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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    鎳鐵合金二維磁振子晶格之鐵磁共振譜研究
    (2023) 吳承恩; Wu, Cheng-En
    在這篇研究中,我們回顧了不同形狀、直徑、厚度的Py圓點陣列對鐵磁共振(ferromagnetic resonance, FMR)造成的影響。並且為了提高磁性薄膜的磁性能,對不同的墊材進行研究。在這項實驗中,我們使用了電子束微影技術分別製作薄膜和直徑為5 μm,邊對邊間距為5 μm,厚度為30 nm的鎳鐵合金圓點陣列。並且透過電子束蒸鍍儀系統在室溫條件下成長樣品。我們選擇了共平面波導(Coplanar waveguide, CPW)的樣品結構,利用向量網路分析儀(vector network analyzer, VNA)輸入微波信號,在外加磁場的作用下,測量了鐵磁共振(ferromagnetic resonance, FMR)現象。
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    在雙層材料鉑/鎳鐵合金中的自旋轉矩-鐵磁共振
    (2021) 張祐誠; Chang, You-Cheng
    此實驗研究了鐵磁性材料 (ferromagnetic materials) 的自旋電子學,主要探討自旋軌道轉矩 (spin orbit torque, SOT) 的貢獻,在樣品的選擇上我們選用了鎳鐵合金 (permalloy, Py, Ni_80 Fe_20) 及鉑 (platinum, Pt) 的雙層薄膜材料。在此研究我們所探討的磁性薄膜材料,是指能對外加磁場做出反應,並且厚度為小於1 μm 的鐵磁性材料,透過輸出微波訊號給鐵磁性薄膜材料層,量測材料上的自旋轉矩-鐵磁共振 (spin torque-ferromagnetic resonance, ST-FMR),並對此量測數據進行數據擬合分析。我們選用了共平面波導 (coplanar waveguide, CPW) 的樣品結構,來量測鐵磁共振 (ferromagnetic resonance, FMR) 的現象,透過 Py 材料內部的各異向性磁阻 (anisotropic magnetoresistance, AMR),產生直流電壓訊號 (DC voltage signal),量測此訊號造成的ST-FMR,透過數據分析計算材料的自旋流和自旋霍爾角 (spin Hall angle),並且將樣品降溫至40 K進行測量。
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    磁性異質結構之自旋轉矩鐵磁共振與自旋流轉換效率研究
    (2021) 林啟升; Lin, Chi-Sheng
    本實驗透過電子束蒸鍍儀系統成長出15 nm/15 nm的Permalloy/Platinum雙層磁性材料透過銅箔及金製成的共平面波導(Coplanar waveguide,CPW)輸入微波訊號使樣品產生自旋轉矩鐵磁共振(Spin- torque Ferromagnetic resonance,ST-FMR)時在該結構的兩端量到一個電壓差(Vmix)並推算出其磁化飽和強度(Saturation magnetization,Ms),其在自旋電子學之應用中扮演相當重要的角色,它的實用性和廣泛使用主要是因為它是一種共振現象,其中較有效率的方法則是利用本身具有強自旋軌道耦合(Spin-orbit-coupling,SOC)的材料(如重原子金屬)中所發現的自旋霍爾效應(Spin Hall effect,SHE)。其能產生方向和外加電流垂直的自旋電流。本實驗有助於了解所產生的信號Vmix,由勞倫茲式(Lorentzians)及反勞倫茲式(Anti-Lorentzian)的組合,並透過測量不同頻率與磁場變化的共振磁場相關性比較其他不同製程找出品質穩定且較優良的方法,並分析出我們的自旋轉換效率為0.2044與其他期刊比較有較高的轉換效率,以及對角度變化的依賴性及各項力矩貢獻。
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    坡莫合金次微米圓點陣列之鐵磁共振溫度相依研究
    (2020) 劉書豪; Liu, Shu-Hao
      常見的鐵磁共振實驗通常採用薄膜結構的鐵磁性材料,而週期性結構的鐵磁性材料在鐵磁共振實驗中有其它的吸收峰值,因此我們製作了四種樣品,其中包含一種薄膜結構、三種陣列結構,比較其實驗差異。   將每一個樣品降溫至1.5 K,並且在不同溫度下量測微波訊號與掃磁場的關係,推算出四個主要的參數:α Gilbert阻尼參數、∆H0不均勻線寬、Ms飽和磁化、Hk異向性磁場,即可歸納出每個參數與溫度的關係。   圓點的直徑與間距會影響磁化動力學,導致進動循環的時間有差異。藉由實驗結果可以評論,選擇不同規格的樣品需考量能量上的損耗或是微波訊號上的雜訊。
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    鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究
    (2012) 陳均達; Jyun-Da Chen
    在二氧化矽(SiO2)的基板上,以磁控式共濺鍍(Co-Sputtering)成長20nm及30nm (Co40Fe40B20)1-xCux薄膜,其x分別是0、15、25、35及50。柯爾磁光效應(Magnetic Optical Kerr Effect, MOKE)對樣品做不同角度的量測可得知磁異向性;當參雜Cu比例增時CoFeBCu薄膜的表面磁異向性從二重對稱(2-fold symmetry) 過渡到各向同性。以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)量測樣品表貌,發現隨著參雜金屬Cu增加時,樣品從柱狀排列變均勻分布的顆粒排列,印証了磁異向性的變化。樣品的矯頑力(coercivity)也隨著金屬Cu成分增加而變小;從0.052(Oe)下降至約為0(Oe)。從鐵磁共振(Ferromagnetic Resonance, FMR)分析結果顯示樣品的磁異向性係數Ku(anisotropy constant),隨著參雜金屬Cu成分增加從7.33 (J/m3)下滑至3.33(J/m3),吉爾伯特阻尼係數α(Gilbert damping constant)則隨著Cu成分增加從0.05上升至0.18。
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    利用鐵磁共振及磁光柯爾效應研究鎳鐵與銅及鈷鐵硼與碳六十多層膜
    (2012) 蕭瑄毓
    鐵磁層間的耦合行為奠定了自旋電子學的發展,透過用描述自旋電子動力學的Landau-Lifshitz-Gilbert方程可得到許多關於耦合系統的訊息,例如鐵磁層之交換常數、磁晶異向性係數及有效磁化量等等,而透過鐵磁共振系統可以使我們更容易得到這些磁性參數,本實驗主要研究對稱結構與不對稱結構之鐵磁層(Py)/非鐵磁層(Cu)/鐵磁層(Py)三層膜樣品,討論在鐵磁共振效應下的耦合行為,除了鐵磁層的結構改變外,並同時改變非鐵磁層之厚度,樣品採用磁控濺鍍法製膜,使用柯爾磁光效應量測三層膜之磁滯曲線,觀察磁翻轉過程,並藉由鐵磁共振定頻掃場的量測方式,可以觀察到鐵磁層彼此之交互作用,除了透過Landau-Lifshitz-Gilbert equation,可再利用吸收峰之半高寬可以得到阻尼常數;了解這些係數,可以幫助我們更深入了解其原理更可以對發展自旋電子技術更多的靈感。
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    利用鐵磁共振來研究直流濺鍍NiFe/Cu/NiFe三層膜之磁特性
    (2010) 施名遠
    三層膜(鐵磁/非鐵磁/鐵磁)與多層膜的巨磁阻效應(GMR)主要來自於磁層之間的RKKY 偶合現象。本實驗先假設NiFe/Cu/NiFe 三層膜的自由能項,其中自由能包含︰晶格場、磁異向性能、交互作用能及靜磁能。利用角度鐵磁共振量測FMR 的角度變化關係、磁振儀(VSM) 量測樣品飽和磁化及四點探針量測磁電阻,最後擬合出NiFe/Cu/NiFe 中自由能的磁異向性係數、耦合係數和阻尼係數。 為達成研究目標,我們先建造VNA-角度鐵磁共振儀、一臺具有四支磁控濺鍍槍的超高真空濺鍍系統和加強一臺振動樣品磁力計(VSM)。VNA-角度鐵磁共振儀方面,我們使用向量網路分析儀(VNA)、高Q 值的共振腔來改進傳統鐵磁共振儀單一波段微波與低靈敏度鐵磁共振吸收的缺點。振動樣品磁力計方面,重新製作了VSM 的感應線圈(pick-up coil),新感應線圈增加了1.5 倍的靈敏度,使VSM 能量測到更小更精準的磁化量,並且另外製作新的感應線圈座和加裝了Y 方向的感應線圈,使VSM 能同時量測樣品X 軸方向與Y 軸方向的磁化量。 我們製備了兩系列的樣品,分別為Py10nm /Cut /Py15nm /Si (t 為0.4nm~2nm)、Py10nm /Cut /Py10nm /Si (t 為0.4nm~2nm)。從角度鐵磁共振資料中的兩個吸收峰顯示了三層膜的RKKY 磁層耦合現象,MR 量測到的磁電阻變化率(%)隨著膜厚變化在0.02~0.17(%)之間振盪,VSM 量測到的矯頑場也在3 Oe~10 Oe 間振盪,擬合出的耦合係數也隨著膜厚變化在0.2~0.7 之間呈現振盪。
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    基於網路分析儀之鐵磁共振儀的建製及磁性多層膜高頻共振性質研究
    (2010) 賴韋辰; Wei-Chen Lai
    Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida (RKKY) 等磁層耦合現象在巨磁阻效應(GMR)之中扮演了重要的角色,而這個現象的發現奠定了近代自旋電子學的發展。當系統的自由能己知,用來描述自旋電子動力學的Landau-Lifshitz-Gilbert方程可得到許多關於此系統的訊息。例如:耦合系數﹑阻尼系數﹑鬆弛時間,晶格場以及磁異向係數等等。了解這些係數,不但可以幫助我們探究其原理更可以獲得操控自旋電子,發展自旋電子技術更多的靈感。 鐵磁共振技術在量測這些參數上,是強而有力的工具。 為了研究 Py/Ru/Py 磁性三層膜,我們使用了向量網路分析儀建製了一套鐵磁共振儀。由於向量網路分析儀的特性以及在 X-band下高Q值的共振腔,不需使用傳統鐵磁共振儀的調變相鎖放大技巧來獲得高敏感度。可以直接量測鐵磁共振吸收利用數值方法得到吸收的微分。若需要作別的微波波段的量測,也只需更換共振腔,不需改變硬體配置。 為了成長所需樣品,我們建造了一套具有四支磁控濺鍍槍的超高真空濺鍍系統。此系統具有穩定而低的鍍率,是故樣品的膜厚可達到原子的尺度。我們也翻新了一台振動樣品磁量儀用以量測樣品的飽和磁化,這個性質我們無法藉由鐵磁共振的結果來獲得。 我們備製了一系列的 Py20nm/Rut/Py20nm 樣品 t 的範圍從0.4nm 到 3nm。角度解析的鐵磁共振資料顯示了三層膜的RKKY磁層耦合現象,耦合常數隨著膜厚成振盪的變化。這樣的結果也可以由磁阻量測以及振動樣品磁量儀的結果獲得印證。
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    PLD製作Py(100)/Cu(100)/H-Si(100)薄膜與其磁性行為研究
    (2014) 趙晉鴻; Cing-Hung CHAO
    利用脈衝雷射沉積(Pulsed laser deposition, PLD)法在室溫下製作厚度5nm至100nm之銅與鎳鐵 (Ni80% Fe20%, Py)薄膜於H-Si(100)基板上,Cu(100)為了降低晶格失配度從33.3 %降為5.7 %,故旋轉45度使Cu[100]平形H-Si[110]進行磊晶,樣品經X光繞射實驗確定單晶Cu(100)結構生成。FCC-Py(100)因與FCC-Cu(100)間的晶格失配度為1.7%,因此Py(100)可穩定地磊晶於Cu(100)上。藉由X光ϕ-scan的量測也證實基板與薄膜間的晶向關係為Si [110]//Cu[010]//Py[010]。而[Py/Cu]10的多層膜樣品在X光繞射實驗上發現具有超晶格結構。 在磁性量測上,由LMOKE發現樣品具有單軸磁異向性,並且易磁化軸與難磁化軸分別平行於Py[010]與Py[100],單軸磁異向性可能是由於晶格失配度產生應變,破壞FCC-Py的四重對稱所造成。從這次的研究結果發現,樣品的矯頑場隨著Py厚度的增加從1.7Oe增加到3.0Oe。其他的磁性參數由FMR量測結果經計算得出,阻尼常數當Py厚度為10nm時,有最小值 1.25×〖10〗^(-2),之後分別因為渦電流效應與晶格失配度導致阻尼常數隨著Py薄膜厚度的增加或減少皆為上升。
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    鐵磁共振量測的訊噪比技術提升研究
    (2015) 陳含章; Han-Zhang Chen
    中文摘要 磁性材料的鐵磁共振量測是研究自旋動力特性的一大利器,其原理非簡單,可是商用的共振量測儀非常昂貴,數年前本實驗室成功開發出一臺以網路分折儀(Vector-Network Analyzer; VNA)為基礎的鐵磁共振儀(Ferromagnetic Resonance Spectrometer;FMR),然而它的數據擷取速度與靈敏度都有許多改善空間。因此本論文主要用不同的量測方法與技術來探討鐵磁共振儀的訊噪比(signal-to-noise ratio;SNR)表現,期望找出最佳的儀器量測參數。 VNA-FMR量測速度較慢的主因是VNA內部的數據平均處理慢,每點作十次平均約需0.5 秒,一千點的頻譜便要8分鐘左右,若樣品的訊號較弱則所需的時間更長,數個角度的FMR量測會使電磁鐵過熱而終止實驗。為了加快FMR的量測速度,我們跳過了VNA內部的訊號處理,這時VNA只作為一台提供X-band微波波源的機器,微波經由環路器注入共振腔,經樣品反射再由環路器的另一端進入微波偵測器,擷取偵測器的輸出訊號與外磁場的變化關係便得到FMR頻譜,這時增加了量測速度但犧牲了靈敏度,因此我們再加入調變磁場-鎖相放大技術來提升其靈敏度。由於渦电流(Eddy current)的影響,共振腔內磁場隨調變頻率(fm)增加而遞減,因此在fm =3 kHz時訊噪比表現最佳,這時調變磁場約為5.5高斯。在時間常數tc = 100 ms時,10nm Py的FMR訊噪比高於300,這高於使用VNA-FMR和沒有鎖相法直接測量的結果。若要再增強SNR,需要提高調變磁場到10-20高斯間,因此渦电流的問題需要解决才能達成。 FMR現象可用Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程式來描述,從其解與實驗數據的分析可得到如磁異向性常數、耦合因子、阻尼常數等重要磁性特徵參數,本論文也編寫Matlab程式碼來找出坡莫合金(Permalloy)薄膜的磁性特徵參數。