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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    利用電壓及氫化反應可逆地控制材料磁性
    (2018) 張博鈞; Chang, Po-Chun
    在我們的電壓控磁的研究中顯示了,在鐵/氧化鋅結構中,可以藉由適當的電壓促使鐵的矯頑場減小15%–20%,而且只要一移除電壓,矯頑場就會回復至原本的大小。另外,如果施加過量的電壓,則可以導致鐵/氧化鋅介面上的鐵氧化成氧化鐵、三氧化二鐵或四氧化三鐵等不同的氧化態,並且使樣品的矯頑場上升。各種氧化態的比例會取決於鐵和氧化鋅的厚度比例,且一旦氧化後是不可回復的。但就算發生了介面氧化,還是可以藉由適當的電壓來調降矯頑場的大小。 在氫化控磁的研究中,我們觀察了鈷-30%鈀-70%的合金在不同氫氣氣壓下的磁性變化。原本無法觀察到磁域的樣品,在足夠的氫氣壓力下(0.2 bar),會在樣品磁性翻轉時觀察到磁域,同時磁致曲線也會變得方正。我們依據在不同的固定外加磁場和氫氣濃度下所畫出的磁化翻轉曲線,可以推論出最小的翻轉單位Barkhausen volume 會隨著氫氣壓力上升而變小。同時,氫氣壓力上升也會使得樣品的脫釘磁場變大,導致磁致曲線的矯頑場在0.2 bar以上的氫氣壓力會逐漸增加。 此外,我們也研究了氫氣對於多層膜磁性耦合的影響。在Pd/Fe/Pd/Fe/MgO(001) 中,也許是基板表面傾斜的緣故,第一層的鐵只有單軸磁異相性,到了第二層的鐵才出現雙軸磁異相性。當外加磁場和第一層的磁易軸的夾角接近90度時,兩個鐵磁層之間的耦合力會和外加場競爭。當外加場不夠強時,上層的鐵磁會被下層的鐵磁吸引並翻轉致同磁化方向。而且當樣品吸附氫氣後,鐵磁耦合會增強,需要更大的外加場才能打破耦合。因此當外加場在6 Oe時,氫氣的脫吸附能使上層的鐵磁在外加場和底層鐵磁之間扭轉。
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    理論計算探討乙醇於Rh/γ-Al2O3(110)表面上之吸附結構與脫氫的反應機構
    (2007) 賴盈任; Ying-Ren Lai
    利用periodic DFT的計算方法, 我們探討乙醇於Rh/γ-Al2O3(110)表面之吸附結構與分解路徑。相較於乙醇吸附於Rh上的結果,乙醇吸附於表面的鋁離子上具有較好的吸附能,然而此酸性性質的γ-Al2O3載體會幫助乙醇脫水形成乙烯,因此我們考慮了其他的吸附結構來探討乙醇的分解路徑。由乙醇以α碳端吸附於Rh原子上的結構作為起始架構,相繼的反應路徑為脫附兩個α氫原子;能障分別為2.59與7.35 kcal/mol。下一步驟的脫氫反應是脫附O-H之氫形成中間產物CH3C(a)O + 3H(a),所需克服的能障為10.13 kcal/mol,由此中間產物斷去C-C鍵,所需克服的能障為12.06 kcal/mol,形成C(a)H3 + C(a)O + 3H(a)等中間產物吸附於表面,於此所計算的乙醇分解路徑,在實驗上有類似的觀察結果。
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    理論計算探討Rh/CeO2(111)表面上
    (2007) 劉士弘; Shih-Hung Liu
    隨著化石燃料的日漸枯竭,人們正在找尋可以替代石油的能源來源。而氫氣(H2)是目前較佳的燃料之一,將氫氣使用於內燃機引擎中,其燃燒產生的物質對環境是沒有污染性的。此外,氫氣也可以應用於H2/O2燃料電池的高效率發電方面,且具有相當的實用價值。乙醇可以當做是氫氣主要的來源之一,乙醇在合適的氧化物表面上時,加以合適的溫度,可以有絕佳的催化效果,而產生高效率的脫氫反應。在本文中,我們利用週期性的電子密度泛函理論的計算方法,探討乙醇在Rh/CeO2(111)表面上之可能的分解反應機構。結果發現,乙醇若以該分子的氧端吸附在Rh/CeO2(111)表面的Ce原子上,比起其他表面原子而言(例如Rh與O原子),將有著較高的吸附能。是故乙醇首先將會以該氧端吸附在Rh/CeO2(111)表面的Ce上,而形成CH3CH2O(H)–Ce(a),再藉由接續的脫氫反應(斷去O–H以及H2C–H),計算所得能障分別為12.00以及28.57 kcal/mol,之後形成一個穩定六員環的中間物Rh–CH2CH2–Ce(a) (oxametallacycle)。此外,分別計算所脫附的氫原子在表面的不同原子上(Ce, Rh和O),發現氫原子吸附在氧上有著最高的吸附能(Eads = 101.59 kcal/mol)。再者,該中間物會先在α-碳上接連斷去兩個C–H鍵而形成吸附中間物 Rh–CH2CO–Ce(a),計算所得能障分別為34.26和40.84 kcal/mol。最 後Rh–CH2CO–Ce(a)將藉由斷去C–C鍵結(TSC-C ; Ea = 49.54 kcal/mol)而形成Rh–CH2(a) + 4H(a) + CO(g)的產物,最後這些產物在高溫下再產生脫附反應,而形成CH4(g) + H2(g) + CO(g)。 另一方面,我們在有水分子存在時之乙醇的脫氫反應能障相較於無水分子存在時,討探是否有降低的趨勢,結果發現有水分子的幫助,脫氫反應能障大致上有降低的趨勢。
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    含十六族元素(硫、硒、碲)與過渡金屬(鉻、錳、鐵)之團簇化合物的合成與反應探討以及化性與物性研究
    (2013) 詹昂; Ang Chan
    E–Cr (E = S, Se)系統 取硫粉末或是 SeO2 與 Cr(CO)6 於80 ~ 85 oC 下以2:3的比例在鹼性甲醇溶液中,加熱反應可得雙三角錐結構的 [HE2Cr3(CO)9]3– (E = S, 1a; Se, 1b),有趣的是當 1a 或 1b 在 – 40oC 低溫且充滿 CO 的環境下,加入兩當量的醋酸,可分別得到 [E2Cr3(CO)10]2– (E = S, 1a; Se, 1b) 伴隨著氫氣的產生。進一步我們將 2a 和 2b 分別與兩當量的 KOH 溶於MeCN/MeOH中並加熱至80 oC ,可逆反應生成 1a 和 1b。另一方面Na2S 和Cr(CO)6 於90 oC下以莫耳比2: 3在甲醇溶液中反應36小時,可得化合物 2a,並有效的提生產率由20 %至54 %。 此外我們將1a 分別與有機鹵化物 RX (R = PhCH2,X = Br;R = Ph,X = I) 反應可得到化合物 [S4Cr5(CO)14]3– (3),並伴隨著 Toluene 以及 Benzene的生成,相同地,1b 和 PhCH2Br 反應也可得到有機產物 Toluene,但與 PhI卻無反應發生。同時藉由理論計算對一系列化合物之電子結構、電化學進行分析與討論。 E–Mn–Fe (E = Se, Te)系統 取適量 E (E = Se、Te) powder 與 Mn2(CO)10 和 Fe(CO)5 及 [PPN]Cl 於75 oC下以莫耳比2: 1: 1: 1在1.66M KOH 甲醇溶液中反應,可得混和 Mn─Fe 的四角錐金屬團簇物 [E2Mn2Fe(CO)9]2– (E = Se, 1; Te, 2),有鑑於 X-ray 上無法分辨錳和鐵原子,因此利用密度泛函數理論 (Density Fuctional Theory) 進行分子的紅外線光譜模擬,證實此四角錐之底部四邊形是由 E2Mn2 以對位的形式構成,頂端蓋接 Fe(CO)3 片段。 再者,將四角錐錯合物1 分別與一當量 Fe(CO)5 和 Mn2(CO)10與適量 KOH 溶於 CH2Cl2/MeOH 下進行擴核反應,可得到不同金屬比例的八面體形結構化合物 [Se2Fe2Mn2(CO)11]2– (3) 和 [Se2FeMn3(CO)11]2– (4) 。化合物4亦可由 [Se2Mn3(CO)9]– 於冰浴下與一當量 [HFe(CO)4]– 進行擴核反應得到。進一步藉由理論計算對一系列混和錳鐵化合物之電子結構以及電化學進行分析與討論。 E–Cr–Fe (E =S, Se, Te)系統 取適量 S powder與 Cr(CO)6 和 Fe(CO)5 及 [PPN]Cl 於85 oC下以莫耳比1: 1: 1: 2 於2 M KOH 的甲醇溶液中反應,可得到主族為硫且混和鉻和鐵的八面體結構化合物 [S2Cr2Fe2(CO)12]2– (1)。將主族改變為硒,並將莫耳比改為1: 1: 1: 2,可得到一混和鉻鐵團簇化合物 [Se2CrFe3(CO)11]2– (2),根據 X-ray 單晶繞射分析顯示1和2均為八面體構形且E (E = S, Se) 原子分別蓋接在 M4 (M = Cr or Fe) 金屬環上方以及下方,但若將主族改變為碲,而莫耳比改為2: 1: 2: 2,卻得 arachano 錯合物 [Te2CrFe2(CO)10]2– (3),X-ray 單晶繞射分析顯示結構 3 底部為一蝴蝶構形的Te2Fe2(CO)9,再由一Cr(CO)4 片段橋接在Te2 上。進一步我們將化合物 2 於80 oC 1 M KOH的甲醇及乙氰溶液中反應可得到雙三角錐化合物 [Se2Cr2Fe(CO)9]2– (4). 並藉由理論計算對一系列混和鉻鐵化合物之電子結構以及電化學進行分析與討論。 關鍵字: 16 族元素、團簇化合物、錳、鉻、鐵、氫氣、電化學。