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 氧化鈷在11原子鈷層/矽(111)上交換偏移相圖與鈷在銀(√3×√3)/矽(111)之磁性研究(2011) 許志榮整個論文架構分為三大主題：即「超高真空系統之搬遷與設置」、「y ML CoO/11 ML Co/Si(111)」和「y ML Co/Ag/Si(111)- √3 × √3」之研究。「超高真空系統之搬遷與設置」包括腔體拆解、組裝與表面物理實驗室的規劃以及採取各個步驟和設計流程的原因。在反鐵磁層與鐵磁層「y ML CoO/11 ML Co/Si(111)」研究當y = 5、10、15時，其交換偏移作用是屬於哪一種類型(HE不為零或者Hc變大)，實驗的方法是採用「零場冷卻」與「場冷卻」兩種方式來對照，並期許能將實驗結果彙整成交換偏移相圖。「y ML Co/Ag/Si(111)- √3 × √3」先將Ag與Si(111)形成結構為√3 × √3的表面合金，之後再鍍上不同層數的Co膜，以磁光柯爾效應儀研究一系列磁性行為的變化。在反鐵磁層與鐵磁層系統「y ML CoO/11 ML Co/Si(111)」研究結果，在y ≤ 10時，是屬於Hc變大之交換偏移模型，其原因為低層數CoO以奈米顆粒的方式堆積，使得其磁異向性相較外加場來說是比較小，因此會讓柯爾訊號Hc增大。在y ≥ 15時，是屬於HE不為零之交換偏移模型，其原因為高層數CoO在11 ML Co/Si(111)上形成膜，使得其磁異向性相較外加場來說是比較大，因此會讓柯爾訊號HE不為零，最後，彙整交換偏移相圖，交換偏移相圖中分成三個相位，即HE不為零之交換偏移、Hc變大之交換偏移和沒發生交換偏移。「y ML Co/Ag/Si(111)- √3 × √3」研究結果，雖然在y＜4.38時沒量測到縱向柯爾訊號，然而從4.38 ≤ y≤10.21之縱向柯爾訊號做線性推斷其通過原點，表示Ag與Si(111)形成Ag/Si(111)- √3 × √3表面合金之後，能有效消除死層，阻止Co與Si(111)形成矽化物。且在4.38≦y≦10.21時，鍍於表面合金Ag/Si(111)- √3 × √3上的Co膜其易磁化軸為水平方向。在其相轉變研究方面，3.65 ML Co/ Ag/Si(111)- √3 × √3 (Ag的殘存量0.48 ML)推估其居里溫度約在275 K到300 K之間，3.51 ML Co/ Ag/Si(111)- √3 × √3系統(其中Ag的殘存量為0.53 ML)中，3.51 ML Co的厚度仍然太薄，3.51 ML Co/ Ag/Si(111)- √3 × √3的居里溫度可以推估小於150 K。Item 不同鈷原子層在銀/鍺表面之研究(2008) 陳俊榮在超高真空的環境下（<10-10 Torr），藉由掃描穿隧顯微鏡（STM）觀察鈷原子島成長的行為。為了阻隔鈷與鍺形成合金，先在鍺的表面鍍上一原子單層的銀，並加熱使其形成(√3×√3)的穩定重構，利用分子束蒸鍍鎗在其表面成長鈷的磁性薄膜。蒸鍍上1.4 ML、2.1ML、2.8 ML、3.5 ML、4.2 ML及4.9 ML的鈷並經加熱退火至400 ℃，即成功地發現鈷原子在表面上形成週期性之二維原子島。當鈷原子鍍量不同時，鈷島的成長模式將有不一樣的行為；且隨著鍍量增加，鈷原子島的成長會由二維成長轉變成三維成長。我們也發現，三十五層以上的鈷原子島重構依舊會維持2x2的結構，顯示出鍺基底對於鈷原子島的作用力很大，也代表T4 site 成長為2x2結構比1x1更利。而比較加熱退火至不同的溫度的情況，在低鍍量時鈷原子島面積的成長與溫度成正比關係；若鈷鍍量超過3.5 ML時，鈷原子面積成長將趨於平緩。對週期為2x2的鈷原子島，其成長是一層伴隨著一層地，發現層與層之間的成長有三種方向。Item 以電鍍方法成長Co/Pt(111)薄膜及其磁性研究(2015) 郭唯旭; Kuo, Wei-Hsu在研究中，使用電化學的方式在水溶液環境中成長Co薄膜在Pt(111)上，透過加入Pb與紫精酸形成完全不同的磁性異質介面，研究Co薄膜受到不同的介面異向能以及不同的量測電位對磁特性的影響，利用循環伏安法(cyclic voltammetry, CV)鑑定成分，並使用磁光柯爾效應(Magneto-optic Kerr effect, MOKE)進行磁特性的量測。 實驗中Co薄膜成長在Pt(111)上並不會形成合金亦不會形成磁性死層，在5 nm 以上時可以穩定存在，不與溶液中的各種離子起化學反應，並且在不同的量測電位可以發現矯頑力會受到電場影響而增強的現象。 在Co/Pt(111)上加入Pb的覆蓋層，發現矯頑力並無明顯變化，推測是Pb只吸附在薄膜上不與Co形成合金態，且並未影響介面結構，導致矯頑力不變。 加入紫精酸則可發現矯頑力受到介面異向能的改變而變化，然而飽和磁化量、殘磁以及方正度均沒有明顯的變化，在不同的電位量測紫精酸對矯頑力的影響，發現紫精酸隨著電位變化，因為各個不同的官能基受到電位影響的能力不同，產生了不同的吸附狀態，使得表面的電子分布不同進而讓表面的鈷原子間自旋或軌道的角動量耦合改變，這樣的現象可近似於表面磁矩間耦合的缺陷增強或減弱而使得矯頑力變化，而這樣的表面現象僅影響薄膜的表面，因此表面特性的貢獻比例會持續隨著膜厚下降，此研究結果發現在此系統中可以利用電位的不同來瞬間控制磁性薄膜的矯頑力變化，極富應用價值。Item 鋪覆超薄膜於針狀金屬表面之現象研究(2013) 陳晏清; Chen Yen Ching本實驗藉由場離子顯微鏡，觀察超薄膜鋪覆於針狀金屬表面之現象。其實驗現象可分為兩方向討論，其一為覆鉑於鈷針狀結構，由於切面擴張產生皺化現象。加熱退火至600K，可發現由於鉑之鋪覆，增加表面能異向性、降低皺化所需之加熱退火溫度，使得表面自由能較低的(0001)、(1013)、 (1013)切面擴張，並形成單條稜線，但由於鈷為非耐火性之材料，因此易受加熱退火影響，使得稜線成長不完整，難以觀察到金字塔堆疊。 另一方向為，覆矽於銥及鉑針狀結構，成長單層皺形之蜂巢結構-Silicene。由於場離子顯微鏡可看到同一樣品之各個切面，因此可觀察矽於各個切面成長之穩定結構：覆矽於銥(111)切面可發現，同時蒸鍍及加熱退火，可成長較特殊的結構；於銥(100)切面可觀察到矽原子排列成(3×2)之結構；於(311)、(310)及台階邊緣可成長帶狀、六角結構。 覆矽於鉑(111)切面，可觀察切面上可成長六角結構，與現在備受討論的議題-「Silicene」具有相似結構，因此推測鉑也可能成為成長Silicene之基底。Item 奈米級紅熒烯/鈷薄膜的物理特性研究(2019) 周彥維; Jhou, Yan-Wei近期可撓式電子產品日益增加，且有機半導體材料具有由於低成本，且易於低溫製程，所以引起了很多關注，其中紅熒烯是具有高載子移動率的有機半導體。本研究中第一部分為紅熒烯奈米級雙層結構研究。X光反射率實驗與擬合，其中紅熒烯薄膜出現雙層模型特性，同時可定出紅熒烯表層的厚度為2.7±0.2奈米，且表層的散射密度長度數值低於下層塊材。紅熒烯厚度增加時，可以觀察到紅熒烯的表面形貌變化，從小顆粒轉變成大顆粒的奈米域(nano domain)。透過X光繞射實驗中，得知紅熒烯薄膜中具有相位分離的分層現象，代表紅熒烯薄膜中具有非單一晶相的奈米域，其中表層具有兩種次要結構，且下層塊材會有另一主要結構。不同厚度下紅熒烯薄膜彈性模量實驗，也可觀察到紅熒烯薄膜具有雙層模型特性趨勢，而後結合雙層模型彈性模量理論進行擬合時，可得知紅熒烯薄膜中表層與下層塊材間彈性模量等。四點探針電性測量時，紅熒烯薄中的雙層性質可用於表現在它的電阻行為，其中觀察到界面粗糙度對傳導電子的傳輸路徑敏感，該訊息對於有機半導體在可撓式面板中的未來應用是具有相當價值。 第二部分的研究為鈷與紅熒烯在矽(100)上形成複合性薄膜的表面與磁性的研究，實驗中嘗試鈷與紅熒烯的比例為1:0.33、1:0.5、1:1。而複合薄膜成長時會傾向層狀方式成長，上層主要為紅熒烯，下層主要為鈷-紅熒烯。當複合薄膜厚度較厚時，其中足夠量的紅熒烯會形成界面活性劑，降低薄膜與矽(100)基板間界面的交互作用，使薄膜表面會非常平坦，且此時樣品的矯頑力較低，當複合薄膜厚度較薄時，表面會有殘留一些鈷的顆粒，薄膜表面較粗糙，其中粗糙的表面代表薄膜中有許多的缺陷，才會使磁化翻轉時矯頑力較大。在鈷與紅熒烯複合薄膜中，當提升紅熒烯薄膜的量時，讓複合薄膜中的鈷與紅熒烯的界面增加，且增加紅熒烯的界面活性劑作用機會，進而提升複合薄膜的品質。 第三部分的研究為紅熒烯插層在鈷/矽(100)的表面與結構對磁性影響的研究。在鈷/矽(100)中會形成奈米鈷晶粒，在插層紅熒烯薄膜之後，紅熒烯會向上層的鈷擴散，讓鈷偏向形成非特殊晶相的膜，並且矯頑力的降低歸因於磁性材料中的缺陷密度下降。而在矯頑力數值附近的鈷/矽(100)柯爾顯微鏡圖像，觀察到在暗圖像中具有一些隨機分佈的缺陷，通過增加外加磁場，缺陷並不會在不同的磁場下移動，並且作為磁域壁運動的釘扎點，通過對鈷/紅熒烯/矽(100)的缺陷密度和矯頑力分析，進而得知樣品中鈷薄膜的磁域會以一維彎曲模型進行磁化翻轉，且缺陷與磁域壁為較強的交互作用。此研究主要透過磁光柯爾顯微鏡直接觀察到薄膜中的缺陷並定量出薄膜中的缺陷密度，如果此技術更加成熟，可以提供給磁性材料一個快速篩檢缺陷的方式。透過紅熒烯界面活性劑效應，改變薄膜中的缺陷，最後影響到薄膜中的磁特性，如果未來能結合薄膜彈性模量的研究，可以提供在可撓式有機磁性面板的開發。Item Item Item 鎳超薄膜在鉑(111)基板上之表面結構及表面磁光性質研究(2003) 蘇炯武; Chiung-Wu Su本實驗是利用歐傑電子能譜術、低能量電子繞射儀、紫外光電子能譜術以及利用表面磁光科爾效應來研究鎳金屬超薄膜在鉑金屬(111)表面上的結構及磁光性質。討論的範圍首先著重在鎳超薄膜在鉑(111)表面上的磊晶成長模式、結構相圖和合金形成。我們經由歐傑電子能譜、低能量電子繞射及紫外光電子能譜的測量中發現鎳超薄膜在鉑單晶上是以2個原子層的層狀模式成長，且在磊晶的過程中我們更利用低能量電子繞射發現鎳超薄膜在鉑(111)表面上有一些有趣且特殊的結構：偽(1×1)超結構、(√3×√3)R30º、Ni(1.1×1.1)非同調性磊晶、衛星點結構以及(2×2)超結構。鎳原子發現在高溫時會擴散與鉑形成合金，當我們在進行0.8到3.0個鎳原子層熱處理時，結果發現當鎳的厚度愈高，鎳與鉑開始形成合金的溫度也就愈高。為了提高系統鎳超薄膜的膜厚準確度，我們利用兩種理論模型來計算並決定鎳超薄膜膜厚。此外，當經過高溫回火的鎳/鉑(111)表面經由離子濺射技術後亦發現表面組成大多為鉑原子所佔據，此部分確立了鎳原子與鉑原子形成合金的事實。 第二部分我們在鎳/鉑(111)表面上覆蓋銀原子層來研究鎳鉑合金形成因其所受到之影響並與未加銀原子層來做比較。結果發現，覆蓋銀原子層的鎳薄膜層必須上升到更高溫時才與鉑原子形成合金，而且銀原子層在熱處理的過程中並不擴散進入基底且都位於表面的最上層，更有趣的是我們發現在1 ML Ag/1 ML Ni/Pt(111) (ML:原子層)的樣品中經由高溫處理後形成有趣的(2×2)表面超結構，經由晶格常數計算、以及離子濺射實驗後，我們初步推斷最上層的銀原子以1/4的覆蓋率形成(2×2)超結構之後剩餘的3/4銀原子與最上層的1/4殘餘鎳原子形成Ag(75%)Ni(25%)的合金原子層，剩餘的則為鎳鉑合金層。 第三部分我們利用表面磁光科爾效應來探測鎳超薄膜在鉑(111)表面上的磁光性質。鎳超薄膜在諸多系統中都發現具有dead layer的磁性質，故當我們在磊晶過程中探測鎳薄膜的磁光訊號中發現，將近有7層覆蓋率的鎳原子在室溫裡是沒有磁性的，累積到將近24層的鎳原子測得之最大科爾旋轉角也只有0.02º，並且在熱處理的實驗當中，我們發現膜厚與系統的居禮溫度有很大的關連性，甚至極有可能低於室溫。 此外，當磁性超薄膜鎳/鉑(111)表面間加進鈷原子層後，初步發現鎳原子會有初期升溫的過程中先與鈷原子在鉑表面上混合，高溫時再擴散進入鉑基底的特性。經由深度分析的實驗，雖然證明了鎳鈷原子都會與鉑形成合金，但是我們發現鎳原子卻擴散的比鈷原子更為深層。1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)樣品在垂直磁光效應的測量中，也同樣發現在鎳鈷原子混合時磁光訊號有微量的增加，然而之後主要的磁光訊號大增主因來自於鈷鉑形成合金所致，科爾旋轉角在高溫回火後增加為原先的兩倍之多，當我們對於1 ML Ni/1 ML Co-Pt 合金表面進一步的研究中發現，系統的居禮溫度隨著鎳鉑原子在表面的相對組成而有強烈的變化，而且接近甚至低於室溫，在表面化學組成計算後可以初步推論，若鉑原子含量在表面層愈多、鎳原子愈少的狀況下，系統的居禮溫度就愈低。結果發現，1 ML Ni/1 ML Co-Pt 合金表面樣品在經由830 K高溫回火後所測得之系統居禮溫度為275 K，此時所對應的表面化學組成為Pt(69%)Co(29%)Ni(2%)合金層。 最後，鏡射系統1 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)的磁光訊號測量也發現許多有趣且不同於1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)系統的物理現象，在升溫的過程當中發現，特定的溫度範圍對於兩種系統有著截然不同的行為，我們發現在600 K到725 K的磁光訊號變化中對於Ni/Co/Pt薄膜有一極大值，然而對於Co/Ni/Pt薄膜卻發現有一極小值。此外，Co/Ni/Pt薄膜發現具有比Ni/Co/Pt薄膜更大的的矯頑磁場，我們初步認為這些有趣的物理現象來自於表面鎳鈷鉑原子的相對組成，以及許多特定穩定合金結構的形成，所以當我們又利用紫外光電子能譜來觀看這兩種磁性超薄膜系統經過高溫熱處理後時，我們可以確定表面原子態大多來自於鉑原子，換句話說，高含量的表面鉑原子是促成系統具有相當低的居禮溫度的主因。Item 異相催化劑反應之理論計算研究： 乙醇重組反應與Fischer-Tropsch合成反應(2014) 徐慈瑛; Cih-Ying Syu乙醇蒸氣重組被視為一種產氫的重要反應。在本篇論文第三章中，我們利用理論計算探討貨幣金屬(Cu、Ag、Au)在進行乙醇蒸氣重組反應中的強氧化性與高乙醛選擇率的反應路徑研究。從計算的能量發現，貨幣金屬傾向選擇活化能障較低且放熱較多的部分氧化路徑。利用電子結構分析，發現d軌域被填滿的貨幣金屬能有效率地將電子傳遞至O和OH，使O和OH的p軌域提升，降低氧化反應步驟的能障。在本篇論文第四章中，我們探討Rh金屬的蒸氣重組反應機構以及氧在反應中所扮演的角色。從反應機構的計算發現，CH3CHO*和CH2CH2O*為關鍵的中間產物，中間物反應生成CO(g)、 CO2(g)的氧化步驟能障高，被視為速度決定步驟。氧扮演旁觀者所造成的adsorbate effect，可以降低速度決定步驟的活化能。在動力學上的分析也獲得與實驗上一致的結果。因此，我們合理推測：Rh-based催化劑的可藉由合適的添加物，提高載氧能力，作為乙醇重組反應催化劑時可獲得更好的效能。 本篇論文的第五章是探討Fischer-Tropsch合成反應(以下簡稱F-T合成反應)，在Ru(0001)和Co(0001)表面，計算CO的活化反應、CHx(x=1~3)的氫化反應、C-C單體結合反應及C-H鍵結/解離終止反應等機構的探討，找出Ru和Co催化反應機構的差異，並添加1A金屬Na於Co表面，探討Na對吸附物的影響，進一步提出Co催化劑的改良辦法。從計算結果顯示，不論在Ru(0001)還是Co(0001)表面，CO 並不會氫化生成COH，反而傾向直接解離或是生成中間物CHxO再解離C-O鍵。CHx (x = 0~3)的選擇性，在Ru(0001)以CH 佔大多數，在Co(0001)表面則是CH和CH3。在Ru(0001)表面C-C 單體結合反應，傾向以CH2 + CH2 的方式進行。而在Co(0001)表面則可能以CH2 + CH2、CH + CH或CH+CHO的方式進行。從終止反應的探討發現，不論是CHx還是C2Hy的氫化終止反應，Co表面皆為動力學與熱力學上穩定的。最後，添加Na金屬於Co可以使含氧化物的吸附能提升，穩定CO、HCO、HCHO等吸附物，降低C-O解離的能障。另外，添加Na並不會增強CHx(x=1-3)的吸附，可以保留Co表面上C-C鍵結速率較快的優勢。綜合上述結果，合理推測：添加對氧吸附能力大於碳的金屬，或是將Co金屬吸附於擁有氧空缺的氧化物支撐物上，能有效提升Co催化劑對高碳數產物的選擇率及減少含氧化物的產生。Item 以即時性漫反射傅立葉轉換紅外光譜儀探討乙醇氧化蒸氣重組在(Co, Rh)/(CeO2, YSZ)上之反應機制(2019) 林澤蒲; Lin, Tse-Pu在我們目前的研究中，我們使用即時性漫反射傅立葉轉換紅外光譜儀(in situ DRIFTS IR)，系統式的檢測不同水醇比和氧氣比例之(Co, Rh)/CeO2和Rh/(CeO2, YSZ)催化劑在乙醇氧化蒸氣重組的反應，而我們透過這方式，來推測不同催化劑以及不同反應條件下之反應機構。催化劑使用含浸法合成，並透過X-ray粉末繞射分析儀(XRD)、能量散射光譜儀 (EDS)、程序升溫還原反應(TPR)和光電子能譜儀 (XPS)來鑑定其晶格、成分以及氧化態。比較（Rh，Co）/ CeO2的乙醇氧化蒸氣重組反應，我們的結果發現，在Rh / CeO2上容易快速脫氫而形成酰基陽離子（CH3CO）中間體，進而分解成CH4和CO，顯示了Rh擁有優良的斷碳碳鍵活性。比較Rh /（CeO2 ，YSZ）上的反應，Rh / CeO2上的大量CO脫附，確定了氧化物載體的優良儲氧能力;另外，乙醛與乙酸顯著的反應，對於Rh / CeO2催化劑產生CO2也有明顯的影響，這也代表著它有助於氧化的過程。而反應的結果顯示，大量的水氣比例增加會使氫氣的產率升高以及得到較低的CO和較高的CH4選擇率，而較高的氧氣含量，會使得反應產生更多的氧化產物，比如CO和CO2。