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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    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。
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    量產型石墨烯作為紫外光發光二極體透明電流擴散層
    (2022) 陳又綺; Chen, You-Ci
    本研究以鎳金屬為催化劑,以電漿輔助式化學氣相沉積(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition;PECVD)於基板上生長石墨烯薄膜作為透明電流擴散層。為於目標基板與石墨烯透明電流擴散層之間形成類歐姆接觸,本研究使用原子層化學氣相沉積(ALCVD)於目標氮化鎵基板表面沉積氧化鎳薄膜作為緩衝層,並對兩者進行熱退火合金化,以降低功函數差異造成之能障,藉優化參數實現低接觸電阻、高 UV 穿透之透明電流擴散層。以圓形傳輸線量測(CTLM),檢視各製程參數對石墨烯透明電流擴散層與紫外光發光二極體表層之 p 型氮化鎵介面特性之影響。最終藉加入氧化鎳緩衝層,使介面間自蕭特基接觸轉為類歐姆接觸。達成具低特徵接觸電阻與類歐姆接觸之介面特性之大面積高品質石墨烯作為紫外光發光二極體透明電流擴散層之應用。
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    石墨烯作為深紫外發光二極體透明電流擴散層之應用—石墨烯/氧化鎳/氮化鎵磊晶介面研究
    (2022) 王晏承; Wang, Yan-Cheng
    石墨烯(Graphene)為一種全為碳原子所組成之層狀結構體,並且每一個碳原子皆為sp2混成(sp2 Hybridization),最終形成六角形蜂巢狀晶格結構。其諸多特性皆使學界與業界引起了極大興趣,如單原子層之厚度、零能隙、高熱力穩定性、高機械性能、極高之載子遷移率,以及於各光波長下皆有高穿透度,使得其做為深紫外光(UVC)發光二極體之透明電流擴散層(Transparent Conductive Film)眾多材料中之佼佼者。然而,石墨烯作為透明電流擴散層仍有幾項缺陷尚須克服,首先其功函數值遠小於p摻雜之氮化鎵(p-GaN),使得兩材料無法僅靠熱退火擴散製程消除電洞傳輸時之能障。再者,較難以大面積直接生長石墨烯,過去常以轉印之方式製備,但此方法除無法量產外,轉印期間也容易使石墨烯產生污染與皺摺。為解決上述問題,本研究使用原子層氣相沉積法(Atomic Layer Deposition ; ALD),於石墨烯與p摻雜氮化鎵層之間,生長功函數介於兩材料之間之氧化鎳作為緩衝層,以改善內建電位(Vbi)之大小,進而使得蕭特基能障(Schottky Barrier)降低,使元件特性由整流特徵轉變為電阻特徵。此外,本實驗使用鎳金屬作為催化劑,並藉由電漿輔助式化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ; PECVD)直接於深紫外光磊晶基板上生長大面積石墨烯薄膜,該工藝可有效降低製程溫度,亦將轉印之製程消除,使量產目標之可能性增加。透過紫外光電子能譜(UPS)確認功函數之改善。並使用穿透式電子顯微鏡進行選區電子衍射(Selected Area Electron Diffraction ; SAED)測得石墨烯之層距為0.334 nm,其數值與理論值相符。經NiO緩衝層參數改善後介面電性由蕭特基接觸轉變為歐姆接觸,且其特徵接觸電阻ρ_c亦降低至2.6×10^(-5) (Ω-cm2),因此將石墨烯及緩衝層作為深紫外光發光二極體之透明電流層具相當潛力。
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    鐵鈀合金在石墨烯上的表面形貌與磁性
    (2022) 尹浚翰; Yin, Chun-Han
    近年來石墨烯由於其較長的自旋散射距離,成為自旋電子學中備受關注的二維材料之一,為了解決CVD製成的大範圍單層石墨烯,因電極與石墨烯間的接觸電阻,使得其傳輸自旋電子流的效果不佳,因此如何提高自旋電子注入效率成為主要研究目標。較佳的做法為使用磁性材料當作電極,磁化後並注入電流以提高自旋電子注入效率。本研究著重於了解鐵鈀合金在石墨烯上的磁性表現與表面形貌,作為往後工業應用上的基礎。本研究使用原子力顯微鏡的接觸模式,清理轉印過後石墨烯上的殘留顆粒,發現鐵鈀合金在清理過後的石墨烯上表面粗糙度僅有些微下降,而矯頑場上升約5 Oe。此外在分析不同厚度的鐵鈀合金在石墨烯上的表面形貌及磁性表現後,發現在厚度較低時鐵鈀合金的成長模式對於基板材料相當敏感,而當鐵鈀合金厚度為8 nm時表現趨於穩定。根據以上結果進一步製作元件以量測其磁阻,發現石墨烯對於鐵鈀合金的磁阻表現也有相當程度的影響,其磁阻變化率下降10倍。這些結果將有助於未來對於石墨烯和磁性材料異質結構的研究發展。
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    超薄二維碲化亞銅/石墨烯之生長與其自發電應力感測之應用
    (2022) 姚松甫; Yao, Song-Fu
    人類科技日新月異,卻也加劇了對石化燃料的依賴,發展出環境友善的綠色能源勢在必行。碲化亞銅是一種極具展望的熱電材料,但是關於二維碲化亞銅的文獻仍為數不多。在此,我們利用固態化學反應生長碲化亞銅薄膜於石墨烯上,石墨烯作為凡得瓦外延生長的模板以及擴散阻擋層,最終展現出優異的熱電與機電性能。上述材料特性可以達成自發電應力感測器,藉由橫向的溫度差異產生電能,提供快速且耐用的應力感測,有希望成為攜帶式的自主健康檢測器,為生活帶來諸多便利性,展現了二維碲化亞銅與石墨烯異質結構的潛力。
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    石墨烯在不同基板上的偏振解析拉曼光譜
    (2021) 張瑀真; Chang, Yu-Chen
    石墨烯為一種單層碳原子構成蜂巢狀二維平面的特殊材料,自2004年開始,單層的石墨烯成功地被塊狀的石墨剝離後,近幾年大家開始探索且研發其他更多不同導電特性的二維材料。石墨烯具有獨特的高導電、高導熱以及對光的高敏感性而備受重視。本研究利用化學溶劑濕式蝕刻法以及氣泡轉移法,以在不影響石墨烯品質的情況下轉移到矽基板,測量石墨烯二維材料的原子振動反應並探討與其基板的交互作用情形,利用偏振拉曼光譜儀系統量測原子振動的偏振狀態。本研究使用不同偏振態的入射光 (圓偏振光、線性偏振光)照射石墨烯樣品,讓石墨烯因在不同基板上的耦合效應不同而破壞了簡併振動帶,因而使得簡併聲子振動比例有所不同,也導致偏振拉曼振動狀態和振動強度的改變。我們更進一步利用石墨烯中簡併聲子振動帶的特性量測到二維材料具有旋光轉換的效應。本研究也將會介紹如何使用偏振程度(Degree of polarization)的算式結合拉曼光譜來了解不同基板上石墨烯原子振動狀態的偏振特性並能夠藉由數值模擬來驗證實驗結果。這些成果及實驗方法將有助於深入研究光與二維材料與基板交互作用,探討更多基本的材料物理特性及未來可能的應用。
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    還原氧化石墨烯奈米複合材料之製備與化學偵測
    (2021) 蔡孟憲; Tsai, Meng-Shian
    為因應目前感測器低成本、微小化、便於攜帶、穿戴式以及可即時監控的發展趨勢,本研究開發一系列簡易且低成本之方式合成還原氧化石墨烯 (reduced graphene oxide, RGO) 為主體的奈米複合材料,在氧化石墨烯結合有機或無機材料並與觸媒奈米粒子綴合的反應過程中,同時將其進行還原,以一步化合成多元還原氧化石墨烯奈米複合材料,並探討這些複合材料於感測方面之相關應用。 依所合成之石墨烯複合材料以及分析物的不同,研究之內容可分為三大部份,第一為應用石墨烯所具有的電催化特性以及表面高活性位點,製備為可同時檢測苯二酚同分異構物之電化學感測器,第二及第三部分則是透過石墨烯本身的高機械強度以及高導電性,發展為可撓性濕度感測元件以及高靈敏性的NH3感測元件。 第一部分的實驗設計是利用多元醇法 (polyol synthesis) 結合有機金屬裂解法 (Metal Organic Decomposition, MOD),以簡易且低成本的方式一步化合成金奈米粒子/還原型氧化石墨烯/三氧化鎢 (AuNPs/RGO/WO3) 三元奈米複合材料,並將此材料製備為AuNPs/RGO/WO/GCE電化學感測元件,提供了能有效區別並快速檢測hydroquinone (HQ) 以及catechol (CC) 混合樣品之感測平台。材料中RGO與AuNPs的高導電性與電催化活性,能顯著提升以Cyclic Voltammetry (CV)和Differential Pulse Voltammetry (DPV) 檢測HQ以及CC之靈敏度與選擇性,且提供新的電子傳導途徑,有效地改變材料中電子之傳遞能力,進一步增進元件的感測特性,而在真實環境下檢測HQ和CC,此元件依然具備良好的定性與定量之能力,其RSD分別為85%~111%和89%~119%,證實開發此感測材料對於HQ以及CC之實際檢測具有一定的應用價值。 而實驗第二部分為利用高分子單體化學氧化聚合為導電高分子而同時進行還原作用的方式,設計出Pt/polythiophene/RGO阻抗式濕度感測元件,此感測元件以RGO和polythiophene所具有高比表面積、高導電性以及Pt粒子所提供的電子傳導路徑等性質,將有效提高對於濕度之感測特性,此外藉由RGO具有高機械強度以及高可撓之特性,所製備之感測元件可撓性極佳,對於發展為穿戴式感測材料有極大之潛力。 第三部分為以簡易且一步化之方式合成Au/polythiophene/RGO、Ag/polythiophene/RGO、Pd/polythiophene/RGO以及Pt/polythiophene/RGO奈米複合材料並應用於NH3氣體之檢測,探討不同金屬觸媒前驅物對於材料整體合成之影響,並分析這些奈米複合材料對NH3感測之差異性,由特性分析結果可知, Au/polythiophene/RGO及Ag/polythiophene/RGO奈米複合材料,觸媒還原比率以及polythiophene聚合程度皆較高,因此具有較低的電阻值,而因觸媒的催化能力以及π-πstacking電荷載子快速傳遞的效應,Au/polythiophene/RGO以及Ag/polythiophene/RGO感測元件對NH3氣體也具有較為優異的感測特性,對NH3氣體有極快的反應速度並可適用低濃度 (200 ppb) 之檢測,如若有類似第二部分元件之可撓性,於氣體之檢測應用上便具有極大的發展潛力。
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    二維材料石墨烯與過渡金屬雙硫屬化合物之光譜性質研究
    (2014) 沈稚強; Chih-Chiang Shen
    我們量測摻雜三聚氰胺分子的石墨烯薄膜及單層過渡金屬硫屬化合物(MoS2,MoSxSey)薄膜樣品的兆赫波吸收能譜與橢圓偏光光譜,探究這些樣品的電荷傳輸行為與電子結構。我們使用化學氣相沉積法(CVD)與電化學剝離法(ECE)製作摻雜三聚氰胺分子的石墨烯薄膜樣品,並以化學氣相沉積法製作單層過渡金屬硫屬化合物薄膜樣品。   我們發現摻雜後的石墨烯薄膜樣品,在頻率位置155 cm-1有一個吸收峰,此應與摻雜了三聚氰胺分子後所造成的晶格結構無序性有關。此外,居德電漿頻率(摻雜後的石墨烯薄膜與單層二硫化鉬薄膜分別為21和7 THz) 隨著溫度降低而下降,載子的鬆弛時間(13和26 fs)並不隨著溫度改變有顯著的變化。這些結果顯示摻雜後的石墨烯薄膜與單層二硫化鉬薄膜樣品具有半導體的特性。   此外,以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品,其居德電漿頻率大於使用化學氣相沉積法製作的樣品。相反的,以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品,其載子的鬆弛時間(10 fs)短於使用化學氣相沉積法製作的樣品(84 fs)。有趣的是,單層MoSxSey薄膜樣品的居德頻率由6.5到8 THz,載子鬆弛時間從19到26 fs。   我們發現以化學氣相沉積法製作的石墨烯薄膜樣品,其吸收能譜在紫外光頻率波段具有一個不對稱的Fano共振吸收。這個吸收峰主要是激子在能帶間的躍遷。相較於未摻雜的樣品,摻雜後的石墨烯薄膜樣品,吸收峰的頻率位置呈現藍移的現象。以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品,其吸收能譜的波形較為對稱。我們推測此與使用不同的成長方式,改變了石墨烯薄膜樣品的電荷分佈有關。此外,單層MoSxSey薄膜樣品具有直接能隙(二硫化鉬和二硒化鉬分別為1.95 和 1.62 eV)。二硫化鉬和二硒化鉬的激子束縛能分別為0.28和0.24 eV。
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    石墨烯中電子電子交互作用之研究
    (2014) 吳治緯
    在本文中,我們利用量子場論計算了Graphene電子間交互作用對current-current correlator造成的一階修正。這個結果可以用來計算Graphene的conductivity 。
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    化學氣相沉積法合成石墨烯
    (2012) 曾咨耀; Tzu-Yao Tseng
    近年來隨著科技不斷進步,人類生活與科技更是密不可分,半導體與電子元件更是蓬勃發展。於半導體與電子元件逐漸縮小化之製程條件要求下,以往元件縮小技術面臨重大挑戰,此時直接製程微小奈米結構成為另一種趨勢。包括奈米碳管、奈米線與近年熱門新興材料石墨烯。其特有準二維結構與快速電子飄移率更是備受大家矚目。 有別於2010年諾貝爾獎得主在2004年所發表機械撥離法,也就是於高定向熱解離石墨(HOPG)中,運用膠帶反覆黏貼,機率性取出單層石墨烯。然而因取之不易,故無法針對工業上之應用進行量產。故本實驗採用化學氣相沉積法(CVD),利用過渡金屬銅箔當作催化金屬,於銅箔表面沉積石墨烯,並轉移至所需基板上。 根據2009年由美國德州大學R. S. Ruoff所率領之研究團隊在Science期刊發表,利用化學氣相沉積法於過渡金屬「銅」上合成95%以上單層石墨烯,因銅之自我限制機制,故當石墨烯完全覆蓋表面後將不再繼續沉積雙層甚至多層石墨烯。 相較於單層石墨烯快速之電子飄移率,雙層至十幾層有更多於單層石墨烯之自由電子數,更有利於較高導電效率之應用發展。因此我們研究溫度、壓力與氣體流量比例對石墨烯樣品結構與層數改變之影響。利用拉曼光譜分析儀分析品質與結構缺陷。 轉印製程中,我們利用PDMS支撐石墨烯並蝕刻銅箔,轉移至載玻片上。利用原子力顯微鏡與四點探針觀察厚度與其片電阻。