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 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。Item 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。Item 石墨烯插層對Co/Cu薄膜的磁特性影響研究(2016) 張育杰; Chang, Yu-Chien本研究在水溶液環境中利用電化學的方式成長Co薄膜在Cu(100)及graphene /Cu上並進行磁性量測,再加入紫精酸的異質介面,研究Co薄膜在不同的介面對磁特性的影響,其中使用循環伏安法量測其成分組成,並使用磁光柯爾效應進行磁性量測。發現5至20 nm的Co薄膜在Cu(100)及graphene/Cu表面上成長,隨著厚度上升皆表現出縱向方向為磁化易軸,接著進一步分析縱向的磁滯曲線可以得到其飽和磁化量、殘磁、方正度以及矯頑力。Co/Cu(100)於不同電位測量時,其飽和磁化量、殘磁、矯頑力並無明顯的變化,而Co/graphene/Cu上則在特定的厚度會產生雙磁滯曲線疊加的現象,並且隨著電位可以控制其磁特性,比較石墨烯插層對Co/Cu薄膜的矯頑力影響,發現在任何電位下Co/Cu(100)薄膜的矯頑力皆大於Co/graphene /Cu薄膜。而後在Co/Cu(100)上覆蓋紫精酸會使得較薄的Co膜其飽和磁化量與殘磁下降且矯頑力上升,但是至12 nm以上時便不受影響,然而Co/grap hene/Cu於不同電位測量時,覆蓋紫精酸並無明顯變化。此研究發現在紫精酸及石墨烯之異質介面對Co薄膜受電位控制時的磁特性有微小的變化,對於開發電控制磁性元件附有應用潛力。Item 異相催化反應之理論計算研究: 甲醇-d4分解反應與Fischer-Tropsch合成反應(2015) 陳惠榆; Chen, Hui-Yu本論文包含兩個異相催化反應之理論計算研究:甲醇-d4在Rh催化劑分解反應及Fischer-Tropsch(F-T)合成反應。在第一個主題中,我們計算甲醇-d4在Rh(100)、放大的Rh(100)e及球狀Rh38表面,脫氫產生CO及D2分子的反應路徑,與表面大小的相關性,且與真空實驗系統做比對。由計算結果得知,在小的表面Rh38,甲醇-d4斷O-D鍵的活化能降低,使甲醇-d4容易分解,其結果與實驗觀察一致。此外,我們計算Rh表面及團簇上CO數目對吸附能的影響。CO吸附行為在平坦Rh(100)及球狀Rh38兩種表面差異甚大,在平坦的Rh(100)及Rh(100)e表面,CO分子垂直吸附於表面,然而,在球狀Rh38表面,CO分子吸附為輻射狀,此吸附結構會造成CO在球狀Rh38表面分子間作用力較小;因此,隨著CO覆蓋率上升,在Rh38表面吸附能下降幅度較Rh(100)表面為平緩。 在第二個部分中,我們探討Fischer-Tropsch (F-T) 合成反應在Ru(0001)和Co(0001)表面的反應機構。根據計算結果可知,不論在Ru(0001)還是Co(0001)表面,CO傾向生成中間物CHO;在Co(0001)表面,CHO會繼續氫化生成CH2O及CH3O,但在Ru(0001)表面則是傾向斷C-O鍵。此兩表面路徑差異,對應在Co催化劑上有高的CH4選擇率,而在Ru催化劑則是生成含碳長鏈產物。因此,我們利用物理方法:改變表面粗糙度,及化學方法:表面加入promoter,增加Co催化劑活性作為改善。在物理方法中,我們計算波浪狀(11-20)及(1-100)表面,發現CO斷鍵在此兩表面更為容易,減少CH4選擇率。在化學方法中,探討加入Na及K金屬的Co(0001)表面,由計算結果得知,Na及K提升CHO的C-O斷鍵能力,大於氫化能力,增加F-T合成反應活性。Item 利用密度泛函理論與動態蒙特卡羅法研究Fischer-Tropsch合成反應(2015) 盧俊宇; Lu, Chun-Yu本篇論文是探討Fischer-Tropsch合成反應(以下簡稱F-T合成反應)路徑機構,利用密度泛函理論與動態蒙特卡羅模擬實驗上以Ru(0001)和Co(0001)表面作為催化劑的化學機制探討。我們先以密度泛函理論計算所有事件中間產物,從CO和H2反應形成C1(甲烷)和C2(乙烯、乙烷)等產物的吸附最佳位置,以及利用微動彈性帶方法找出各反應事件的活化能。所得吸附能和活化能讓我們適用於動態蒙特卡羅模擬實驗,並且可以揭示反應機制變化以及反應產物的選擇率。由動態蒙特卡羅模擬找出Ru和Co催化反應機構的差異,發現Ru(0001)與Co(0001)表面進行F-T反應在起始活化CO反應皆選擇氫化產生CHO路徑,在Co(0001)表面上我們可以看到CHO中間產物可以進一步氫化產生CH2O或CH3O,或是直接型CO鍵斷裂行成CHx產物群聚於表面,所得CHx具有氫化生成CH4的更好機會。而Ru表面趨向CHO的斷氧反應產生CH中間產物聚集於表面利於碳長鏈加成為C2產物,與Co表面最大的不同便在於此,我們也看到在同溫度的情況下,產率方面以Ru表面較好。因此我們探討了400~520K的溫度對兩表面的產率變化,發現隨著溫度上升,長碳鏈的選擇率也上升,以及針對於Co表面的改良,讓表面能脫離卡在CHO與CH2O的加脫氫反應的產率干擾現象,也得到了更高的長碳鏈產率,從動態蒙特卡羅模擬的結果,我們合理推測:在CHO中間產物的加氫生成CH¬2O以及斷氧產生CH的路徑與F-T反應長碳鏈產物的選擇率關係密切,因此只要在這個步驟上能有效的改良便能使F-T反應的轉換效率提升。