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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    穿隧掃描顯微鏡與場離子顯微鏡研究 納米結構的自組裝機制與控制方法
    (2014) 林榮君; Rung-Jiun Lin
    自組裝是透過物件自身的交互作用力組合成元件的機制,並且自組裝結構是一種最低能量也最穩定的結果。當機械或電子設備的漸漸小型化而使得製造也將越來越費工耗時,因此物件的自組裝是一種經濟而有效的方式。 在這篇論文中,介紹了三個關於自組裝的研究。第一部分是以穿隧掃描顯微鏡(STM)研究Co-TPP分子自組裝在不同鍍量(1 ~ 1.3 ML)的矽(111)表面。我們發現透過調整鉛的鋪附量可以改變分子的自組裝結構:第一種自組裝結構是分子會以三種不同的結構(鞍型,平面型的和異平面型)表現形成各自的結構域在 √7 × √3的Pb/Si (111)基底結構上。這結構中我們還可以發現平面型和異平面型的Co-TPP分子形貌會隨溫度相變。第二種自組裝結構是鞍型與平面型的Co-TPP分子會形成交錯排列成有週期性且更為緊密的結構在「線條狀不相稱相(SIC)」的Pb/Si(111)基底結構上。這樣的轉換機制來自於Co-TPP的鈷原子和Pb/Si(111)襯底的相互作用。 表面的皺化與失蹤原子列的產生,都是為了得到最低的表面自由能而去改變表面的形貌。所以第二部分是研究鉬單原子針的自組裝。我們利用場離子顯微鏡觀察純鉬針與鈀,鉑,銠,銥鋪附鉬針經退火後的皺化結果。金字塔形單原子針已於形成鈀,鉑,銠鉬覆鉬針。會有兩種類型的金字塔結構形成,分別為1、3、10或1、6、15的結構。然而,純鉬和銥附鉬針因為表面能異向性差異不足以及銥容易退吸附及與鉬合金而無法形成單原子針。 最後我們同樣利用場離子顯微鏡研究鉑1 × 2的失蹤原子列重構在鉑(110)和鉑(331)的表面。對於鉑(110)面, 經退火到450K發現從1 × 1過渡到1 × 2結構是以跳躍或下行的原子運動產生。對於鉑(331)而言類似的轉變發生在加熱至600K,特別的是形成上兩層都為1 × 2結構的鋸齒模型。我們提出一種新的結構模型解釋鉑(331) - (1×2)重構。 關鍵字:掃描穿隧顯微鏡,場離子顯微鏡,自組裝行為,四苯基鈷卟啉,單原子針,失蹤原子列。
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    覆鉑、銠於鉬針形成金字塔單原子針尖之研究
    (2012) 陳曉琪
    本實驗藉由場離子顯微鏡研究覆鉑鉬針及覆銠鉬針,在加熱退火後的皺化行為。覆鉑鉬針實驗中發現,加熱退火溫度在800K以下,針尖上的各指數面,並無明顯變化。在加熱退火溫度超過800K,可觀察到通道面的擴張行為。當加熱退火溫度達到900K,{211}切面劇烈的擴張並造成明顯的皺化行為,加熱退火至1100K金字塔稜線已經明顯形成,並且可成長出單原子級針尖,其最上方三層的金字塔結構分別為1、3、10及1、6、15顆原子的堆疊。 在覆銠鉬針的實驗中發現,在加熱退火溫度至1100K時,同樣可以成長出單原子級針尖,其最上方三層的金字塔結構分別為1、3、10及1、6、15顆原子的堆疊。 藉由覆鉑鉬針可以研究多稜線現象的行為,在加熱退火至800~900K可以觀察到多稜線現象的產生,金字塔稜線數目隨著加熱退火溫度逐漸下降,在加熱退火溫度接近900K時,則收斂至三對稱的單條稜線。
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    鉑的重構-皺化與失蹤原子列的觀察與研究
    (2008) 林榮君; Rung-Jiun Lin
      本研究中,我們利用場離子顯微鏡觀察鉑的皺化與失蹤原子列的表面重構。表面的皺化與失蹤原子列的產生,都是為了得到最低的表面自由能而去改變表面的形貌。因此本文就以這兩個方向加以深入討論。皺化方面,當加熱退火的溫度逐漸提升,包括了(111)、(100)、(311)、(110)等表面自由能較低的指數面會漸漸擴張,此外在加熱至700K以上,(310)面也發生了擴張的行為,是本實驗中最令人振奮的發現,這也說明了就算擁有較低表面自由能的指數面,若給予的能量未達該指數面原子該有的動態能量,依然不會有皺化行為的發生。失蹤原子列方面,失蹤原子列的表面形貌在(110)面及(311)面是(1×1)變成(1×2)的結構,而在(331)面及(211)面而言都是(1×1)變成表面兩層(1×2)的結構,這種結構可以是原子的增加、消失,亦或是原子跳動,在此我們將這種行為與皺化的表現做結合,發現兩者是相輔相成、同時存在的,並且發現在表面重構發生後,各指數面交界仍然保持連續。另外(311)面則在加熱到650K之後,會再由(1×2)的結構,再次轉為(2×2)的重構。另外本實驗對合金Pt80Ir20以場離子顯微鏡做形貌上的觀察,發現合金擁有較強的鍵結,並且在(100)面已經可以看到超晶格的結構。
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    鎢表面上單原子與原子團動態之研究
    (2006) 翁文記; Weng Wen-Ji
      本研究中,我們利用場離子顯微鏡觀察銥吸附原子、鎢原子團、及鎢台階邊緣原子在鎢表面的擴散運動。實驗結果得到銥吸附原子在W(211)、W(110)、W(111)平台上的擴散活化能分別為0.66±0.03eV、0.95±0.04eV、1.56±0.01eV;而銥吸附原子在W(111)平台邊緣的擴散活化能則約為1.41±0.1eV。   鎢原子團在W(111)平台上的擴散模式主要有兩種類型:一種為基本的單一原子跳躍模式,另一種則為邊緣原子整排的滑動模式,而根據實驗研究的結果顯示,此兩種模式是並行產生的;鎢原子團的擴散活化能會隨著原子團的增多而有振盪和增加的趨勢;我們也觀察到鎢原子團在W(111)切面上所呈現的多樣化形貌,而且原子團以二維方式的排列會較一維方式排列穩定;不論原子個數為多少的原子團,其形貌以緊密狀結構出現的機會也會較直鏈狀結構頻繁。當三、六顆原子團在呈現正三角形的形貌時,會較其他種形貌穩定而難以改變其結構。   最後我們針對W(111)切面上平台邊緣原子的擴散行為進行研究,並將各種動態行為的發生做溫度上的定位;由於W(111)是呈現三對稱的切面,若平台是以三對稱的形貌出現或是沒有邊緣原子的存在,會較為穩定不易發生形貌上的轉變。
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    溫度與吸附氣體對鈮針場發射特性的影響
    (2014) 石智強; Chih Chiang Shih
    鈮奈米針於先前的研究指出當鈮在9.2K時具有超導性,在此溫度下將其作為一電子源所發射出來的電子束會因為其超導的關係同時具有良好的空間同調性及時間同調性。因此鈮針在當成電子源的研究也具有其重要性。為了更深入了解鈮奈米針的特性及結構,我們將多晶鈮線蝕刻成針尖後置入超高真空環境的場離子顯微鏡,藉由通電流加熱使其形成熱穩定性的奈米針並同時觀察針間的皺化過程,在鈮針尖施加負高壓使針尖場發射出電子,並分析其電子電流的特性。 當鈮針被加熱到1319K時,可以在表面上觀察到4個{310}擴張擠壓{100}面形成皺化的平台,此時在針尖施加負高壓可以觀察到{100}平台由於功函數較低會場發射出電子。而當針尖加熱超1473K時,可以看到{100}面也有擴張的趨勢產生,此時並不會場發射出電子。 測量{100}面時通入不一樣的惰性氣體的場發射電流,經過量測一小時後的電流值會大於一開始所測量到的電流值。而通入氬氣時,一小時後的電流增加幅度比其於氣體小,通入越大分子量的惰性氣體其F-N plots斜率會上升。
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    鋪覆超薄膜於針狀金屬表面之現象研究
    (2013) 陳晏清; Chen Yen Ching
    本實驗藉由場離子顯微鏡,觀察超薄膜鋪覆於針狀金屬表面之現象。其實驗現象可分為兩方向討論,其一為覆鉑於鈷針狀結構,由於切面擴張產生皺化現象。加熱退火至600K,可發現由於鉑之鋪覆,增加表面能異向性、降低皺化所需之加熱退火溫度,使得表面自由能較低的(0001)、(1013)、 (1013)切面擴張,並形成單條稜線,但由於鈷為非耐火性之材料,因此易受加熱退火影響,使得稜線成長不完整,難以觀察到金字塔堆疊。 另一方向為,覆矽於銥及鉑針狀結構,成長單層皺形之蜂巢結構-Silicene。由於場離子顯微鏡可看到同一樣品之各個切面,因此可觀察矽於各個切面成長之穩定結構:覆矽於銥(111)切面可發現,同時蒸鍍及加熱退火,可成長較特殊的結構;於銥(100)切面可觀察到矽原子排列成(3×2)之結構;於(311)、(310)及台階邊緣可成長帶狀、六角結構。 覆矽於鉑(111)切面,可觀察切面上可成長六角結構,與現在備受討論的議題-「Silicene」具有相似結構,因此推測鉑也可能成為成長Silicene之基底。
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    矽原子在銥(100)切面上的動態行為與交互作用
    (2016) 張琬喻; Chang, Wan-Yu
      本實驗利用場離子顯微鏡觀察吸附矽原子在銥(100)切面上的動態行為及交互作用。利用單顆吸附矽原子在不同溫度下的熱擴散運動,並配合Arrhenius plot求得擴散活化能E_d=0.91±0.02 eV。雙顆吸附矽原子在加熱到400 K以上時,彼此間的距離較低溫時的大,也間接證明在此溫度下,原子有足夠的能量去排列成有序結構。觀察雙顆吸附矽原子在銥(100)切面上的動態分布,顯示出矽原子在銥(100)切面上會位於不同佔位上(例如:四重對稱站位、橋位和上位),也表示矽原子彼此間的交互作用力大於矽原子與基底間的交互作用。雙顆吸附矽原子會在相距三個銥基底的晶格常數下處在最低的交互作用能0.086 eV。原子間的交互作用會受到基底的二維自由電子氣影響,產生Fridel oscillation的現象,藉由理論公式與實驗數據擬合,可以得到銥(100)切面上的費米波向量應該為1.35 Å。當加熱到431 K時,蒸鍍在銥(100)切面下的矽原子會發生上行運動。
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    以氙氣作為單原子針離子發射源之研究
    (2015) 李柏璋; Li, Po-Chang
    本實驗利用場離子顯微鏡(Field Ion Microscope, FIM),並使用本實驗室製作的附銥鎢單原子針作為場發射源,探討以氙氣作為氣體離子源的離子電流特性,並與氦氣離子源互相比較。 我們透過液態氮降溫針尖,並量測在不同溫度下,氙氣離子的飽和電流值,發現溫度降低接近至150 K附近時,離子電流有急遽增加 的趨勢,推測最佳工作溫度應為150 K以下附近。之後量測氙氣離子束的電流穩定性,與氦氣離子束的電流穩定性相當。透過以氙氣作為成像氣體的單原子針影像,計算出其離子束的張角小於1度,是非常集中的離子源,且角強度及亮度也有很好的表現。 氙氣離子束在150 K的工作溫度下,與氦氣離子束在22 K的工作溫度下的能力相近。若希望將氣體場發射離子源(Gas Field Ion Source, GFIS)應用在二次質譜儀(Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS),則氙氣就具有成為此種離子源的潛力。
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    矽於鎢表面上的擴散與成長
    (2015) 王晨育; Wang, Chen-Yu
    本實驗使用場離子顯微鏡研究矽原子吸附在鎢表面上的擴散行為與排列方式。藉由擴散運動實驗,我們得到單顆矽原子在鎢(110)和鎢(211)上的擴散活化能分別為0.66±0.04(eV)和0.48±0.01(eV)。在排列方面的觀察發現:鎢(110)上的矽原子在高覆蓋率時長成(2√2/√3×4/√3)R35.26結構;鎢(211)上的矽原子排成有間隔的直鏈狀結構;鎢(111)上的矽原子排成三角或直鏈型結構;鎢(411)上的矽原子排成(1×1)結構。 另外,我們為了蒸鍍鍺而嘗試了幾種方法,其中發現使用鎢舟是比較簡單有效的方法。
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    以場離子顯微鏡研究鎢表面上鈀吸附原子間的交互作用
    (2002) 黃意茹; Yi-Ju Huang
    在這個研究報告中,研究了在鎢(211)面及鎢(110)面上,鈀吸附原子間的交互作用。在鎢(211)面上的同一通道中,二個鈀原子易形成距離最小(2.74埃)的雙原子團且以此結構在通道中擴散,二者間的交互作用能與次靠近結構的交互作用能相差為-110.2meV,雙原子團的擴散活化能為Ed=0.59±0.01eV。當二個原子間的距離越大,其交互作用呈現有吸引也有排斥的震盪現象。在鎢(110)面上,我們加以探討原子間多體的效應,選擇F3lin=-80meV、F3tri=F3bent=-8meV,其他如四個原子以上彼此之間的多體交互作用,在探討多個吸附原子的自由能時,是很重要的。除此之外,我們也探討了鈀原子團在鎢(110)面上擴散的機制,在雙原子團的擴散中,轉向且質心位移分別為2.23埃及1.58埃的機率與平移(質心位移為2.74埃)的機率差不多,它們都是原子向最鄰近位置運動二步而成,這也可由鈀三原子團發生平移(質心位移為2.74埃)的機率比轉向(質心位移為0)的機率大,而得到輔證。鈀雙原子團在鎢(110)面上的擴散活化能為0.65±0.01eV,鈀三原子團為0.68±0.01eV,當原子數目越多,擴散活化能越大,成單調增加,顯示鈀原子團的擴散皆為沿鄰近位置跳動組合而成,而無特別的交換機制。