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 雷射照射下石墨烯/二硫化鉬與六方氮化硼/二硫化鉬雙層異質結構之穩定性(2023) 許聖郁; Hsu, Sheng-Yu本研究使用拉曼光譜及螢光光譜,研究了二硫化鉬和石墨烯/二硫化鉬和六方氮化硼/二硫化鉬等結構在不同雷射功率下的穩定性。結果顯示,在石墨烯/二硫化鉬和六方氮化硼/二硫化鉬等異質結構中,薄膜能夠隔絕大氣並增強二硫化鉬受雷射影響的穩定性。原子力顯微鏡表面形貌和拉曼光譜顯示,經過56 mW、30 mW雷射照射裸露的二硫化鉬後,二硫化鉬會凸起並發生結構變化,並且拉曼訊號在30分鐘後衰減至原本的10 %。結構變化的過程中,A1g和E2g兩個特徵峰會發生紅移,A1g的紅移是由氧化產生的p-dope所引起,而E2g則是由結構變化產生的應變所導致。對於石墨烯/二硫化鉬系統,我們觀察到不同的光譜特徵。在雷射照射過程中,拉曼特徵峰和光致螢光強度並沒有快速下降,這顯示結構變化現象被抑制。而對於六方氮化硼/二硫化鉬30 mW的實驗組中,觀察到拉曼特徵峰和光致螢光強度呈現先上升的趨勢,因此推測在略低於30 mW雷射的環境下,六方氮化硼/二硫化鉬能夠保持穩定。結果顯示石墨烯/二硫化鉬受雷射照射影響的穩定性最佳,六方氮化硼/二硫化鉬次之,未經覆蓋而裸露的二硫化鉬穩定性最差。Item 二硫化鉬超薄膜於光催化二氧化碳還原反應之應用(2021) 廖冠瑋; Liao, Kuan-Wei隨著全球暖化的影響,地球上的環境也發生了巨大的變化,因此若能將二氧化碳有效轉換成碳氫化合物,必定能為地球減少許多負擔,因此本研究利用人造光合成系統將其轉換,作為新興的替代能源,期望能改善環境和能源議題。本論文使用的二維材料為過渡金屬二硫族化合物,並選擇二硫化鉬薄膜作為光觸媒材料。使用熱蒸鍍和化學氣相沉積法來合成三奈米二硫化鉬薄膜於不同基板上,如二氧化矽/矽、氧化鋁、二氧化矽、鈦酸鍶基板,並將這些材料作為光觸媒,並藉由應變效應將其應用在探討二氧化碳光催化還原上。在合成不同厚度二硫化鉬的製程中,我們可以有效的控制二硫化鉬薄膜的厚度,並將其藉由拉曼分析顯示,不同厚度的二硫化鉬薄膜其表面是非常均勻的,且具備良好的可見光吸收波段,並根據實驗結果得知三奈米二硫化鉬薄膜具有最好的光催化效率。並使用不同硫化的製程來將三奈米二硫化鉬薄膜優化,根據拉曼和光激發螢光結果得知,使用硫粉製程的三奈米二硫化鉬薄膜品質是最好的,並根據實驗結果得知其光催化效率比使用硫化氫較高。綜合以上實驗結果,我們選用硫粉製程的三奈米二硫化鉬薄膜,並成長在四種不同的基板上,而這些基板分別為二氧化矽/矽、氧化鋁、二氧化矽、鈦酸鍶基板,並藉由儀器分析,來測定其厚度、應變效應以及能隙大小,根據實驗結果可以得知,當應變較小時,其光催化效率不好,當應變增加到一定值時,其光催化效率為最高,而當應變太大時,其會增加光催化產物選擇性,而這些反應機制值得未來進一步地加以探討。Item 菱形與類四方晶系結構鐵酸鉍薄膜之光譜性質研究(2012) 蔡育仁; Yu-Ren Cai本論文研究多鐵材料 BiFeO3 薄膜 (厚度約為 30 nm) 成長於不同基板 (LSAT、DyScO3、LaAlO3) 的光譜響應。x 光繞射能譜顯示 BiFeO3 成長於 DyScO3 及 LSAT 基板上呈現菱形晶系結構,成長於 LaAlO3 基板上呈現類四方晶系結構。我們量測薄膜的穿透光譜,計算吸收係數,估算 BiFeO3 薄膜成長於 LSAT 與 LaAlO3 基板上室溫能隙值約為 2.58 eV 與 3.08 eV。隨著溫度下降,菱形晶系 BiFeO3 薄膜 (LSAT 基板) 能隙值在低於 100 K 時,明顯偏離理論預測值,此可能與 BiFeO3 塊材於低溫具自旋玻璃態以及晶格不匹配度改變有關。此外,菱形晶系 BiFeO3 薄膜樣品於 2.8 ~ 3.2 eV 與 4.0 ~ 4.4 eV 能量區間,與類四方晶系 BiFeO3 薄膜樣品於 3.45 ~ 3.5 eV 與 4.27 ~ 4.3 eV 能量區間,其振盪子權重分別在 200 K 與 150 K 附近顯現極值,此亦與 BiFeO3 薄膜樣品於 200 K 與 150 K 的自旋重新排列行為有關。 其次,我們量測薄膜的高溫拉曼散射光譜,菱形晶系結構 BiFeO3 薄膜 (DyScO3 基板) 的 173 cm-1 拉曼峰於 600 K 附近展現不連續紅移現象,此與自旋聲子之交互作用有關,我們計算出自旋聲子耦合係數約為 12.9 mRy/Å2。另一方面,類四方晶系結構 BiFeO3 薄膜 (LaAlO3 基板) 在 360 K 附近,221 cm-1、269 cm-1、359 cm-1 及 586 cm-1 拉曼峰頻率位置與半高寬有階梯式的變化,造成此現象有兩種可能因素:(i) 類四方晶系結構從 MC-Type 轉換為 MA-Type;(ii) 反鐵磁有序相轉換。我們也觀察到 586 cm-1 與 685 cm-1 拉曼峰在接近 600 K 時有不連續紅移現象,此可能為接近尼爾溫度時,受到自旋聲子耦合交互作用影響所致。Item 半導體材料GaSe1-xSx ( 0 ≦ x ≦ 1)之光譜性質研究(2010) 黃姿方; Tz-Fang Huang我們研究非線性光學半導體GaSe1-xSx (x = 0.00、0.01、0.03、0.14、0.18、0.26、0.37 及 1.00 ) 單晶塊材的光譜性質。首先,GaSe的拉曼散射光譜顯示四個拉曼活性振動模,其頻率位置在134 cm-1、212 cm-1、250 cm-1及307 cm-1,拉曼峰頻率位置隨著摻硫離子濃度上升而有藍移的現象;當x ≧ 0.18 時,我們觀察到多了一個160 cm-1拉曼峰,隨著摻雜硫離子濃度增加而對應到GaS的188.5 cm-1拉曼峰,這些拉曼散射光譜的變化與GaSe1-xSx層狀堆疊結構的改變有緊密的關聯性。此外,我們觀察到光激螢光光譜在x ≧ 0.18 時,其螢光峰的半高寬明顯變寬,且峰值的光子能量大於能隙,推測此時樣品與GaS同屬間接半導體,而多出來的能量即為聲子放射所造成。 我們進一步研究GaSe1-xSx的室溫全頻光譜與變溫穿透光譜,其中紅外聲子吸收峰隨著摻雜硫離子濃度上升而有藍移現象;由於摻雜硫離子後層間距離縮小,電子與離子作用距離較短因此作用力較強,所以造成能隙上升的現象;我們觀察到不同硫離子濃度樣品能隙的溫度變化率,在x ≧ 0.18 時略為上升後下降與低摻雜樣品的變化不同,此結果亦呼應堆疊結構的變化。最後,我們藉由使用第一原理理論計算GaSe在Γ點的聲子振動特性,並與拉曼散射光譜實驗及紅外光活性振動的實驗結果進行比較。Item 微波介電材料 La(Mg1/2Ti1/2)O3 和 (A2+1/3B5+2/3)1/2Ti1/2O2 (A2+ = Mg, Ni, and Zn, B5+ = Nb and Ta) 之光譜性質研究(2009) 楊閔媞我們研究固態法和檸檬酸鹽法兩種不同方法製成的 La(Mg1/2Ti1/2)O3 以及不同原子取代的 (A2+1/3B5+2/3)1/2Ti1/2O2 (A2+ = Mg, Ni, and Zn, B5+ = Nb and Ta) rutile系列的光譜性質,並探討紅外光光譜特徵與其微波特性的關聯。 首先,我們觀察到 (i) x 光繞射能譜顯示兩種不同製程方法的 La(Mg1/2Ti1/2)O3 塊材具有相同之晶格結構;(ii) 兩個樣品都有 12 個拉曼聲子振動模,但固態法樣品峰值的半高寬較窄,暗示其比檸檬酸鹽法樣品具有較好的晶格同調性;(iii) 兩個樣品皆有 10 個紅外光聲子振動模,並推算出離子晶格貢獻的介電常數與品質因子。固態法的介電常數較高,且固態法在 1 THz 的品質因子也較好。 接著,我們發現到 (i) 六個 rutile 系列樣品的 x 光繞射峰皆對應到 rutile 結構的峰值,且沒有雜相存在;(ii) 六個樣品的紅外振動模頻率位置有差異,應與氧八面體中陽離子與氧的鍵結強度有關;(iii) 在高頻及微波頻段量測介電常數和品質因子以 (Mg1/3Nb2/3)1/2Ti1/2O2 及 (Mg1/3Ta2/3)1/2Ti1/2O2 趨勢最為符合;(iv) (Zn1/3Ta2/3)1/2Ti1/2O2 品質因子最高,但介電常數最小,(Zn1/3Nb2/3)1/2Ti1/2O2 介電常數最高,但品質因子最差。 最後,(Mg1/3Nb2/3)1/2Ti1/2O2 及 (Mg1/3Ta2/3)1/2Ti1/2O2 樣品隨著溫度的下降,我們發現聲子軟化的現象,此結果符合賴登-沙哈-泰勒關係式。Item La(2-x)/3NaxTiO3與Nd(2-x)/3LixTiO3微波陶瓷材料之拉曼光譜與延伸X光吸收精細結構(2008) 邱靖玉; Ching-Yu Chiu本文將討論A2/3BO3缺陷型鈣鈦礦材料,利用拉曼散射及延伸X光吸收精細結構 (EXAFS) 的量測,得到摻雜鈉的La(2-x)/3NaxTiO3 (0.02≦x≦0.5) 與摻雜鋰的Nd(2-x)/3LixTiO3 (0.1≦x≦0.5) 之結構與微波介電特性的關聯性。從X光繞射與拉曼光譜中,兩種材料在光譜上皆有明顯改變,估計有相變發生。從群論理論分析,可得到拉曼光譜中各頻率代表的原子振動方式。拉曼光譜在200~400 cm-1區域中,與A-site相關的E (239、254 cm-1) 與A1 (322、338 cm-1) 振動模,隨著摻雜鈉與鋰的濃度增加,La(2-x)/3NaxTiO3與Nd(2-x)/3LixTiO3分別表現出紅移與藍移的現象,聲子頻率位移相反與A-site縮減質量速度和介電常數上升快慢有關聯。拉曼光譜得到AO12 (AO6) 的緊密度變大,會使得B-site的鍵結強度減弱。Nd(2-x)/3LixTiO3中的A1 (471 cm-1) 振動膜發現有紅移現象,表示沿z軸上O-Ti-O鍵結強度變鬆散。由EXAFS得知,Nd(2-x)/3LixTiO3在x≦0.3時,隨著摻雜鋰的濃度愈高,平均Ti-O的鍵長增加,即氧八面體變大與介電常數成正比,且沿著z軸上O-Ti-O的鍵長也增加;x>0.3時,隨鋰摻雜增加,平均Ti-O鍵長縮小,亦與介電常數成正比。隨著摻雜物增加,A-site有序性減小,拉曼光譜中的各聲子半高寬均變寬,與Q×f值成反比。由拉曼散射與X光吸收精細結構實驗中,皆可得到兩系列材料的微波介電特性,與內部微結構均有密切的關係。Item (A’1/3A”2/3)1/2Ti1/2O2 (A’:Mg, Ni, Zn; A”:Nb, Ta)微波陶瓷材料之拉曼光譜與延伸x光吸收精細結構分析(2008) 楊紹瑋; Shau-Wei Yang本文利用拉曼散射、X光繞射和延伸X光精細結構光譜(EXAFS)等光學方法來測量擁有金紅石(rutile)結構的(A’1/3A”2/3)1/2Ti1/2O2樣品(A’: Mg, Ni, Zn; A”: Nb, Ta)中氧八面體結構與其微波性質的關連性。藉由改變不同的A’及A”的原子,品質因子和介電常數都有顯著的變化。在此,我們將我們的樣品分成兩組:一組為(A’1/3Nb2/3)1/2Ti1/2O2,(A’: Mg, Ni, Zn);另一組為(A’1/3Ta2/3)1/2Ti1/2O2,(A’: Mg, Ni, Zn)。 從EXAFS的分析可以發現:不同的A’原子,其Ti-O鍵長(即氧八面體體積)會產生不同的變化,而且散射中心到相鄰單位晶格中心的距離(即c軸長度)對於介電常數有著非常大的影響。在拉曼部份,我們比對了1倍及具有奈米結構的金紅石拉曼圖形,發現到我們的拉曼實驗數據較為接近奈米結構的金紅石,這也就是說我們的樣品具有奈米結構的特性。此外,與氧原子相關的拉曼振動模基本上會隨著A’原子的重量增加而產生紅移。透過理論的計算所得到的頻率變化趨勢,與我們分析得到的頻率變化趨勢相同,且都與介電常數有關-氧八面體結構越緊密,介電常數越小;另外透過比對與氧原子相關的拉曼振動模峰值的半高寬與品質因子,我們得到了半高寬越小品質因子越好的結果。從拉曼散射和延伸X光精細結構光譜實驗都顯示本文材料的微波特性與氧八面體微觀結構直接相關。Item xLa(Mg1/2Sn1/2)O3-(1-x)La(Mg1/2Ti1/2)O3微波陶瓷材料之拉曼光譜與延伸x光吸收精細結構分析(2007) 余承遠; Cheng Yuan Yu本文利用拉曼散射、X光繞射和延伸X光精細結構吸收譜等光學方法來測量1:1結構A(B’1/2B”1/2)O3陶瓷家族中x La(Mg1/2Sn1/2)O3-(1-x) La(Mg1/2Ti1/2)O3鈣鈦礦陶瓷中氧八面體結構與其微波性質的關連性。這系列樣品共有五個,x代表錫原子的濃度,從0、0.25、0.5、0.75到1。在不同濃度的錫原子摻雜,Q×f值跟隨改變,隨著錫原子濃度的上升,介電係數下降。從X光吸收譜可以很明確知道錫原子是取代鈦原子的晶格位置,由於錫原子離子半徑較鈦原子大,所以當錫原子掺雜濃度越多時,錫與氧的鍵長增加,驗證氧八面體體積隨著錫原子濃度上升而增加,而在A位置的鑭原子與氧原子的鍵長隨著錫濃度之增加而減少,也就是鑭與氧形成的LaO8體積減少。從拉曼實驗顯示高頻部份與A1g(O)振動類似的振動模有聲子頻率紅移的現象,這也證明了錫與氧的鍵長增加,氧八面體體積增加,但是摻雜的錫原子較重使得氧八面體內部密度變大,造成介電常數減少。另一方面,部分鑭跟氧振動有聲子頻率藍移的現象,是與鑭原子形成之氧LaO8體積變小有關。Q×f值與聲子半寬度成反比,並且在錫原子與鈦原子掺雜比例相同為1:1時為最低,波的傳遞最差。從拉曼實驗及X光吸收譜實驗都顯示本文材料的微波特性與氧八面體微觀結構直接相關。Item ABO3微波介電材料的光譜研究(2005) 張碧容; Pi-Jung Chang在這篇論文中利用拉曼光譜、x-ray光吸收譜以及x-ray繞射,來量測微觀狀態下鈣鈦礦結構(perovskite structure)的微波介電陶瓷材料結構性質與其微波性質之關連性。本文主要討論的鈣鈦礦結構陶瓷材料的是ABO3中之1:2結構,也就是A(B’1/3B”2/3)O3。其中主要探討的部份包含:Qf值與氧八面體結構之關係,以及微波介電係數是否受到陶瓷鈣鈦礦結構材料中陰陽離子間距的影響。 我們利用三組樣品來探討上述的微波特性與晶體結構的相關性。有兩組樣品是改變B晶體位置的樣品,第三組樣品是改變A位置的系列樣品。利用這兩個系列的樣品來說明A位置與B位置的取代對微波介電參數的影響。第一組樣品為xBa(Mg1/3Ta2/3)O3+(1-x)Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(縮寫為xBMT+(1-x)BMN),這組樣品是針對改變B”位置的離子,探討結構與微波關連性。我們發現第一組樣品中,圍繞在B”位置周圍的O離子所形成的氧八面體結構對於Qf值有極強烈相關性,而Ta離子與O離子的距離對於介電係數之也有影響。經由延伸X光吸收精細結構(Extended x-Ray Absorption Fine Structure)的擬合發現,在xBMT+(1-x)BMN中,當x增加時,即Ta離子在B”位置上的含量越來越多時,氧八面體會越趨於緊密,也就是Ta離子距O離子的距離越來越小,同時介電係數也有此趨勢,由此我們可以證明介電係數確實與陰陽離子的間距相關;經過計算後,我們可以獲得在此材料中站在B”位置上的離子與O離子平均偏移量與Qf值之關係,此偏移量可以看成是氧八面體的扭曲程度,可以發現當平均偏移量較大時Qf值會相對較小,所以未摻雜的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3或是Ba(Mg1/3Nb2/3)O3會有較高的Qf值。在x=0.5時Qf值最小的原因是此時Ta與Nb各佔一半在B”位置上,1:2有序的情況最差,因而有最小值;在x=0.75的樣品具有較大的偏移量使得Qf值較x=0.25的樣品低相當多。 第二組樣品是xBaTiO3-(1-x) Ba(Mg1/3Ta2/3)O3;Ti離子同時取代Mg與Ta離子,在x-ray繞射的結果可看出,隨著濃度上升晶格常數及Qf值變小而介電係數卻上升;我們歸因於入雜質Ti會造成氧八面體之扭曲而造成介電係數以及A1g(O)聲子的半高寬增加,在拉曼光譜中,1比2的結構聲子也隨著濃度漸漸不明顯,使得Qf值下降。 在第三組樣品:xSr(Mg1/3Ta2/3)O3+(1-x)Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(縮寫為xSMT+(1-x)BMT),由這組樣品可瞭解當A位置上的離子受到取代時,微波介電的特性與結構的關係,並與與B位置的取代的結果比較其異同。我們對xSMT+(1-x)BMT進行拉曼光譜的分析和x-ray吸收精細結構譜的擬合。在這兩項量測結果和微波量測的數據中,均發現有三段式的結構與微波特性的變化,其轉折點在x=0.5與0.75。拉曼測量中1:2比例結構的聲子在x>0.5後開始消失,並且在不同頻段增加很多新的聲子,而在x-ray吸收譜擬合,Ta-O距離傅利葉轉換圖譜也顯示出相對應的結構對稱變化。拉曼測量的結果可推測在x<0.5時Ba(Mg1/3Ta2/3)O3結構主導其結構特性與微波特性。我們發現離子半徑較小的Sr離子取代Ba離子時,造成整體結構變緊密使得大部分聲子有藍位移,但是對於TaO6氧八面體來說反而由於A位置取代成因電性較小的Sr離子讓氧八面體產生形變,使得A1g(O)聲子半高寬上升。入半徑較小的Sr離子,也造成A位置上的離子距O離子的平均距離增加,因此介電係數值也增加。x-ray吸收精細結構分析也有相似的結果。在x=0.75後, Sr(Mg1/3Ta2/3)O3結構主導材料特性,而微波特性也隨著改變。Item 烏采結構半導體的拉曼光譜與光致螢光光譜(2004) 吳國存; Gwo Tswin Wu我們由Cornell大學得到一組烏采結構氮化銦塊材(膜厚>1μm)樣品進行其光學特性的分析。另一方面,我們研究烏采結構氮化鎵奈米線以及氧化鋅奈米線,從文獻上的資訊得知這兩種烏采結構半導體的能隙在3.2eV~3.4eV,位於紫外光區,與氮化銦的能隙,0.7eV~0.8eV,位於紅外光區恰好是兩個極端,因此,可以進一步比較其光學性質。 在本論文中,我們先於室溫下量測三種不同烏采結構半導體的光致螢光光譜,藉以確認樣品的能隙,再運用不同的雷射光源當作激發光源來得到室溫下烏采結構半導體的拉曼散射光譜,所使用的雷射光源分別為325nm(He-Cd laser),442nm(He-Cd laser),488nm,514nm(Ar-ion laser),633nm(He-Ne laser)以及785nm(solid-state laser)。對於不同的烏采結構半導體在拉曼散射光譜中可以清楚的觀察到的特徵光譜模型,分別為A1(LO),E2(high),以及E2(LO)。由拉曼散射光譜圖可以清楚的發現氮化銦樣品的A1(LO)-phonon mode的位置會隨著激發光源能量的不同而有紅位移的現象。即其聲子頻率會隨著激發光源的能量的遞減而遞增,並且可以明顯的發現A1(LO)-phonon mode的峰值強度亦會隨著激發光光源能量的遞減而遞增。而氮化鎵樣品的A1(LO)-phonon mode的位置則會隨著激發光源能量的不同而有藍位移的現象。即其聲子頻率會隨著激發光源的能量的遞增而遞減,並且可以明顯的發現A1(LO)-phonon mode的峰值強度亦會隨著激發光光源能量的遞增而遞增。在氧化鋅樣品方面A1(LO)-phonon mode的峰值強度亦會隨著激發光光源能量的遞增而遞增,但是峰值不會出現明顯位移的現象。由氧化鋅所得到的結論,我們相信氮化銦與氮化鎵樣品具有很高的缺陷或雜質的存在,以致於A1(LO)聲子模在拉曼光譜中的峰值有位移現象。 除了光譜實驗上的量測外,由於我們知道樣品表面有大量載子存在,以至於造成A1(LO)-phonon和電漿耦合效應,因此利用程式模擬來了解其耦合效應所具有的物理意義。