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 脈衝雷射蒸鍍法沉積氧化釓鋅薄膜的磁光與導電特性(2024) 張芷郁; Chang, Chih-Yu本論文使用脈衝雷射蒸鍍法在c指向的藍寶石基板上沉積摻雜的氧化釓鋅薄膜，所有薄膜樣品的沉積條件皆為525 ℃與3×10^(-1) mbar的氧氣環境。X光繞射光譜中，只顯示氧化鋅和基板的特徵峰，沒有其他晶相，由此可知釓原子成功的摻雜進氧化鋅晶格中。隨著釓元素摻雜比例增加，薄膜的c軸晶格常數從無摻雜的5.20 Å下降到5.16 Å。光致螢光光譜的強度因為摻雜導致結晶品質變差而降低，所有樣品的光譜皆有近能隙發光譜線。在摻雜的樣品中，螢光光譜則可以看到鋅空缺、鋅間隙、氧間隙與中性和帶二價的氧空缺的發光峰。磁性相關的量測有室溫磁特性曲線與磁光法拉第效應。磁性檢測顯示，所有氧化釓鋅薄膜在平行磁場與垂直磁場方向皆為順磁性，並且在外加磁場約為1500 Oe時達到飽和。每一片樣品在兩個方向下的飽和磁化量幾乎相同，其量值介於0.80 emu/cm^3 〜2.84 emu/cm^3。磁光法拉第效應顯示，所有氧化釓鋅薄膜的皆在略大於氧化鋅能隙(368 nm)的近紫外光波段有較大的磁光法拉第響應，因此我們推測磁光響應在對應材料能隙的波段直接相關，Verdet constant的最大值介於56.28 rad/(T‧cm)〜362.05 rad/(T‧cm)。導電特性方面，電流-電壓特性曲線顯示所有樣品的電極與薄膜皆為歐姆接觸。利用范德堡量測法得到的氧化釓鋅薄膜電阻率介於11〜309.74 mΩ⋅cm，因為摻雜造成晶粒尺寸變小、晶粒邊界增多、缺陷類型與密度增加，導致電阻率變大。由霍爾效應得知所有氧化釓鋅薄膜皆為n型半導體。因為摻雜釓離子引入的電子，使載子濃度大幅提升，但摻雜超過1%時，氧化釓鋅薄膜的晶格缺陷變成載子陷阱，因此載子濃度隨釓摻雜濃度而下降，並在摻雜10%的釓時維持在略高於純氧化鋅的值，其值介於5.17 〜32.02×10^18 cm^(-3)。載子遷移率也從純氧化鋅的22.77 cm^2/V⋅s 大幅下降至4〜8 cm^2/V⋅s。Item 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。Item 釤釔鐵石榴石薄膜的磁異向性研究(2022) 張鄴壬; Chang, Ye-Ren本論文是探討使用脈衝雷射蒸鍍法來製備生長於 YAG(111)基板上摻雜釤的釔鐵石榴石薄膜(x = 0 ~ 3.0)之磁異向性研究。從中可得知薄膜的晶體結構、表面形貌以及磁光、磁性性質。釤釔鐵石榴石的薄膜厚度是 30 至 120 nm，鍍膜溫度為 750 ℃、鍍膜氧氣壓力為3×10-1 mbar，雷射轟擊靶材的能量為 3.5 J/cm2，之後在大氣環境中使用爐管升至1050 ℃來進行 4 小時的鍍膜後熱退火。使用 X 光繞射來得知薄膜的晶體結構，從各個樣品皆有觀察到 YAG 基板(111)以及釤釔鐵石榴石薄膜的(444)繞射峰。隨著摻雜釤的比例以及薄膜厚度增加，晶格常數都會變大，晶粒大小則變化不明顯，而釔鐵石榴石與釤鐵石榴石的晶格所受的垂直應變在 x = 3.0 時從拉伸應變轉為壓縮應變。從原子力顯微術測得之表面形貌能發現到，在未摻雜釤時，表面粗糙度隨薄膜厚度的變化不明顯，但在相同厚度時，表面粗糙度則隨著摻雜釤的比例增加而遞增。而在表面顆粒方面，隨著厚度增加，顆粒也會增大。磁光法拉第效應在波長 300 ~ 500 nm 間法拉第旋轉角會隨著磁場而變化，在波長360 和 445 nm 量得明確的磁滯曲線，代表此研究的樣品有垂直面的磁異向性。隨著摻雜釤的比例與薄膜的厚度增加，磁滯曲線訊雜比會提高，法拉第旋轉角會增加，磁光磁滯曲線方正度則會隨著厚度增長而減少。振動樣品磁量儀量測平行磁場(IP)和垂直磁場(OP)的薄膜磁性，其磁滯曲線方正度用於判斷磁易軸方向。釤釔鐵石榴石薄膜的磁異軸方向則隨著比例和厚度轉變，隨著摻雜釤的比例增加，其磁異軸由 OP 轉為 IP 的臨界厚度會隨著增加。釤釔鐵石榴石薄膜的磁異向性變化為應變產生的磁異向能所造成，且可經由薄膜厚度以及摻雜釤元素的比例的變化來誘發應變。Item 氧化釤鋅氧化亞鈷多層膜結構的螢光及磁光特性(2022) 蕭欽鴻; Hsiao, Chin-Hung本論文探討脈衝雷射蒸鍍法於c-sapphire基板製備單層氧化亞鈷(CoO)、氧化釤鋅(Zn1-xSmxO, ZSO)與CoO/ZSO多層結構薄膜之結構特性、光學特性與磁光特性。其中釤原子摻雜比例分別為0、1與3%，薄膜的製備條件為在氧氣壓力1×10^(-3) mbar，加熱棒溫度設定為400℃，脈衝雷射波長為266 nm，雷射能量密度為CoO 2.4 J/cm2、ZSO 2.0 J/cm2。利用X光繞射光譜與拉曼散射光譜分析結構特性，觀察到纖鋅礦結構的ZnO(002)與岩鹽結構的CoO(111)的特徵特徵峰，代表各層薄膜為單晶結構。並隨著摻雜比例的上升，晶格常數會變大、晶粒大小會變小。在多層膜結構中會因為熱退火效應與晶格間的不匹配度影響著薄膜的結晶性。拉曼散射光譜中，可以觀察到基板、氧化鋅、氧化鋅缺陷與CoO之特徵譜線。AFM結果顯示所有樣品表面呈現顆粒狀，表面形貌接近原子級的平坦。 光學特性由光致螢光光譜顯示在室溫中所有多層膜結構有氧化鋅之近能隙發光，以及部分樣品有鋅空缺、氧空缺與鋅間隙等缺陷所造成的發光，並無發現釤離子在4f軌域躍遷或CoO之螢光訊號，亦沒有ZnO/CoO/ZnO量子井相關的光學特性。 磁光特性由磁光法拉第磁滯曲線結果顯示所有樣品在室溫下皆為順磁性。薄膜之伐得常數隨著波長增加而減少，多層膜的伐得常數計算值與實驗值趨勢與數值相近。Item 氧化鈥鋅/氧化亞鈷多層膜結構的螢光及磁光特性(2021) 王乃緯; Wang, Nai-Wei本論文利用脈衝雷射蒸鍍法製備在c-sapphire上三種不同鍍膜環境的單層ZnO摻雜Ho薄膜及三種不同類型夾雜著CoO層的多層膜，其中Ho摻雜比例分為0、1及3%，並研究其結構特性、光學特性及磁光特性。 結構特性方面，X光繞射和拉曼散射光譜觀察到纖鋅礦結構ZnO和岩鹽結構CoO的特徵峰，代表樣品為多層單晶薄膜。其中多層膜結構中較下層的薄膜會因熱退火效應而晶體結構較佳。拉曼散射光譜則從ZHO薄膜觀察到Ho3+ 4f軌域躍遷譜線。 光學特性方面，在所有樣品中皆有ZnO的近能隙發光，在樣品中發現由氧空缺、鋅空缺、鋅間隙或其複合缺陷造成的缺陷發光，但無CoO或Ho3+的螢光，亦無ZnO/CoO/ZnO量子井的譜線。溫度從300 K變化到20 K，因晶格收縮使發光峰值藍移，且因熱擾動減少使ZnO近能隙發光強度相對於缺陷發光上升。 磁光特性方面，由MOFE及MOKE得知，在室溫下量測所有樣品的磁滯曲線皆為順磁性，且磁矩無達到飽和。法拉第磁光效應較強的波長為400到540 nm。薄膜的等效Verdet常數值隨波長增長而減小。除了ZHO 3%的三層膜結構外，多層膜等效Verdet常數的估計值與測量值相近，而ZHO 3%三層膜測量值較低的原因是其ZHO層的法拉第磁光效應比單層薄膜弱。Item 氧化鈥鋅薄膜的磁光與電性(2020) 林于庭; Lin, Yu-Ting本論文探討脈衝雷射蒸鍍法在c方向藍寶石基板上所製備之氧化鈥鋅薄膜(Ho: ZnO)的結構、光學、磁和磁光，及導電特性。氧化鈥鋅薄膜的製備條件為氧壓3×10-1 mbar，基板溫度525 ℃，雷射波長266 nm，雷射能量密度2.0 J/cm2，鈥的摻雜比例0~10 原子莫爾濃度(at. %)。 X光繞射光譜和拉曼散射光譜顯示氧化鈥鋅薄膜沒有其他雜質或晶相存在，代表薄膜中鈥原子成功取代了鋅原子。隨摻雜比例增加後，晶格常數與晶粒大小會變小，表示鈥原子(0.904 Å)取代鋅原子(0.74 Å)過程中產生缺陷造成薄膜結構變差。摻雜5及8 at. %之氧化鈥鋅薄膜的拉曼散射光譜還包含Ho 4f軌域5S2→5I8及5F4→5I8能階的螢光訊號。光致螢光光譜顯示純氧化鋅(Ho: 0 at. %)有很強的近能隙發光，隨摻雜比例增加，近能隙的發光變弱，缺陷的發光變強，從光致螢光光譜可以辨認出氧空缺、鋅空缺、鋅間隙等缺陷。 SQUID的結果顯示在T = 5與300 K氧化鈥鋅都呈現順磁性，飽和磁矩隨摻雜比例增加而變大，在8 at. %達最大值120 emu/cm3。磁矩和溫度關係結果表明，薄膜磁矩在2~100 K的範圍內都快速下降，在150 K後趨於平緩，且在40~60 K的地方有很強的氧退吸附訊號，若扣除掉氧退吸附的訊號，推測所有薄膜皆不具磁有序特性。磁光光譜顯示所有氧化鈥鋅薄膜皆為順磁性，其法拉第旋轉角對磁場的斜率隨波長越大而變小，此外氧化鈥鋅薄膜的Verdet常數數值隨波長增長變小，大約降低86 %。 從電流-電壓特性曲線可以看到所有氧化鈥鋅薄膜電極皆符合歐姆定律。且在摻雜之後電阻率從0.022 Ω-cm上升到0.221 Ω-cm，表示摻雜和產生的缺陷會增加電阻率。Item 摻雜釤元素的釔鐵石榴石之磁性探討(2020) 林弘霖; Lin, Hung-Lin本論文探討由脈衝雷射蒸鍍法在c平面藍寶石基板上所製備知釔釤鐵石榴石薄膜的晶體結構，表面形貌及磁光特性。薄膜的厚度為100 nm，製備條件為氧壓 3×〖10〗^(-7) mbar，基板溫度為525 ℃，雷射在靶材上的單位面積能量3.5 J/cm2，並在大氣下用高溫爐以1050 ℃進行4小時的熱退火。 X光繞射光譜得知大部分薄膜為多晶結構，而在取代量為x = 2.0和2.5時則是非晶結構。拉曼散射光譜證實所有薄膜維持YIG的立方對稱性。分析取得的晶格常數在12.3046～12.4669 Å之間，僅x = 1.5的薄膜其晶格常數小於塊材的YIG數值。 薄膜的表面形貌以圓形為主，部分取代的薄膜樣品表面的顆粒較小也較一致，粗糙度也較小。所有薄膜樣品的方均根粗糙度在6.84～23.08 nm之間，和取代量無明顯關係。 薄膜樣品在340～560 nm的波長範為可以觀察到磁滯曲線，代表薄膜具有磁的垂直異向性。其矯頑場在5～280 mT之間，飽和法拉第旋轉角在1.9×〖10〗^(-2)～0.747 mrad之間。兩者和取代量的關係是到取代量從x=0.0開始變大，x = 1.5～2.0達到最大後，到x = 3.0之間變小。