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 不同鈷原子層在銀/鍺表面之研究(2008) 陳俊榮在超高真空的環境下(<10-10 Torr),藉由掃描穿隧顯微鏡(STM)觀察鈷原子島成長的行為。為了阻隔鈷與鍺形成合金,先在鍺的表面鍍上一原子單層的銀,並加熱使其形成(√3×√3)的穩定重構,利用分子束蒸鍍鎗在其表面成長鈷的磁性薄膜。蒸鍍上1.4 ML、2.1ML、2.8 ML、3.5 ML、4.2 ML及4.9 ML的鈷並經加熱退火至400 ℃,即成功地發現鈷原子在表面上形成週期性之二維原子島。當鈷原子鍍量不同時,鈷島的成長模式將有不一樣的行為;且隨著鍍量增加,鈷原子島的成長會由二維成長轉變成三維成長。我們也發現,三十五層以上的鈷原子島重構依舊會維持2x2的結構,顯示出鍺基底對於鈷原子島的作用力很大,也代表T4 site 成長為2x2結構比1x1更利。而比較加熱退火至不同的溫度的情況,在低鍍量時鈷原子島面積的成長與溫度成正比關係;若鈷鍍量超過3.5 ML時,鈷原子面積成長將趨於平緩。對週期為2x2的鈷原子島,其成長是一層伴隨著一層地,發現層與層之間的成長有三種方向。Item 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。Item 鎳超薄膜在鉑(111)基板上之表面結構及表面磁光性質研究(2003) 蘇炯武; Chiung-Wu Su本實驗是利用歐傑電子能譜術、低能量電子繞射儀、紫外光電子能譜術以及利用表面磁光科爾效應來研究鎳金屬超薄膜在鉑金屬(111)表面上的結構及磁光性質。討論的範圍首先著重在鎳超薄膜在鉑(111)表面上的磊晶成長模式、結構相圖和合金形成。我們經由歐傑電子能譜、低能量電子繞射及紫外光電子能譜的測量中發現鎳超薄膜在鉑單晶上是以2個原子層的層狀模式成長,且在磊晶的過程中我們更利用低能量電子繞射發現鎳超薄膜在鉑(111)表面上有一些有趣且特殊的結構:偽(1×1)超結構、(√3×√3)R30º、Ni(1.1×1.1)非同調性磊晶、衛星點結構以及(2×2)超結構。鎳原子發現在高溫時會擴散與鉑形成合金,當我們在進行0.8到3.0個鎳原子層熱處理時,結果發現當鎳的厚度愈高,鎳與鉑開始形成合金的溫度也就愈高。為了提高系統鎳超薄膜的膜厚準確度,我們利用兩種理論模型來計算並決定鎳超薄膜膜厚。此外,當經過高溫回火的鎳/鉑(111)表面經由離子濺射技術後亦發現表面組成大多為鉑原子所佔據,此部分確立了鎳原子與鉑原子形成合金的事實。 第二部分我們在鎳/鉑(111)表面上覆蓋銀原子層來研究鎳鉑合金形成因其所受到之影響並與未加銀原子層來做比較。結果發現,覆蓋銀原子層的鎳薄膜層必須上升到更高溫時才與鉑原子形成合金,而且銀原子層在熱處理的過程中並不擴散進入基底且都位於表面的最上層,更有趣的是我們發現在1 ML Ag/1 ML Ni/Pt(111) (ML:原子層)的樣品中經由高溫處理後形成有趣的(2×2)表面超結構,經由晶格常數計算、以及離子濺射實驗後,我們初步推斷最上層的銀原子以1/4的覆蓋率形成(2×2)超結構之後剩餘的3/4銀原子與最上層的1/4殘餘鎳原子形成Ag(75%)Ni(25%)的合金原子層,剩餘的則為鎳鉑合金層。 第三部分我們利用表面磁光科爾效應來探測鎳超薄膜在鉑(111)表面上的磁光性質。鎳超薄膜在諸多系統中都發現具有dead layer的磁性質,故當我們在磊晶過程中探測鎳薄膜的磁光訊號中發現,將近有7層覆蓋率的鎳原子在室溫裡是沒有磁性的,累積到將近24層的鎳原子測得之最大科爾旋轉角也只有0.02º,並且在熱處理的實驗當中,我們發現膜厚與系統的居禮溫度有很大的關連性,甚至極有可能低於室溫。 此外,當磁性超薄膜鎳/鉑(111)表面間加進鈷原子層後,初步發現鎳原子會有初期升溫的過程中先與鈷原子在鉑表面上混合,高溫時再擴散進入鉑基底的特性。經由深度分析的實驗,雖然證明了鎳鈷原子都會與鉑形成合金,但是我們發現鎳原子卻擴散的比鈷原子更為深層。1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)樣品在垂直磁光效應的測量中,也同樣發現在鎳鈷原子混合時磁光訊號有微量的增加,然而之後主要的磁光訊號大增主因來自於鈷鉑形成合金所致,科爾旋轉角在高溫回火後增加為原先的兩倍之多,當我們對於1 ML Ni/1 ML Co-Pt 合金表面進一步的研究中發現,系統的居禮溫度隨著鎳鉑原子在表面的相對組成而有強烈的變化,而且接近甚至低於室溫,在表面化學組成計算後可以初步推論,若鉑原子含量在表面層愈多、鎳原子愈少的狀況下,系統的居禮溫度就愈低。結果發現,1 ML Ni/1 ML Co-Pt 合金表面樣品在經由830 K高溫回火後所測得之系統居禮溫度為275 K,此時所對應的表面化學組成為Pt(69%)Co(29%)Ni(2%)合金層。 最後,鏡射系統1 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)的磁光訊號測量也發現許多有趣且不同於1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)系統的物理現象,在升溫的過程當中發現,特定的溫度範圍對於兩種系統有著截然不同的行為,我們發現在600 K到725 K的磁光訊號變化中對於Ni/Co/Pt薄膜有一極大值,然而對於Co/Ni/Pt薄膜卻發現有一極小值。此外,Co/Ni/Pt薄膜發現具有比Ni/Co/Pt薄膜更大的的矯頑磁場,我們初步認為這些有趣的物理現象來自於表面鎳鈷鉑原子的相對組成,以及許多特定穩定合金結構的形成,所以當我們又利用紫外光電子能譜來觀看這兩種磁性超薄膜系統經過高溫熱處理後時,我們可以確定表面原子態大多來自於鉑原子,換句話說,高含量的表面鉑原子是促成系統具有相當低的居禮溫度的主因。Item 異相催化劑反應之理論計算研究: 乙醇重組反應與Fischer-Tropsch合成反應(2014) 徐慈瑛; Cih-Ying Syu乙醇蒸氣重組被視為一種產氫的重要反應。在本篇論文第三章中,我們利用理論計算探討貨幣金屬(Cu、Ag、Au)在進行乙醇蒸氣重組反應中的強氧化性與高乙醛選擇率的反應路徑研究。從計算的能量發現,貨幣金屬傾向選擇活化能障較低且放熱較多的部分氧化路徑。利用電子結構分析,發現d軌域被填滿的貨幣金屬能有效率地將電子傳遞至O和OH,使O和OH的p軌域提升,降低氧化反應步驟的能障。在本篇論文第四章中,我們探討Rh金屬的蒸氣重組反應機構以及氧在反應中所扮演的角色。從反應機構的計算發現,CH3CHO*和CH2CH2O*為關鍵的中間產物,中間物反應生成CO(g)、 CO2(g)的氧化步驟能障高,被視為速度決定步驟。氧扮演旁觀者所造成的adsorbate effect,可以降低速度決定步驟的活化能。在動力學上的分析也獲得與實驗上一致的結果。因此,我們合理推測:Rh-based催化劑的可藉由合適的添加物,提高載氧能力,作為乙醇重組反應催化劑時可獲得更好的效能。 本篇論文的第五章是探討Fischer-Tropsch合成反應(以下簡稱F-T合成反應),在Ru(0001)和Co(0001)表面,計算CO的活化反應、CHx(x=1~3)的氫化反應、C-C單體結合反應及C-H鍵結/解離終止反應等機構的探討,找出Ru和Co催化反應機構的差異,並添加1A金屬Na於Co表面,探討Na對吸附物的影響,進一步提出Co催化劑的改良辦法。從計算結果顯示,不論在Ru(0001)還是Co(0001)表面,CO 並不會氫化生成COH,反而傾向直接解離或是生成中間物CHxO再解離C-O鍵。CHx (x = 0~3)的選擇性,在Ru(0001)以CH 佔大多數,在Co(0001)表面則是CH和CH3。在Ru(0001)表面C-C 單體結合反應,傾向以CH2 + CH2 的方式進行。而在Co(0001)表面則可能以CH2 + CH2、CH + CH或CH+CHO的方式進行。從終止反應的探討發現,不論是CHx還是C2Hy的氫化終止反應,Co表面皆為動力學與熱力學上穩定的。最後,添加Na金屬於Co可以使含氧化物的吸附能提升,穩定CO、HCO、HCHO等吸附物,降低C-O解離的能障。另外,添加Na並不會增強CHx(x=1-3)的吸附,可以保留Co表面上C-C鍵結速率較快的優勢。綜合上述結果,合理推測:添加對氧吸附能力大於碳的金屬,或是將Co金屬吸附於擁有氧空缺的氧化物支撐物上,能有效提升Co催化劑對高碳數產物的選擇率及減少含氧化物的產生。Item 以即時性漫反射傅立葉轉換紅外光譜儀探討乙醇氧化蒸氣重組在(Co, Rh)/(CeO2, YSZ)上之反應機制(2019) 林澤蒲; Lin, Tse-Pu在我們目前的研究中,我們使用即時性漫反射傅立葉轉換紅外光譜儀(in situ DRIFTS IR),系統式的檢測不同水醇比和氧氣比例之(Co, Rh)/CeO2和Rh/(CeO2, YSZ)催化劑在乙醇氧化蒸氣重組的反應,而我們透過這方式,來推測不同催化劑以及不同反應條件下之反應機構。催化劑使用含浸法合成,並透過X-ray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)和光電子能譜儀 (XPS)來鑑定其晶格、成分以及氧化態。比較(Rh,Co)/ CeO2的乙醇氧化蒸氣重組反應,我們的結果發現,在Rh / CeO2上容易快速脫氫而形成酰基陽離子(CH3CO)中間體,進而分解成CH4和CO,顯示了Rh擁有優良的斷碳碳鍵活性。比較Rh /(CeO2 ,YSZ)上的反應,Rh / CeO2上的大量CO脫附,確定了氧化物載體的優良儲氧能力;另外,乙醛與乙酸顯著的反應,對於Rh / CeO2催化劑產生CO2也有明顯的影響,這也代表著它有助於氧化的過程。而反應的結果顯示,大量的水氣比例增加會使氫氣的產率升高以及得到較低的CO和較高的CH4選擇率,而較高的氧氣含量,會使得反應產生更多的氧化產物,比如CO和CO2。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。