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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    單層六方氮化硼中穿隧摩擦電荷動態之研究
    (2024) 王瑞禧; Wang, Ruei-Si
    在本研究工作中,我們探討了單層六方氮化硼在帶電摩擦過程中,穿隧摩擦電荷注入、儲存與耗散現象。我們使用原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)操控帶有偏壓的導電式探針在單層六方氮化硼表面進行帶電摩擦,並在摩擦結束後立刻使用克爾文探針顯微鏡(Kelvin probe force microscope, KPFM)量測摩擦區域表面電位的變化。我們發現在帶電摩擦的過程中,導電式探針上的電荷會透過穿隧摩擦起電效應(tunneling triboelectric effect, TTE)由六方氮化硼的結構缺陷穿隧並儲存在下方的空氣層與二氧化矽基板中,造成摩擦區域的表面電位發生變化,而變化的程度可以透過摩擦時施加在探針上的偏壓調控。我們還發現,摩擦區域的表面電位變化會隨著量測KPFM的次數增加而下降,這表示量測KPFM的過程中儲存在摩擦區域的穿隧電荷會反向穿隧被導電探針帶走,導致穿隧電荷逐漸消散。此外,穿隧電荷隨量測次數的消散動態行為會符合自然指數衰退的模型。最後,我們使用氬電漿轟擊以增加六方氮化硼的結構缺陷,並發現帶有較多缺陷的樣品在摩擦過後,穿隧電荷的消散會比原始樣品更快。我們的研究揭示了單層六方氮化硼的帶電摩擦特性,使我們更深入了解其作為元件電極保護層的可能性。
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    在大氣環境下帶電摩擦介面中單層石墨烯和單層六方氮化硼之吸附特性
    (2024) 楊智傑; Yang, Chih-Chieh
    本實驗利用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)研究了二氧化矽基板上的單層石墨烯(Single Layer Graphene, SLG)和單層六方氮化硼(Hexagonal Boron Nitride, h-BN)在滑動摩擦起電區域下的吸附性質對濕度的變化。首先,我們使用導電式原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, c-AFM),在大氣環境下通過帶有偏壓的探針摩擦SLG和h-BN表面,以建立滑動摩擦起電。我們改變五種不同的環境濕度來量測矽探針與摩擦區域間的吸附特性。我們的實驗結果顯示,在SLG表面使用正偏壓進行帶電摩擦後,由於摩擦過程中產生的結構缺陷,將使摩擦過的SLG表面與未摩擦之前相比產生較大的吸附力。然而,當使用負偏壓進行帶電摩擦時,摩擦過的SLG表面的吸附力會顯著高於使用零伏特和正偏壓摩擦後的表面。這是因為當我們施加負電壓進行帶電摩擦時,探針與探針表面間的奈米水橋將會被電解,產生的氫氧根將使得石墨烯表面被氧化並形成大量含氧官能團。這些含氧官能團將會吸收大氣中的水分子,使得矽探針與摩擦區域之間更容易產生毛細水橋並導致更大的吸附力。另一方面,當我們對h-BN表面施加負偏壓摩擦時,與正偏壓和零伏特摩擦後的表面相比,摩擦區域的吸附力沒有顯著差異,這表明h-BN表面沒有像SLG表面那樣發生官能基化的現象。我們的研究結果可能有助於將SLG和h-BN應用於具有帶電摩擦介面的奈米機電元件中。
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    鈷/六方氮化硼-異質結構之表面形貌探討
    (2023) 蔡泓儒; Tsai, Hong-Ru
    由於二維絕緣體材料六方氮化硼 (h-BN) 與塊材結構亦為六方晶體的鈷 (Co) 之晶格結構一致,而且晶格常數的匹配度非常接近,因而此論文專注使用原子力掃描顯微儀 (Atomic Force Microscopy) 研究鈷在六方氮化硼上磊晶成長為薄膜的過程中,其表面形貌如何隨堆疊厚度而演化。本研究使用原子力顯微儀的輕敲模式,分析不同厚度的鈷連續薄膜和鈷微方格在矽基板和六方氮化硼的表面形貌,以及承受不同溫度的高真空熱退火前後的變化。實驗結果顯示,六方氮化硼在濕式轉移於矽基板歷經400度C退火一個小後,可達低於 ±1奈米的表面平整度。鈷薄膜蒸鍍於六方氮化硼,形成平整度約 ±2奈米,經歷400度C退火程序後,會形成較大的奈米島,高低落差為 ±5奈米,橫向尺寸約為數百奈米。此研究顯示,高溫退火對於「鈷/六方氮化硼」的形貌會有非常顯著的影響,這些實驗成果將能夠應用在使用「鈷/氮化硼」異質結構於未來的磁阻元件之中。
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    氧電漿表面處理對少層數二硫化鉬表面特性的影響
    (2023) 張乃勻; Chang, Nai-Yun
    二硫化鉬由於其優異的光學、電性、以及磨潤性質,在未來的微米或奈米機電系統中,有著極大的應用潛力。在製作奈米元件的過程中,氧電漿表面處理是一種常用的表面處理方法。因此,了解氧電漿表面處理對二硫化鉬表面性質的影響是很重要的。在我們的研究中,我們使用了原子力顯微鏡研究化學氣相沉積法所製備出的少層數二硫化鉬經過不同氧電漿表面處理時間後,其表面形貌、表面摩擦力和表面吸附力隨電漿處理時間的變化。我們並藉由拉曼光譜和X射線光電子能譜來觀察二硫化鉬在經過氧電漿表面處理後,其晶格結構的變化與表面氧化的程度。我們發現原子力顯微鏡的探針與二硫化鉬表面間的表面摩擦力和表面吸附力會先隨著氧電漿表面處理時間增加而增加,原因是因為二硫化鉬表面經過氧電漿表面處理後,會產生硫缺陷,因此可能將環境中的水分吸引到二硫化鉬的表面上,使得針尖與樣品表面間形成奈米級水橋,導致表面吸附力量值增加。然而,在經過較長的氧電漿表面處理後,我們所量測到的二硫化鉬表面摩擦力和表面吸附力突然降低。這歸因於二硫化鉬表面上開始形成三氧化鉬,並且會出現多個明顯的裂縫和奈米捲,導致二硫化鉬表面變的十分粗糙。這種粗糙的表面將導致針尖與樣品表面間的有效接觸面積減小,因此造成我們量測到的表面摩擦力和表面吸附力較小。藉由我們的實驗結果可以知道,在元件製造過程中使用的氧電漿表面處理技術,在不同氧電漿處理的時間下,二硫化鉬的表面形貌及奈米磨潤特性都會發生變化。我們的實驗結果將可能應用在製做微奈米機電系統的過程中。
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    官能化聚苯胺薄膜之彈性、摩潤以及結構性質關聯性之研究
    (2021) 江晞賢; Chiang, Hsi-Hsien
    我們利用了原子力顯微鏡研究「正丁硫醇官能化的聚苯胺」,針對聚苯胺薄膜的分子排列有序程度與其彈性模量和摩擦特性的關係進行探討。我們使用攪拌聚苯胺溶液的方式來控制聚苯胺薄膜之分子排列的有序程度,並每攪拌24小時抽取出聚苯胺溶液滴製在基板上以製成聚苯胺薄膜以供研究。聚苯胺長鏈分子在溶液中很容易自我糾纏成團,而攪拌時溶液中所產生的剪切力則可以將自我糾纏的聚苯胺分子拉展開來。因此,在我們滴製聚苯胺薄膜樣品的過程中,已伸展開的長鏈聚苯胺分子便更能在溶劑揮發的時候,自行排列成有秩序的結構。我們也利用了「X光繞射」和「掃描電子顯微鏡」確認了聚苯胺薄膜的分子排列結構,並確定了聚苯胺薄膜在攪拌時間為72小時的時候,具有最有秩序的分子排列結構。隨後,我們使用原子力顯微鏡的「峰值力定量奈米力學應用模式」和「側向力顯微術」測量了聚苯胺薄膜的表面形貌、彈性模量、吸附力變化以及樣品與探針間的動摩擦係數。我們發現,分子排列結構越有秩序的聚苯胺薄膜,其彈性模量越大且動摩擦係數越小。這是因為彈性模量較大的聚苯胺薄膜,其分子排列結構較為緻密,因此當原子力顯微鏡的探針施壓在其表面時所產生的形變程度便較小、對探針所產生的能量耗散也較小,進而導致側向力顯微術測量出較小的動摩擦係數。反之,彈性模量較小也就是較軟的聚苯胺薄膜,其所被測量出的動摩擦係數則較大。綜觀所究,我們成功證實可以利用「調整攪拌時間」的方式控制聚苯胺薄膜結構分子排列的有序程度,進而調控聚苯胺薄膜的彈性及摩擦性質。
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    單層石墨烯表面的接觸起電現象:穿隧摩擦起電、摩擦化學與結構缺陷間的交互作用
    (2021) 黃水德; Huang, Shuei-De
    我們使用原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)及其衍伸技術研究了二氧化矽基板上的單層石墨烯表面的接觸摩擦起電效應。我們藉由使用施加了偏壓的原子力顯微鏡探針摩擦單層石墨烯表面,並觀察摩擦之後的石墨烯表面電位會如何隨著所加偏壓的大小、極性、環境溼度與石墨烯的結構缺陷而變化。我們發現在摩擦的過程中,探針上的電荷可以經由石墨烯的結構缺陷穿隧進入並累積在石墨烯與下層二氧化矽基板之間。我們使用克氏探針表面電位顯微鏡(Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM)量測表面電位以監測累積電荷隨時間的改變。當我們使用+5V偏壓施加在探針上摩擦石墨烯後,摩擦與未摩擦區域表面電位差可以高達500mV,並表面電位會隨著時間逐漸降低,於3500分鐘後約穩定在150mV。然而,當我們在摩擦時使用負偏壓時,摩擦後的表面電位差會快速在500分鐘後消散到接近零,然後漸漸轉為正電位。這是因為當我們使用加了偏壓的原子力顯微鏡探針在環境條件下摩擦單層石墨烯時,其表面會產生摩擦化學反應,在石墨烯表面產生化學官能基,進而影響到摩擦後的表面電位。此外,我們也使用了氬氣電漿來處理石墨烯,以產生不同結構缺陷程度的單層石墨烯樣品。我們並發現結構缺陷愈多的石墨烯,其表面電位在摩擦後消散的愈快。我們的研究可以將石墨烯應用到新穎的奈米摩擦發電機(triboelectric nano-generators, TENG)之中。
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    因奈米級侷限水膜誘發電洞摻雜的單層石墨烯於二氧化矽基板表面的奈米級摩擦力學之特性
    (2019) 朱恩德; Chu, En-De
    我們研究了因奈米級侷限水膜誘發電洞摻雜的單層石墨烯於二氧化矽基板表面的奈米級摩擦力學性質。我們利用原子力顯微鏡量測電洞摻雜的表面電位以及表面摩擦大小時,並且在表面電位圖與摩擦訊號圖觀察到因奈米級水膜存在而形成的多邊形區域,而且多邊形區域比其四周區域擁有較高的表面電位以及較大的摩擦訊號。存在於單層石墨烯與二氧化矽基板間的的奈米級水膜會使單層石墨烯的電洞摻雜效應,因而產生帶正電且親水性的表面。而親水性的表面則有利於大氣中水分子吸附。因此,當我們在量測摩擦力過程時,針尖與單層石墨烯表面間有奈米級毛細水橋的形成,導致表面的摩擦力與表面吸附力的增加。此外,由於不同表面的濕潤性質,我們分別在多邊形區域內外發現摩擦力對速率關係呈現正相關與負相關。未來,我們若是能調控單層石墨烯與粗糙二氧化矽基板之間奈米級水膜的數量或是液體分子的極性,則可進一步操控單層石墨烯表面摩擦特性。我們的實驗結果將可能應用於微奈米機電系統中的元件中。
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    利用原子力顯微鏡探討細菌細胞壁結構的破壞
    (2013) 陳偉昌
    大腸桿菌受到紫外光照射後,菌體形貌會產生變化,且隨著照射強度增加,菌體形貌的變化也會增加,利用原子力顯微鏡在生物樣品量測的優勢,來了解為什麼菌體會有如此變化。細胞壁是主要維持細胞形貌的因素,而組成細胞壁的結構分別是肽聚醣層與脂多醣層,所以探究肽聚醣層與脂多醣層是否遭受紫外光照射而破壞,是本研究的重點。 本研究利用原子力顯微鏡,在大氣環境下測得,大腸桿菌產生的吸附力做功會隨著照射紫外光的能量提升而下降,這表示維持吸附力的脂多醣層的確受到紫外光照射而破壞 在液態環境下測得,大腸桿菌的有效彈性常數與楊氏模數經由紫外光照射後會下降,利用楊氏模數下降這可以證明紫外光照射,也會產生肽聚醣的破壞。 使用恆定力輕敲式掃描模式系統進行實驗,利用其在液態環境優異的解析度,讓我們在液態環境更精準的量測,實驗結果,其吸附力與楊氏模數的下降,與傳統原子力顯微鏡的結果相同。 使用表面增強拉曼光譜進行實驗,可以發現受紫外光照射的大腸桿菌有許多來自於DNA的訊號,未照射紫外光的大腸桿菌則沒有DNA的訊號,這表示,細胞壁的確受到了損害。 關鍵字:大腸桿菌、原子力顯微鏡、力與距離曲線、有效彈性常數、楊氏模數、紫外光、脂多醣層、肽聚醣層、細胞壁、表面增強拉曼光譜