著基板傾斜角度的增加而變小,且其密度也會隨之變化。這些現象主要是因為應力條件的改變,使得量子點成長所需要的臨界厚度會隨著基板傾斜角度增加而變厚。載子在大小與密度不同的量子點群環境中表現出相異的溫度效應可經由變溫螢光光譜加以分析。 第三部份討論兩種相異且共存之ZnCdSe/ZnSe量子點及其光學性質。未達臨界厚度的樣品譜圖是由兩條不同螢光強度、能量的譜線所組成,而超過臨界厚度的樣品則只有一條對稱的譜線,這三條譜線的譜峰能量及半高寬隨溫度有相似的變化,由其變溫效應可推論出這些譜線都源自於三維侷限的量子點能階躍遷,與一般量子井的行為有所不同。另外,當激發功率密度降低達80倍時,接近臨界厚度樣品的兩條譜線之強度比幾乎不隨之改變,顯示兩條譜線源自兩類不同大小與密度的量子點群,量子點的密度比對應於譜線的強度比。這兩種量子點的成長模式有所不同。當磊晶遠超過臨界厚度時,僅存的一條對稱譜線顯示出當磊晶厚度由接近到超過臨界厚度的過程中,兩類量子點的相對數量產生了變化,顯示磊晶厚度的多寡對這兩種量子點成長模式的影響程度有明顯不同。載子在這兩類量子點中的熱活化側向轉移過程可藉由這些譜線強度的變溫效應加以分析與探討。
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    開發奈米材料-生物分子複合體及其在生物系統的應用
    (2011) 劉怡欣; Yi-Hsin Liu
    近年來,奈米材料-生物分子的複合體應用在DNA偵測和RNA干擾是持續被發展的課題。在本研究中,我們發展了新的技術---利用二氧化矽螢光奈米管簡單並靈敏地偵測DNA。嵌進量子點的二氧化矽奈米管是以陽極氧化鋁為模板,藉著溶膠-凝膠法來製造。接著,將不同顏色的二氧化矽螢光奈米管固定上單股的DNA,把它當成奈米探針,在溶液中偵測具有螢光標示的目標DNA。我們利用光激螢光光譜,共軛焦顯微鏡和穿透式電子顯微鏡來檢驗二氧化矽螢光奈米探針的光學和結構特性。在普通顯微鏡下,經由肉眼可以很明顯地觀察到二氧化矽螢光奈米探針在成功偵測到目標DNA後的顏色改變。定量分析顯示,單根二氧化矽螢光奈米探針內只要有100 attomole (10-18摩爾) 的目標DNA,就可以產生可辨視,可觀察到的顏色變化。這些偵測的結果也證明我們的偵測試驗展現了高特異性,高選擇性和非常低的非特定吸附。我們以二氧化矽螢光奈米探針設計出的DNA偵測試驗被預期在快速的DNA掃描和偵測方面的應用是相當有用的。 更進一步地,我們藉著金奈米材料-短片段核糖核酸複合體的調控,來研究以短片段核糖核酸所造成的基因沉默現象的動力學。和動力學相關的因子---複合體的濃度,複合體的服藥次數和細胞繁殖雙倍的時間---分別被研究。這三個因子造成增強綠色螢光蛋白沉默50 %或更少百分比的持續時間也被研究。我們發現沉默持續時間和複合體的濃度呈現自然對數的關係。但是對於其他兩個因子---複合體的服藥次數和細胞繁殖雙倍的時間---則和沉默持續時間呈現線性的關係。根據這些關係,經由短片段核糖核酸調控的,預期的基因表現程度可以被設計出來。對於研究和治療的需求來說,延長的沉默持續時間可以透過改變複合體的濃度和(或)服藥次數來達成。除此之外,選擇模式細胞 (和細胞繁殖雙倍的時間有關)對於延長沉默持續時間是有幫助的。最重要的是,在核糖核酸干擾的應用方面,這些關係式可以大大地減少反覆嘗試錯誤的機會。我們的研究在核糖核酸干擾的治療應用方面具備很高的潛力。
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    以溶液法組裝量子點發光二極體並以石墨烯氧化物作為電洞傳輸層之研究
    (2011) 王奕盛; I-Sheng Wang
    以溶液法組裝螢光量子點發光二極體光電元件有許多獨特的地方,例如元件有窄的放光帶寬,在一定的頻率範圍內能夠有多種放射光,以及降低合成成本。近年來,量子點發光二極體的研發重點在於尋找適當的電洞傳輸層來增加放光的效率並使得元件較為穩定。 在元件組裝方面,我們將石墨烯氧化物以旋轉塗佈的方式,使其在氧化銦錫基板上成膜,並且使用原子力顯微鏡對膜的形態進行研究。由於氧化銦錫陽極原始的表面起伏落差約3nm,而石墨烯氧化物在基板上所形成的膜,其表面的高低起伏約1nm,對於陽極亦起修飾的作用。另外為了組裝出均勻、一致性高的量子點薄膜,我們將量子點粒子的表面修飾上帶電的官能基,使其在組裝元件塗佈成膜的過程中,讓量子點和石墨烯氧化物之間或是量子點和量子點之間以庫倫靜電力做為結合的力量。 元件整體的結構為ITO/GO/QDs/TPBi/LiF/Al,元件展現的出最佳效能為亮度每平方公尺160燭光,在此發光強度下,其外部量子效率為0.08%。
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    藉由調控奈米結晶的尺寸與界面以優化硫化鉛-蕭特基太陽能電池之轉換效率
    (2013) 張倍綺; Bei-Chi Chang
    本論文研究分為兩大部份分別是利用溶液法合成改善Ⅳ-Ⅵ族硫化鉛(PbS)半導體量子點材料,以及PbS量子點薄膜蕭特基太陽能電池之元件製程之優化,以提升元件整體之光電轉換效率。 第一部分量子點材料之改善,首先以不同OA-PbO比例合成不同尺寸的PbS量子點(直徑3, 3.5, 4.1, 5.6 nm),並且利用溫度調控製備最優化之PbS量子點材料,最後利用混和溶劑以及高速離心的方式,合成具有高產率之小尺寸奈米粒子(~ 3.5 nm PbS)。此優化的PbS量子點材料,因量子侷限效應的影響之下,具有第一激子能量(~ 1.44 eV),應用於ITO / PEDOT: PSS / PbS / Al 結構之蕭特基太陽能光伏元件上,可以同時擁有較高的開路電壓(~ 0.43 eV)以及短路電流密度(~ 12.5 mA/cm2),因而能提高整體光電轉換效率達2.02 %。 此外透過AFM以及SEM分析發現結合PEDOT: PSS電洞傳輸層於元件中,具有降低基板的粗糙度以及提升元件界面之接合,因此提升元件製程良率。其次,透過調控到最適當的薄膜厚度,使元件展現最佳短路電流密度,同時具有較高的吸光能力以及降低電子電洞對的再復合。接者,我們利用FTIR、SEM、TEM分析,發現藉由1, 2-乙二硫醇(EDT)處理之PbS量子點薄膜,其表面的油酸(OA)長碳鏈官能基有效被取代成短碳鏈,使得量子點之間的距離能有效縮短,進而改善光伏元件之載子傳輸能力以及提高光電元件之轉換效率。最後,我們透過導電度、XPS分析探討熱退火對於量子點薄膜元件電性上的影響。我們發現最佳熱退火條件能使PbS量子點表面長碳鏈官能基脫附,造成量子點之間的距離下降以增加薄膜的導電度,且具有較少的缺陷(PbSO4)能降低電子電洞對再復合。透過一系列材料本質以及元件結構的改善能具有最佳的光電轉化效率高達2.52%。