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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    鎂-鈣鋁榴石的高壓拉曼光譜與熱傳導性質研究
    (2022) 陳函郁; Chen, Han-Yu
    石榴子石(Garnet)是地球地殼、地函和隱沒板塊中可發現的重要礦物,其晶體結構可以容納多種化學元素,如鎂、鈣與鐵(Mg/Ca/Fe)。以輝橄岩(Pyrolite)地函模型為例,其石榴子石內的鎂鋁榴石(Pyrope, 簡稱Py)占比約75%、鈣鋁榴石(Grossular, 簡稱Gr)約為10%以及鐵鋁榴石(Almandine, 簡稱Alm)約15%;相較而言,隱沒板塊中所發現的石榴子石的Gr的佔比則更高。因此,本研究利用鑽石高壓對頂砧模擬地球內部壓力環境,並使用合成單晶Py40Gr60和Gr樣品進行本次實驗。拉曼光譜是用於鑑定礦物內化學鍵與研究其振動模式。先前的研究指出,在室溫室壓環境條件下,石榴子石內化學成分對其中Si-O鍵結與拉曼振動模式存在著密切相關性但對高壓下對其Si-O鍵結與拉曼光譜振動模式的影響仍不清楚。故本研究的主要目的是藉由樣品中的Mg/Ca含量,進而比對高壓下Py-Gr固溶體之拉曼光譜的影響,並從高壓拉曼光譜探索它們在高壓下可能的穩定區間。結果隨著壓力的增加,發現特徵峰在特定壓力下拉曼位移有多個不連續區間,其發生在~6、~9、~17和~35 GPa,此觀察是前人沒有觀測到的。本研究還結合時間域熱反射技術,探討Gr以及中間相成分Py40Gr60樣品在受壓過程中熱傳導率隨壓力的變化,以了解石榴子石中的Mg/Ca含量比在地球深部熱傳導率的影響。實驗結果發現,室溫室壓下Gr的熱傳導率在(110)與(100)兩個晶面方向上出現差異,在Gr (100)上測得的熱導率比在Gr (110)上測得的高約1.3倍,而在Py40Gr60樣品上則無觀測到此現象。實驗測得Gr在(110)與(100)兩個晶面的熱傳導率隨壓力上升異向性增加,Py40Gr60的熱傳導率則介於Gr兩個晶面的熱傳導率之間,並且沒有出現異向性。結合本研究實驗結果、地函與隱沒板塊礦物學模型,我們計算了地函與隱沒板塊的整體熱傳導率,計算結果指出在模擬地球熱傳導率上可將不同Mg/Ca含量成分的石榴子石視為相同礦物。
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    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。
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    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。
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    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。
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    線上濃縮技術在非水相毛細管電泳與毛細管電泳/表面增強拉曼法上的應用
    (2007) 蔡志鑫; Chih-Hsin Tsai
    本研究成功的發展了三種新的毛細管電泳分析技術。首先是成功的開拓了LED (發光二極體)在毛細管電泳分析領域的適用性。這是以市售紫光LED (405 nm) 為螢光激發光源,對血壓平(reserpine)及衍生物進行螢光偵測。使用CZE-stacking濃縮技術偵測極限可達1.6 × 10-8 M。若使用sweeping-MEKC (微胞掃集法)及CSEI-sweep-MEKC (陽離子選擇完全注射掃集MEKC法)濃縮技術時,其偵測極限分別可以達到2.1 × 10-9 M及2.1 × 10-10 M。另外藉由NDA (naphthalene-2,3-dicarboxaldehyde)做為螢光標識試劑,與多巴胺進行衍生反應以後,以螢光偵測結合MEKC及sweeping-MEKC濃縮技術進行測量,其偵測極限可達6.3 × 10-6 M及3.0 × 10-8 M。 其次,本研究首先發展以低溫-非水相毛細管電泳的新方法。對其光學異構物±3,4-methylenedioxymethamphetamine (±3,4-MDMA)可以獲得良好的分離效果。本文詳細探討各種最佳的電泳條件,包括使用各種不同的低溫槽及毛細管內最佳化的高導電度的緩衝溶液。在CZE模式下偵測極限可以達到4.7 × 10-6 M,再結合低溫/非水相堆積線上濃縮技術(LTB/NACZE-stacking),偵測極限更可以達到5.0 × 10-9 M。此外為了增加樣品進樣量以及能夠有更窄的樣品區帶,在樣品區帶和電泳背景溶液之間加入一段高導區帶,造成溶液之間有不同的導電梯度,使得樣品進樣量相對增加。利用這些技術,亦成功的應用在真實樣品3,4-MDMA的分析上。 最後,本研究對於非螢光性物質的偵測,亦成功的發展出新的方法。傳統上毛細管電泳法對非螢光性物質的偵測方法不外乎使用間接法,或是將非螢光性物質加以螢光衍生劑衍生後加以偵測。本研究選用非螢光性物質孔雀石綠為測試樣品,並以波長532 nm 雷射(Nd:YAG的第二倍頻波)為拉曼激發光源。在孔雀石綠定量分析上,以單光器(有效寬度0.4 nm)以及拉曼波數1616 cm-1作為收光範圍。 在毛細電泳/共振拉曼的模式下,孔雀石綠在CZE和MEKC模式下的偵測極限為1.6 × 10-5 M 和 1.1 × 10-5 M。當結合線上濃縮技術stacking及sweeping時,偵測極限可以達到3.4 × 10-7 M和5.3 × 10-9 M。而在毛細電泳/表面增強拉曼模式下,再結合線上濃縮技術stacking及sweeping,偵測極限甚至可以分別高達到4.4 × 10-8 M和1.1 × 10-9 M。本方法亦有效的應用在真實樣品的偵測上。
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    以化學氣相沉積法合成新穎二維材料二硫化錫奈米薄片以及可撓式壓電元件的應用
    (2018) 黃俊偉; Huang, Jun-Wei
    近年來,二維層狀半導體材料,被許多科學家及實驗室研究團隊積極開發,像是石墨烯(graphene)及層狀金屬硫族化物(layer metal dichalcogenides)。石墨烯隨著奈米碳材熱門研究與發展下,由於其取得容易、市價便宜,且表現出十分優異的物理特性,包括高導電、高導熱性質。但在半導體特性上,缺乏明顯的能隙,導致石墨烯在電子及光電元件上限制了其應用端的表現。因此,我們將研究著重在有能隙的層狀金屬硫族化物半導體材料-二硫化錫(SnS2)。二硫化錫為n-型半導體,具有2-2.6電子伏特之薄膜厚度相關的間接能隙、開關電流比102及載子移動率可高達0.1~1 cm2/Vs,使得應用在場效電晶體、光電感測器、可撓式元件、太陽能電池應用上,受到了高度關注跟重視。 以機械剝離法將三維塊材製備成層狀二硫化錫薄膜,即可簡易又快速得到高品質單晶材料,但此法難以控制材料大小及薄膜層數是難以改善的缺點。而利用化學氣相沉積合成法,可製備大面積兼具高品質二硫化錫奈米薄膜。本研究中,使用草酸錫(SnC2O4)及硫粉(S)作為實驗前驅物,通入氬氣(Ar)於石英管中反應,在高溫爐中成功以化學氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD),利用由下往上(bottom-up)的沉積方式,將二硫化錫奈米薄膜成長於p-型矽基板上,為了擴大面積,減少成核密度(nucleation density),我們嘗試了各種方法,包含增加腔體內部氣體流速的調整和減少前驅物的使用量。並藉由光學顯微鏡、拉曼光譜儀、原子力顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、高解析穿透式電子顯微鏡、X-光晶格繞射、來進一步鑑定我們合成的二硫化錫奈米薄膜。 我們隨著科技進步,人們對於高性能之電子產品,需求日益增高。如可撓式、輕薄式之電子基板等,也因此具有壓電壓阻高機械強度的二維半導體材料成了熱門研究主題。本研究以機械剝離法將二硫化錫轉置在聚對苯二甲酸(polyethylene terephthalate, PET)薄膜上,製成可撓式電子元件,並架設一個壓電感測平台,以量測二硫化錫電晶體在上下彎折時,拉伸與擠壓應力產生的電流起伏變化。未來,可進一步應用在可撓式的電子產品,人體脈動量測,或是其他新穎二維材料壓電鑑定上。 關鍵字:二硫化錫、化學氣相沉積、拉曼光譜儀、原子力顯微鏡、場效電晶體、壓電效應、可撓式元件