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 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 以化學氣相沉積法合成負載於中孔洞之鈣鈦礦材料應用於光催化二氧化碳還原(2023) 陳睿彣; Chen, Jui-Wen本研究以化學氣相沉積法結合中孔洞及碳材,在高溫反應 (700-900°C)下及不同反應時間(10-90 分鐘),將具有空氣及水氣敏感之鈣鈦礦結構附載於中孔洞材料中,並調控生長CsPbBr3/Cs4PbBr6異質結構,並且研究空氣及抽真空對於異質結構發光之影響。為避免孔洞外生長所造成鈣鈦礦氧化、水解等副反應,本研究利用高溫裂解界面活性劑或乙烯氣體以生長表面碳材(2.5-5 mmol/g SiO2),不僅將鈣鈦礦前驅物有效沉積,並同步生長及保護鈣鈦礦奈米粒子,經由X光繞射實驗及謝樂擬合經驗式證實奈米粒子 (<2 nm)包覆於複合材料中。此複合材料經由紫光 (405 nm)照射後,原鈣鈦礦螢光強度粹滅18倍,顯示其具有電荷分離效果。 在二氧化碳還原實驗中,我們利用即時反應偵測氫氣、甲烷及一氧化碳生成,同時優化二氧化碳流速 (10-50 sccm)對於殘留空氣及反應時間 (0-6小時)之影響,比較三種孔洞載體 (MZNs、Ar-MZNs、MGNs)在不同溫度 (700-900oC)負載鈣鈦礦材料進行二氧化碳還原反應。其中以乙烯裂解產生之MGNs在UV光(365 nm)下具有最佳的催化效率,其中氫氣、甲烷及一氧化碳的產生量較初始值提升13.3 %、14.7 %、10.0 %,此結果回應上述螢光淬滅之實驗結果,同時也說明氣相沉積法合成中孔洞-鈣鈦礦複合材料應用於光催化二氧化碳可行性。Item Ba(B’1/3B”2/3)O3之材料特性研究與在天線方面應用(2014) 陳美瑜; MeiYu Chen本論文主要分成兩部分,主要目的在探討Ba(B’1/3B”2/3)O3 鈣鈦礦結構行為。Ba(B’1/3B”2/3)O3為工業上主要的微波介電材料,其中Ba(Mg1/3Ta2/3)O3更是以低介電損失而聞名。本文中將利用第一原理模擬計算去推測完美的Ba(B’1/3B”2/3)O3晶體其體積模量(bulk modulus), 包含拉曼與紅外線吸收的聲子振動行為,以及由聲子與電子貢獻的介電常數。另一方面利用Ba(Mg1/3Ta2/3)O3材料去設計一個介電共振天線。首先,利用第一原理模擬出Ba(Mg1/3Ta2/3)O3與Ba(Mg1/3Nb2/3)O3的體積模量分別為156 GPa與258 GPa。Ikawa et al 教授的論文(1998)中顯示了實驗Ba(Mg1/3Ta2/3)O3的體積模量為154 GPa,這實驗結果與本論文中模擬體積模量相當接近。可惜的是 Ba(Mg1/3Nb2/3)O3材料並沒有實驗的體積模量數據可供比較。第一原理也可分析並提供Ba(B’1/3B”2/3)O3簡正振動模的頻率與行為,包含了九個拉曼聲子,十六個紅外聲子以及三個無法激發的聲子振動模。詳細的分類與振動型式可見附錄一。經由第一原理推測出的Ba(B’1/3B”2/3)O3單晶理論頻率與參考論文中的陶瓷多晶樣品實驗頻率相當的接近。在計算介電常數上,Born and Huang 提供了有效電荷模型可計算由聲子提供的介電貢獻。在微波範圍中,只要考慮聲子與電子的介電貢獻,經由計算後,模擬Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 的聲子與電子介電貢獻分別為23.4 與 4.14。此結果與紅外吸收實驗所得知結果相當接近(εr(phonon)=23.3 and εr(electron)=4.4). 而 Ba(Mg1/3Nb2/3)O3的理論推測值結果也相當符合實驗。而有四個對介電貢獻貢獻重大的聲子分別為2Eu, 2A2u, 4Eu, 與3A2u,其中兩個聲子(2Eu and 2A2u) 為鋇離子與其他離子的相對運動;而另外兩個聲子(4Eu, 3A2u) 為B” 離子與氧的的相對運動。經由辨別各聲子的運動行為,我們可以解釋參雜不同雜質的Ba(B’1/3B”2/3)O3聲子改變行為,例如SrxBa1-x(Mg1/3Ta2/3)O3 (x< 0.5)。 在參雜量小於0.5 ,拉曼光譜並無相變,兩個A1g 特徵模(420 cm-1 and 800 cm-1)卻有不同的頻率改變行為。這可以合理推測鍶離子偏好位於鋇離子與鎂離子的位置,而非鉭離子的位置。而且因為鍶偏好佔據鋇離子位置上而且鍶離子具有較小的質量與較大的Born 有效電荷導致隨著參雜濃度增加,樣品的介電常數也隨之增加。在Ba(B’1/3B”2/3)O3 的應用上,本文使用Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 材料設計一個介電共振天線,其主要應用在無線通訊方面,共振頻率在2.4 GHz 至 2.484 GHz。此天線在2.44 GHz中有最小的回饋損失(Return loss) -34.67 (dB),與最強的效率(68 %)與天線增益(5.13)。在3D的輻射途中,天線的xy 平面具有類似全方面的輻射圖,但是在y-z與 x-z 平面表現出定向的輻射。Item xLa(Mg1/2Sn1/2)O3-(1-x)La(Mg1/2Ti1/2)O3微波陶瓷材料之拉曼光譜與延伸x光吸收精細結構分析(2007) 余承遠; Cheng Yuan Yu本文利用拉曼散射、X光繞射和延伸X光精細結構吸收譜等光學方法來測量1:1結構A(B’1/2B”1/2)O3陶瓷家族中x La(Mg1/2Sn1/2)O3-(1-x) La(Mg1/2Ti1/2)O3鈣鈦礦陶瓷中氧八面體結構與其微波性質的關連性。這系列樣品共有五個,x代表錫原子的濃度,從0、0.25、0.5、0.75到1。在不同濃度的錫原子摻雜,Q×f值跟隨改變,隨著錫原子濃度的上升,介電係數下降。從X光吸收譜可以很明確知道錫原子是取代鈦原子的晶格位置,由於錫原子離子半徑較鈦原子大,所以當錫原子掺雜濃度越多時,錫與氧的鍵長增加,驗證氧八面體體積隨著錫原子濃度上升而增加,而在A位置的鑭原子與氧原子的鍵長隨著錫濃度之增加而減少,也就是鑭與氧形成的LaO8體積減少。從拉曼實驗顯示高頻部份與A1g(O)振動類似的振動模有聲子頻率紅移的現象,這也證明了錫與氧的鍵長增加,氧八面體體積增加,但是摻雜的錫原子較重使得氧八面體內部密度變大,造成介電常數減少。另一方面,部分鑭跟氧振動有聲子頻率藍移的現象,是與鑭原子形成之氧LaO8體積變小有關。Q×f值與聲子半寬度成反比,並且在錫原子與鈦原子掺雜比例相同為1:1時為最低,波的傳遞最差。從拉曼實驗及X光吸收譜實驗都顯示本文材料的微波特性與氧八面體微觀結構直接相關。Item A(B’1/3B”2/3)O3介電陶瓷之微觀結構與微波特質關聯性研究(2006) 陳美瑜; Mei-Yu Chen本文利用拉曼散射、X光繞射和延伸X光吸收譜等光學方法來測量A(B’1/3B”2/3)O3鈣鈦礦陶瓷中氧八面體結構、 1:2有序結構與其微波性質的關連性。樣品共有三組,第一組樣品為不同燒結條件的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3。此組樣品皆為Q×f值非常高的樣品,X光繞射分析發現1:2有序程度高其Q×f值越高。此組Ba(Mg1/3Ta2/3)O3樣品的微觀結構非常相近,氧八面體體積差異無法由拉曼散射和X光吸收實驗解析。第二組樣品為鎳掺雜之Ba(Mg1/3Ta2/3)O3,即xBa(Ni1/3Ta2/3)O3 +(1-x)Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 (x=0~0.03)。X光吸收譜可以很明確知道鎳原子是取代鎂原子的晶格位置,而當鎳掺雜濃度越多時,氧八面體越緊密,此時介電常數也隨之減小;且鎳掺雜的越多,1:2有序結構被破壞的程度愈高,Q×f值也隨之降低。第三組樣品是燒結溫度介於1350~1550oC的五個Ba(Co1/3Nb2/3)O3陶瓷樣品。當燒結溫度為1400oC時,實驗發現Ba(Co1/3Nb2/3)O3具有最小的介電常數和最大的Q×f值。此樣品的氧八面體也最緊密、1:2有序程度也最好。燒結溫度高於1400oC之樣品,介電常數開始變大、Q×f值變小,且氧八面體結構開始鬆散、1:2有序程度變差。實驗顯示燒結條件會強烈的影響到晶體內氧八面體結構與1:2有序程度,其微波特性與氧八面體微觀結構直接相關。Item 燃料轉換效率於多元金屬催化劑之理論計算研究:硫毒化反應與甲醇氧化反應(2019) 陳昭穎; Chern, Zhao-Ying本篇論文以第一性原理計算幾個不同的異質催化反應在燃料電池的應用,包括 (1) 第二章討論硫毒化與移除於BaZrO3陽極的反應, (2) 第三章討論甲醇裂解反應於鉑—石墨烯之性質, (3) 第四章討論甲醇氧化反應 (MOR) 與甲酸氧化反應 (FAOR) 於鉑三元合金 (PtRuM, M=Fe, Ti) 陽極之性質。 第二章節中,計算結果發現燃料中含有的H2S(g)會毒害催化劑表面,此為強放熱反應,然而,移除硫化物為吸熱反應。表示硫毒化為一自發性發生且難避免的反應。研究發現水的加入可以幫助硫化物的移除。除此之外,我們還列出了反應熱與自由能以及電池電動勢之間的關聯性,以此探討電池偏壓以及H2S(g)與H2O(g)的氣體分壓對於硫化反應的影響。第三章討論以石墨烯為擔體之鉑催化劑對於甲醇吸附的性質差異。根據石墨烯與鉑的結合角度可分為0o和30o角,研究結果發現甲醇可吸附在鉑團簇上,但對於鉑層吸附較弱。此種差異可以應用於材料的保護層。第四章討論配位基效應與雙官能基效應對於MOR與FAOR於鉑釕三元合金 (PtRuM, M=Fe, Ti) 上造成的反應差異。鐵的加入可使周圍電子離域化,而鈦的加入可使電子更局域化。總體來看,PtRuTi可以幫助MOR與FAOR更容易進行反應,而鐵的加入幫助不大。Item 金屬鈷(Co)附載於不同氧活性之載體(CeO2, BZDy)對乙醇氧化蒸氣重組反應之影響與反應路徑探討(2017) 邱耀慶; Ciou, Yao-Cing本實驗使用10 %金屬鈷(Co)分別附載於親氧性之氧化鈰(CeO2¬)與親水性之鋯酸鋇參雜鏑(BZDy)上進行乙醇氧化蒸氣重組反應之探討。催化劑的製備方法為含淨法,催化劑之鑑定使用粉末繞射分析儀(XRD)、能量散射光譜儀(EDS)、程序升溫還原反應(TPR)與X光光電子光譜(XPS)進行。反應之測定使用氣相層析儀(GC)分析產率與選擇率之結果、in situ漫反射傅立葉轉換紅外光譜儀分析反應中間物與程序升溫還原反應(TPR)分析催化劑之狀態。在水與乙醇比例為1:7下,改變氧氣比例之反應,產率與選擇率結果之部分,當C/O ratio約為0.61,在Co/CeO2氫氣最高產率為77 %,CO/CO2選擇率分別為37 % / 59 %,CH4選擇率低於1% ,而Co/BZDy在C/O ratio = 0.61,最高氫氣產率為80 %,CH4/CO2選擇率分別為12 % / 83 %,而CO選擇率低於1 % ;水與乙醇比例為1:1、1:3與1:7時,Co/CeO2之最高氫氣產率分別在C/O ratio = 0.7為51 %、在C/O ratio = 0.6為76 %與在C/O ratio = 0.6為77 %,而Co/BZDy分別在C/O ratio = 0.7為60 %、在C/O ratio = 0.6為74 %與在C/O ratio = 0.6為81 %,由氫氣產率變化的結果表示Co/BZDy較Co/CeO2雨水反應之能力強;在水與乙醇比例為1:7下,C/O ratio為0.61時,改變溫度之結果氫氣產率可以顯示不同載體對氧與水受溫度影響之狀況,在溫度為450oC到600oC,Co/CeO2最高為45 %,而在350oC到450oC時,Co/BZDy之最高氫氣產率為150 % ,此顯示Co/CeO2較易與氧氣反應,造成H2被氧化為H2O,而Co/BZDy較易與水反應,使H2O之H形成H2。在in situ DRIFT之光譜結果顯示出 Co/CeO2與Co/BZDy之反應中間物皆出現acetate (CH3COO),而其在不同載體之催化劑上會因親氧性與親水性的不同產生不同的細微變化:Co/CeO2因CeO2造成親氧性較強,使acetate斷C—C鍵後生成之COO易於離去生成CO/CO2,而CH3分解為C與H產生CO、H2、H2O;Co/BZDy因BZDy親水性較強,使acetate斷C—C鍵後生成之COO形成CO2,而CH3與水產生之H形成CH4。由反應後之TPR結果顯示,Co/CeO2¬¬之Co反應時為Co0之狀態,而Co/BZDy反應時之Co形成Co3+之狀態。由此三者分析之結果,推論出Co/CeO2¬與Co/BZDy之可能反應路徑。Item 探討金屬氧化物的支撐物對乙醇蒸氣重組反應的影響(2015) 曾國銘; Tseng, Kuo-Ming本篇論文中,我們將 Rh、Ru兩種金屬分別附著在三種不同金屬氧化支撐上,來進行氧化乙醇蒸氣重組反應,而這三種氧化支撐物分別為,氧化鈰 (CeO2)、參雜了Dy的鈣鈦礦結構(Dy-doped BaZrO3) 和鈣鈦礦結構(BaZrO3)。透過XRD、EDX、TPR探討金屬與金屬氧化物是否符合。在乙醇蒸氣重組實驗中,使用不同氧氣量的條件下乙醇對氧氣比例為2~0.4、不同乙醇與水莫爾比例(1:1、1:3、1:5、1:7、1:10)及不同的溫度(300℃~600℃)來進行實驗。在催化劑中金屬的部分,我們發現Rh、Ru有助於C-C鍵斷裂,產生CO與CO2。在催化劑中支撐物的部分,我們選擇了螢石結構(CeO2)、鈣鈦礦結構(Dy-doped BaZrO3) 和鈣鈦礦結構(BaZrO3)有效的利用環境中氧氣與水,其中氧化鈰對氧具有高活性,在乙醇與莫爾比例為1:3,乙醇對氧氣比例在0.61,氫氣產率為72%,而鈣鈦礦結構(Dy-doped BaZrO3)與鈣鈦礦結構(BaZrO3)可以有效利用水,促使催化劑效能提升及氫氣產率提升,在乙醇與莫爾比例為1:10,乙醇對氧氣比例在0.58,氫氣產率為86%,所以可以看出BZDy及BZO比在氧的氧化鈰下具有更好的在乙醇氧化蒸氣重組反應中具有重要的影響。在乙醇蒸氣反應後,將催化劑進行XRD、EDX、TPO鑑定,在XRD鑑定與反應前並沒有差異,在EDX、TPO發現鈣鈦礦結構(Dy-doped BaZrO3)含碳量大於氧化鈰(CeO2) ,但在長時間反應中卻能維持高乙醇轉換及氫氣產率。