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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    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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    鐵/銥應變能與銀/石墨烯/鈷/銥異向能探討與磁性研究
    (2019) 謝振源; Hsieh, Chen-Yuan
    本論文包含兩個研究系統,一個是鐵/銥(111)系統,另一個是銀/石墨烯 /鈷/銥(111)系統。在鐵/銥系統研究中,根據磁光柯爾效應儀量測的結果, 當鐵薄膜厚度為三個原子層時,系統呈現非鐵磁性的行為,當鐵薄膜厚度 大於三個原子層後,磁光柯爾效應儀才量測到磁滯現象,並且磁化強度會 隨著薄膜厚度增加而呈線性增加。搭配低能量電子繞射儀的實驗結果,鐵 薄膜厚度在三個原子層以內時,繞射亮點的圖形是1 × 1結構,代表此時鐵 薄膜為面心立方結構,而隨著鐵薄膜厚度大於三個原子層時,在原來繞射 亮點的附近出現衛星亮點,這樣的結構是 Kurdjumov-Sachs 組織,即體心 立方(110)與面心立方(111)重疊的結構。由於結構上有所變化,而這變化在 一般情況下會是一個連續變化,所以系統結構會有一定的伸張或收縮,故 利用應變能計算做為理論模型,發現當系統累積的應變能大於鐵的面心立 方結構之表面自由能時,鐵薄膜無法再繼續成長面心立方結構,此時結構 的成長會變回塊材應有的體心立方結構。 在銀/石墨烯/鈷/銥系統研究中,利用歐傑電子能譜儀量測各層的歐傑 訊號,繪製出不同結構對歐傑訊號圖,來判斷銀和石墨烯經由熱退火後會 移到鈷薄膜的上方。而由於電子在移動的時候會因為非彈性碰撞有所影響, 故利用歐傑電子能譜儀量測到的鈷歐傑訊號做模擬,發現鈷薄膜到七個原 子層都還是層狀結構,因為石墨烯與非磁性覆蓋層接觸會改變異向能,故 利用磁光柯爾效應儀量測系統磁性,發現鈷薄膜的垂直磁化層厚度增加, 並利用異向能計算公式發現介面異向能從沒有銀的 1.59 mJ/m2 提升為 3.12 mJ/m2。希望從異向能提升來推測整個系統是具備 Dzyaloshinskii−Moriya Interaction,故將利用計算出的異向能數值帶入出 Dzyaloshinskii−Moriya interaction 造成的局部反向場的方程式進行計算,在計算的過程中得到上 下 介 面 的 Dzyaloshinskii−Moriya 密度值 , 建 構 出 不 同 厚 度 下 Dzyaloshinskii−Moriya Interaction 造成的局部反向場的數值變化。 期望能藉由各項數值計算來量化不同情況下的系統並搭配實驗結果來推演 至其它系統上,且提供預期系統會有何種物理現象的一個計算管道。在結構出 現應變的系統上,利用應變能計算將結構轉變的厚度計算出來,在磁性系 統中,利用異向能計算得出垂直磁化層數,並搭配 DMI 計算,將系統磁性 要考慮的因素納入,完善磁性薄膜的理論計算。
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    鈷/石墨烯的電化學與磁特性研究
    (2020) 楊廷勛; Yang, Ting-Xun
    本實驗利用原子力顯微鏡及磁光柯爾效應儀,對於濺鍍鈷成長於商用石墨烯/銅樣品,研究鈷/石墨烯的微結構對磁特性及電位磁控制之表現。本研究發現奈米級的濺鍍鈷薄膜成長於石墨烯樣品呈現出縱向磁異向性,同時透過磁光量測及原子力顯微鏡的確認發現該商用石墨烯/銅樣品表面具有規則化的刻痕,由於形狀異向性的影響,其縱向磁化產生了二對稱的面上難軸與面上易軸,而本系統的矯頑力隨著鈷厚度漸增,直到30 nm時達到穩定。 因此本研究群挑選20及30 nm的鈷/石墨烯樣品放入電化學反應槽進行電位磁控制的研究,然而已知不同的樣品在化學溶液中會產生各種氧化還原的變化,因此透過循環伏安法對鈷/石墨烯樣品進行研究是不可或缺的。本研究採用了溶液10及100 mM KCl分別加入0.1 mM HCl,發現了鈷及銅的氧化還原電位、氯離子吸附與退附電位以及HER反應電位,同時與能斯特方程預估的相同,較濃的溶液將使得氧化還原電位上升。 根據循環伏安法的研究結果,於是在電位磁控制的研究中將分成三個部分進行說明,分別是濃度、電位以及氯離子吸附對矯頑力的影響研究,並且分別選擇了不反應的電位區間及氯離子吸退附電位進行比較。可以明顯的發現濃度、電位較高以及未吸附氯離子的樣品表現出較高的矯頑力,這些現象共同表現出電雙荷層對於樣品表面磁異向能的影響進而產生矯頑力的電位磁控制特性。特別值得一提的是上述的電位磁控制研究皆為可逆控制,這對於其元件開發顯示出優異的應用價值。 關鍵字: 鈷 、石墨烯、電位誘導磁異向性、循環伏安
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    鈷在矽(111)和鍺(111)表面與雙羧基紫精在銅(100)表面上的表面結構變化研究
    (2009) 蔡松麟; Sung-Lin Tsay
    此論文主要分為兩個部分,第一個部分的實驗,為鐵磁性物質鈷原子被蒸鍍在矽(111)-7×7與鍺(111)-c(2×8)表面上,隨不同加熱退火的溫度處理後,利用超高真空掃描穿隧顯微鏡(UHV-STM)與低能量電子繞射儀(LEED)來研究鈷島成長行為。第二個部分的實驗藉由電化學掃描穿隧顯微鏡(EC-STM)與循環伏安法(Cyclic Voltammetry, CV),研究有機分子雙羧基紫精 (Dicarboxylatic Viologens)在銅(100)與HOPG表面上隨著溶液偏壓而發生相變的行為。相變會因為外在環境的影響而發生,如同利用加熱退火使得鈷島産生結構的改變,與溶液在外加偏壓下驅使Violognes分子重新排列形成新的排列。 當鈷被蒸鍍在矽(111)-7×7與鍺(111)-c(2×8)表面上,在鈷鍍量低時,表面上出現因為鈷矽與鈷鍺形成合金時所出現的缺陷,為了確認這些缺陷的確是因為鈷與矽形成反應,把鈷鍍在低溫的矽表面,在回溫過程時發現當鈷與矽形成反應時造成缺陷的出現,此反應出現在126K到130K之間。600K的加熱退火之後,會出現Co5Ge7的合金,另外鈷在鍺上有機會形成具有√13×√13 R14°週期性的表面結構,但是出現機率小,所以此結構的週期在LEED上沒有呈現出來,之前也沒有任何的研究發現。當鈷與矽或與鍺形成反應後所呈現的磁性強度遠比單純鈷還來得小,所以銀被選為緩衝層避免鈷與底下的基底反應。在鈷鍍量低時,鈷無法形成2維並且具有週期性的結構在矽(111)-√3×√3表面上,然而鈷能夠形成√13×√13 R14°與2×2的表面結構在鍺(111)-√3×√3表面上在經過加熱退火的處理後。只有當鈷鍍量大於1.8單層之後,才有辨法形成1×1的表面結構在銀/矽(111)-√3×√3表面上。因為銀/矽(111)-√3×√3面具有未滿足的電子態,所以使得鈷在低鍍量時,無法形成具有週期的表面結構,鈷傾向滿足那些未滿足的電子態來降低表面自由能而不是形成2維島,但是當鍍量增加時,鈷不受到那些未滿足的電子態的影響而形成1×1的表面結構,除此之外基底鍺也扮演著重要的角色使得鈷能夠形成具有表面結構的2維島,因為同樣是√13×√13 R14°的表面結構能夠在Si(111)-7×7與矽(111)-√3×√3表面形成,進一步發現√13×√13 R14°與2×2的表面結構跟加熱退火的溫度和鈷的鍍量有關係造成兩種結構的相變。為了避免因為銀/矽(111)-√3×√3表面上的未滿足電子態而使得鈷無法形成具有週期性的2維鈷島,約6單層鍍量的銀鍍在100K的矽(111)-7×7表面上,再經過加熱退火至300oC後,銀能夠形成平坦的表面在矽(111)-7×7表面之上,然後再鍍上鈷,發現依然無法形成具有週期性的2維鈷島,所以是否能夠形成具有週期性的2維鈷島主要是受到鍺基底的影響。 濃度0.1mM的雙羧基紫精在銅(100)表面上發現6種排列的模式,雙羧基紫精在氧化態(+2)時程現出平均分佈的點陣排列與傾斜的排列,在此氧化態時雙羧基紫精的含氮雙芽基平面平行表面,因為+2的氧化態與基底陰離子層氯/銅(100)-c(2×2)之間的作用比分子之間還來得強,在還原態(+1)時分子之間傾向以面對面的方式排列( )形成條紋的圖案,主要發現了亞穩態與鬆散的條紋排列和緊密的條紋排列與雙分子排列,這麼多的排列方式主要是因為此雙羧基紫精具有7個長度的烷基鍵,因此在空間與分子之間作用力的影響下造成了多樣的排列。更進一步發現雙層的堆積在亞穩態時就已經形成了,這是因為氮與氧之間的氫鍵作用力所造成的,所以當溶液濃度升高至1.0 mM時,分子多層堆積的成長被發現,此外也發現了不同陰離子層對分子的排列造成影響,當陰離子層為氯離子時,可以發現然亞穩態,然而當陰離子層為溴時,並沒有發現此態。
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    鎳/鈷/鉑(111)及鈷/鎳/鉑(111)系統其結構與磁性性質之研究
    (2006) 何慧瑩; Huei-Ying Ho
    本研究論文主要是利用歐傑電子能譜儀(Auger electron spectroscopy; AES),低能量電子繞射儀(low-energy electron diffraction; LEED),紫外光能譜術(ultra-violet photoemission spectroscopy; UPS)、以及磁光柯爾效應儀(magneto-optical Kerr effect; MOKE) 來研究Ni/Co/Pt(111) 及Co/Ni/Pt(111) 鏡像系統其成長模式、合金形成及表面磁性的關係。 根據LEED(0,0)光束強度及AES訊號強度隨蒸鍍時間變化的關係,我們得知在室溫條件下,無論是Ni超薄膜在1 ML Co/Pt(111) 上成長(ML: monolayer),或者是Co超薄膜在1 ML Ni/Pt(111)上成長時,都會先形成2層的層狀成長之後才開始3維的島狀成長。對此二系統而言,其升溫形成合金的過程都可被分成2階段,首先是升溫過程中,Co和Ni會先混合,然後Ni-Co混合層在更高溫時會擴散進入Pt基底,形成Ni-Co-Pt合金。其中,1-3 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)系統開始產生Ni與Co混合的溫度皆為420 K,此溫度與Ni覆蓋層的厚度無關;然而對1-3 ML Co/1 ML Ni/Pt(111) 系統而言,產生Ni與Co混合的溫度隨Co覆蓋層的厚度增加而升高。此二系統的Ni-Co混合層開始擴散進入Pt基底形成Ni-Co-Pt合金的溫度,皆隨著覆蓋層的厚度增加而升高。 我們同時也量測在室溫成長時,其磁性隨覆蓋層厚度變化的關係。1層至24層Ni超薄膜在1 ML Co/Pt(111) 成長時,其磁化易軸(the easy axis of the magnetization)會在垂直樣品表面的方向,具有很強的垂直磁異向性(perpendicular magnetic anisotropy; PMA);1至3層Co原子層蒸鍍在1 ML Ni/Pt(111)上,無論是垂直或者是平行樣品表面我們皆量測不到磁滯的訊號,此現象可能與Ni緩衝層阻隔了Co與Pt接觸有關。樣品經過升溫效應所產生的磁性變化其擴散過程一致。經過高溫處理過後的樣品形成了Ni-Co-Pt合金,合金的矯頑力(coercivity)大小可經由升溫時產生的合金濃度變化來控制。 根據比較1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)與1 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)的實驗結果,我們發現當退火溫度(annealing temperature)介於750 K 和780 K之間時,表面合金結構會由NixCo1-xPt轉變成NixCo1-xPt3,藉由計算接近居禮溫度(Curie temperature)時的值(critical exponent),我們得知此時表面的磁性結構亦由2維磁性結構的轉變成3維磁性結構,並且,在表面合金結構由NixCo1-xPt轉變成NixCo1-xPt3之時,居禮溫度隨退火溫度升高而下降的現象變得更明顯。此外,在相同退火溫度條件下,1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)系統的居禮溫度一直比1 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)系統的居禮溫度高,我們認為這種現象與Ni、Co的成分比有關。我們也經由研究2 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)、2 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)、12 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)、以及24 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)等系統來探討Ni、Co的成分比對居禮溫度的影響。 另一組鏡像系統,2 ML Ni/2 ML Co/Pt(111)和2 ML Co/2 ML Ni/Pt(111),經過退火之後,我們意外地發現樣品產生了spin reorientation transition (SRT),這種現象在以1層Co及1層Ni當作緩衝層的系統中,完全沒有被發現過。我們認為Ni、Co的成分比及其分佈的均勻度應是造成此現象的重要因素,在本論文中我們會加以討論。
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    雙羧基紫精對 Co/Cu(100) 薄膜的磁性影響研究
    (2012) 周依函
    本研究利用電鍍的方式成長鈷薄膜於銅(100),並量測其磁性表現,之後加入紫精酸分子於水溶液中,探測其磁性表現,並改變基底電位做一系列磁性表現之研究。首先,以紫精酸加入鹽酸水溶液中,了解紫精酸吸附於基底銅之情形,發現以負電位方向掃描可以使表面上的紫精酸排列較為一致。再者,研究鈷吸附於銅表面上,發現在銅臺階邊緣容易有鈷的吸附,且較難退吸附;而在銅臺階上較少鈷的吸附,且較易退吸附。嘗試以不同電位電鍍鈷薄膜,發現在-1050毫伏電鍍,形成的鈷薄膜較為平整,量測其磁性其矯頑場較小;以-1150毫伏電鍍鈷,形成的鈷薄膜表面起伏較大,薄膜之矯頑場較大。綜合以上條件,以-1050毫伏電鍍鈷薄膜,再將基底電位至-850毫伏、-800毫伏、-750毫伏、-700毫伏量測磁性,發現隨基底電位改變,薄膜之矯頑場變大,證明在這一簡單的單一磁性薄膜系統之磁性表現,可藉由水溶液中電位之改變來調變。接著,以相同的薄膜,將水溶液中加入紫精酸分子,同樣將基底電位設定為-850毫伏、-800毫伏、-750毫伏、-700毫伏量測其磁性表現,發現隨電位改變薄膜之矯頑場會變大。比較相同層數的鈷薄膜,在相同電位下,水溶液中含紫精酸時的矯頑場較小,表示薄膜與水溶液之介面會影響薄膜磁性的表現。
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    紅熒烯/鈷雙層結構在矽(100)上的結構與磁性研究
    (2012) 許智瑜
    我們利用原子力顯微鏡(AFM)、磁光柯爾效應儀(MOKE)以及與外校合作的X光繞射儀,去探測磁控濺鍍的鈷(cobalt)與蒸鍍的紅熒烯(Rubrene)在矽(Si)(100)基板上的結構與磁性,首先第一部分探討單一種材料Co/Si(100)與Rubrene/Si(100)的磁特性、表面結構以及整體結構,鈷有hcp結構,紅熒烯有網狀結構且在450 K與550 K兩個溫度退火後,結構變差。再來第二部分兩種材料順序不同分成三組,第一組Co/rubrene/Si(100)、第二組中間Rubrene退火Co/Rubrene-550k/Si(100),以及第三組Rubrene/Co/Si(100)三組,磁特性與結構的不同,以及結構與磁性的相互影響。第一組與第二組矯頑力與表面粗糙度相關,表面粗糙度越大,矯頑力越大。第三組上層紅熒烯薄膜會衰減殘磁與飽和磁化量的強度。最後一部分由於應用元件常以多層膜方式來製作,可以增進由介面效應所引致的特殊磁特性,以及增進各磁性層間的交換耦合作用影響,第三部分分析多層膜(20 nm Rubrene/40 nm Co)7/Si(100)的磁性與結構,每一層鈷的結構再蒸鍍上紅熒烯後都會重新恢復平坦表面,且矯頑力更小。
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    鈷在銀/鍺(111)-c(2×8)及鈷在銀/鍺(111)-(√3×√3)及(4×4)表面的結構衍化
    (2012) 徐仲俞; Hsu,Chung-Yu
    我們利用歐傑電子能譜(Auger electron spectroscopy,AES)、低能量電子繞射(low-energy electron diffraction )來深入探討銀在鍺(111)-c(2×8)及鈷在銀/鍺(111)-(√3×√3)R30°及(4×4)隨著不同退火溫度下表面的結構衍化。 室溫下,銀原子在鍺(111)的成長模式為層狀成長之後再以三維島狀的Stranstri-Krastanov (SK) mode。室溫蒸鍍不同鍍量的銀在鍺(111)-c(2×8)上並退火到420 K至930 K之間,隨著溫度上升至570 K,超過1 ML的銀原子會退吸附直到剩下1 ML的銀,最後在退火溫度為930 K時,銀原子會完全退吸附。在退火過程中,隨著不同的退火溫度及銀鍍量,銀/鍺(111)的結構,由原本的c(2×8)分別會形成(1×1)、(3×1)、(4×4)或(√3×√3)R30°的結構。 室溫蒸鍍鈷在銀/鍺(111)-(√3×√3) R30°及(4×4)上並退火到420 K至930 K之間,鈷在銀/鍺(111)-(√3×√3)R30°及(4×4)的結構上,在退火溫度570 K時,鈷會形成(√13×√13)及(2×2)的重構,而在退火溫度為650 K和730 K時,鈷都是形成(2×2)的重構,在退火溫度為830 K時,鈷原子會退吸附,此結果顯示鈷與基底不會形成合金。
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    鈷及鐵薄膜於鎢(111)表面上的結構與磁性
    (2011) 林奕成; Yi-Cheng Lin
    在本篇報告中我們於100K的溫度將鈷或鐵蒸鍍在鎢(111)的表面並升溫至室溫後,藉著低能量電子繞射以及磁光柯爾效應探討其結構與磁性,此外我們將呈現樣品熱處理過程中所觀察到的特殊磁現象。
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    新穎材料 Cs2Nb4O11 與 MexMn1-xS ( Me = Co, Gd ) 之光譜性質研究
    (2010) 黃俊儒; Chun-Ru Huang
    們研究Cs2Nb4O11單晶樣品的光譜性質。Cs2Nb4O11於165 ℃展現反鐵電相轉順電相的相變,第一原理理論計算顯示,氧八面體中心的Nb(4)與Nb(5)的位移為相變主要機制,NbO6八面體沿著c-axis位移而造成氧原子週遭的環境不同,受到其它原子的吸引或排斥,所以高溫橢圓偏振光譜 ( T = 165 ℃) 顯示氧原子2p軌域上的電子躍遷至鈮原子3d軌域所需要的能量( 4.95 eV與6.07 eV )受到了影響。 其次,我們研究MexMn1-xS (Me = Co, Gd)多晶樣品的變溫拉曼散射光譜。隨著摻雜Co離子濃度增加,CoxMn1-xS樣品顯現值得注意的重點包括(i) 840 cm-1拉曼峰有藍移的現象;(ii) 840 cm-1拉曼峰隨著溫度降低有紅移的現象。我們推測840cm-1拉曼峰與小極化子機制有緊密的關連性,經由小極化子的理論分析顯示出其束縛能隨著居里溫度的降低而增加。此外,位於1000 cm-1的拉曼峰在溫度低於尼爾溫度時,其拉曼峰權重會上升。以上這些實驗結果驗證材料為具有複雜自旋-聲子交互作用的系統。