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 稻殼矽素液抑制蝕骨細胞分化的機制探討(2024) 黃信豪; Huang, Sin-Hao人體骨骼的建構與骨質的平衡主要由造骨細胞 (osteoblast)及蝕骨細胞(osteoclast)負責，兩者細胞具備體內恆定 (homeostasis)效應，並與細胞外基質 (extracellular matrix)連結形成骨骼系統，而當骨組織的代謝發生失衡將引發骨頭疾病，包括骨質疏鬆症、骨關節炎、骨頭畸形、類風溼性關節炎等。矽 (silicon, Si)屬於超微量元素，過去研究已指出矽元素具有維持及改善結締組織、關節、骨頭及皮膚等結構完整的功能，在動物和人體試驗結果顯示矽元素的補充可增加骨頭礦物質密度，並能改善骨質強度。然而，目前探討矽元素對於骨質流失的研究甚少，機制同樣未明。本研究團隊製作一種高吸收率的矽素液劑 (rice husk silica liquid, RHSL)，是來自稻殼提取的二氧化矽經鹼溶後的液態劑型，目前已知RHSL可能作為細胞自噬 (autophagy)增強劑的潛力。近年研究發現造骨細胞與蝕骨細胞的骨平衡效益，和細胞內自噬作用 (autophagy)調節可能關係密切，因此本論文欲研究 RHSL 是否影響蝕骨細胞分化，並探討如何透過細胞內機轉及細胞自噬來影響細胞的分化。本研究以 RAW264.7 巨噬細胞 (後續以 RAW 細胞表示)作為分化基礎模式，以 RANKL (Receptor activator of nuclear factor-κB ligand)及 M-CSF (Macrophage colony stimulating factor)誘發 RAW 細胞分化成蝕骨細胞，分化過程加入不同濃度 RHSL 檢測蝕骨細胞分化的改變。結果顯示蝕骨細胞的數量會隨著 RHSL 處理濃度上升而減少 (矽素濃度 25-100 μg/mL)；透過西方點墨法分析發現 RHSL 處理明顯降低 ERK 與 AKT 蛋白質磷酸化，卻提高 JNK 蛋白質磷酸化。另外，利用自噬體染色 (acridine orange)則發現 RHSL 會增加自噬作用，具劑量效應，推測 RHSL 藉由提高 JNK 來促進蝕骨細胞自噬作用，因此減少蝕骨細胞的分化。根據本研究結果， RHSL 具有抑制蝕骨細胞形成的能力，未來可能作為改善骨質代謝疾病的潛力元素，值得更多研究支持。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 結合二碲化鈷與二氧化鈦保護層之矽微米柱異質結構應用於光催化水分解(2017) 林育辰; Lin, Yu-Chen全球每年平均能源消耗約15兆瓦，且對於能源之需求與日俱增，故各國積極開發乾淨之替代能源變得越來越重要，而有效利用太陽能進行光催化水分解為一新之展望，其可取代化石燃料，以達到無碳排放與零污染產物等特點。應用於光催化水分解之光觸媒須滿足特定條件，首先須為半導體材料，且其導電帶位置須負於氫氣之還原電位，此研究以矽為光觸媒，因其具窄能隙，故可利用大部分之可見光，為太陽能產氫能源建立新之里程碑。 此研究使用矽微米柱陣列結構作為光捕捉之利用與增加反應表面積，並減少電子擴散路徑，其藉由黃光微影製程技術與乾式蝕刻製作而成，完成之柱長與直徑分別約為10 μm和0.85 μm。然而於目前之研究領域中，矽基光電極仍有許多問題存在，大致上為光生載子動能不足與氧化物生成造成不穩定之結果。此研究利用修飾過渡金屬二硫屬化合物(transition metal dichalcogenide；TMD)為軸，以二碲化鈷(CoTe2)作為共觸媒，並使用原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)生成二氧化鈦(TiO2)作為保護層以解決上述之問題。藉由簡易之陽離子交換反應法，以鈷離子置換前驅物亞碲酸鈉(Na2TeO3)之鈉離子，並經氫氣還原反應後得二碲化鈷。而經原子層沉積後，可於電子顯微鏡下觀察到二氧化鈦包覆於矽微米柱表面，以避免電解液與矽基材直接接觸。 於異質介面上探討能帶彎曲對稱情形，使介面能障消失，更以六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane；HMDS)進行預處理，減少表面張力並對表面進行改質，可有效改善共觸媒不均勻分散於微米柱結構之情況，並可降低介面阻抗，其結果於電子顯微鏡下觀察到粒子聚集情況降低，且以X光光電子能譜分析可得矽-氧鍵之比例減少，進而改善光生載子傳輸效率，以降低載子再結合發生機率。 光電流特性則於模擬太陽光照射(100 mW/cm2)下，以標準氫電極電勢(reversible hydrogen electrode；RHE)為0 V下量測其光反應，其結果顯示於定量下30 μL共觸媒前驅物所合成之二碲化鈷具最佳光電流特性，於0 V vs. RHE下光電流可達24 mA/cm2，同時起始電位正偏移至0.17 V。而沉積二氧化鈦保護層後，進行長時間產氫量之量測，經計算後可得約80%之法拉第效率(Faradaic efficiency；ηF)，且其穩定性於酸性電解液環境中可維持5小時無明顯衰減。Item 矽原子在銥(100)切面上的動態行為與交互作用(2016) 張琬喻; Chang, Wan-Yu本實驗利用場離子顯微鏡觀察吸附矽原子在銥(100)切面上的動態行為及交互作用。利用單顆吸附矽原子在不同溫度下的熱擴散運動，並配合Arrhenius plot求得擴散活化能E_d=0.91±0.02 eV。雙顆吸附矽原子在加熱到400 K以上時，彼此間的距離較低溫時的大，也間接證明在此溫度下，原子有足夠的能量去排列成有序結構。觀察雙顆吸附矽原子在銥(100)切面上的動態分布，顯示出矽原子在銥(100)切面上會位於不同佔位上(例如：四重對稱站位、橋位和上位)，也表示矽原子彼此間的交互作用力大於矽原子與基底間的交互作用。雙顆吸附矽原子會在相距三個銥基底的晶格常數下處在最低的交互作用能0.086 eV。原子間的交互作用會受到基底的二維自由電子氣影響，產生Fridel oscillation的現象，藉由理論公式與實驗數據擬合，可以得到銥(100)切面上的費米波向量應該為1.35 Å。當加熱到431 K時，蒸鍍在銥(100)切面下的矽原子會發生上行運動。Item 共催化劑修飾於矽微米柱以提升光催化產氫之效率(2016) 楊凱智; Yang, Kai-Chih石化燃料快速之消耗，使可再生之替代能源更加被重視。近期以半導體材料進行光催化水分解之研究蓬勃發展，乃因光陰極產生之氫氣已被視為具發展性之替代能源。本實驗藉微影與乾蝕刻技術將矽基板蝕刻成矽微米柱結構(Si MWs)，以提升光陰極之吸光率與反應面積。然而其光生載子動能偏低與表面易生成氧化物之問題，使矽無法有效進行光催化水分解反應。 故第一部分實驗以簡易化學合成法，將共催化劑鈷二硫屬化物(CoX2)修飾於矽微米柱上於廣範pH值溶液進行光催化產氫反應，CoX2降低因矽照光所產生之電子電洞對之再結合，進而提升光催化水分解之效率，並因其核-殼狀結構隔絕矽表面與氧氣之接觸，抑制矽表面生成氧化層，進而提高光陰極材料之穩定性。實驗中修飾二硫化鈷之光陰極(Si@CoS2)於酸性溶液下表現優於修飾二硒化鈷之光陰極(Si@CoSe2)，乃因Si@CoS2具較大活性面積與較高之吸光率。然而，於中性與鹼性溶液之瞬態電流量測中，Si@CoS2具不穩定與過衝電流之現象產生。反觀地，Si@CoSe2穩定於廣範pH值溶液進行300分鐘反應，於鹼性溶液之計時伏安量測後，其光電流密度提升至-5.0 mA cm-2，乃因CoSe2轉為非晶相結構，使其裸露更多活性端與氫離子進行反應。 然而，因CoX2與p型矽之界面產生不適合之能帶彎曲，降低電子之傳輸效率，故於第二部分實驗選用能與p型矽產生p-n接面之共催化劑二硫化鉬(MoS2)，並對MoS2摻雜過渡金屬(MMoSx；M = Fe, Co, Ni)，使MoS2裸露出更多活性端。於X光繞射與拉曼圖譜發現，異金屬原子之摻雜破壞MoS2之晶格結構，呈現非晶相之結構。於酸性溶液下，修飾MoS2之光陰極(Si@MoS2)於外加偏壓為零伏下之光電流密度達到-8.41 mA cm-2，其中以摻雜鈷金屬原子之光陰極表現最佳，其光電流密度於外加偏壓為下達到-17.2 mA cm-2。藉X光吸收能譜發現，MMoSx中僅鈷與鎳金屬原子為以取代鉬原子之方式摻雜入MoS2內，其中以摻雜鈷原子之MoS2裸露出最多之活性端，於計時伏安量測亦可發現，Si@MoS2摻雜鈷原子後其法拉第常數由原本63%提升至81%。Item 矽單層在銀薄膜上的表面形貌與能譜分析(2016) 蘇泰龍; SU, Tai-Lung在文獻中得知可以在單晶金屬表面上成長矽單層結構，在本實驗中Si(111)-(7×7)表面上成長6 ML的Ag(111)薄膜取代單晶銀塊材，然後在成長矽單層結構在銀薄膜上。首先將矽基板經過Flash與熱退火的步驟製成Si(111)-(7×7)，然後降至100 K後鍍上6 ML的銀，溫度回到室溫在加熱退火至570 K，等樣品緩慢降至室溫就完成銀薄膜的製備，接著成長矽單層。 要成長矽單層，基底需要維持在500 K以上，在本實驗選擇將銀薄膜維持在550 K，鍍上1 ML的矽，就完成矽單層的製作。在此溫度製備完成的矽單層，可以用STM觀察到四種矽單層結構，分別是4×4、 、兩種 結構，除了結構上再加上STS結果，比較後發現並無差異。 因為基底並非銀塊材，所以用LEED觀察後發現Ag(1×1)會發生錯位，用STM觀察也得到相同的結果，並發現銀薄膜的錯位對矽單層的STS結果並無影響。 但當銀薄膜的厚度不同，會表現不同的特性，在6 ML的銀薄膜上鍍矽可發現矽單層，但在1 ML的銀薄膜上鍍矽卻沒有矽單層，推測鍍上去的矽與銀發生翻轉而往下埋入成為矽基板的一部分，所以6 ML的銀薄膜確實可用來代替銀塊材。Item 泛涵密度理論於硫化氫在Group IV (Si, Ge/Si, Ge) 半導體表面吸附與反應之研究(2011) 鄧宗凡; Tsung-Fan Teng本文利用泛函密度理論(DFT)探討硫化氫(H2S)在Si(100)-c(4x2)表面, Ge/Si (100)-c(4x2)與Ge(100)-c(4x2)表面上的吸附和反應。在這次研究中，我們發現了四種最穩定產物，其中一個是從來未在文獻中討論過的；這四種穩定產物都是從硫化氫分子吸附經由二次的氫解離，到硫原子跨橋鍵結的過程。另外，經由DOS分析發現Si (100)表面, Ge/Si (100)表面和Ge (100)表面擁有相似的特徵，其中都以c (4×2)為最穩定的表面。 在三者表面上，我們利用理論計算探討表面特性，包括鍵角、鍵能及鍵長；當硫化氫吸附上表面，我們也利用計算提供了中間物和產物的吸附能、鍵角、鍵長、振動波長、結合能以提供後續實驗化學家參考。 根據理論計算數據，我們也畫出反應能量圖，藉由此圖我們可清楚知道反應路徑、反應機構及能量的變化。在四個穩定產物中，其中兩個產物比較取決於動力學下的產物：另外中兩個產物比較取決於熱力學下的產物。主要原因在於速率決定步驟時的活化能以及產物的相對能量。根據反應能量圖，我們也發覺有些反應活化能較小，也利用了EDD(electron density difference) 去探討電子密度的分布來找到合理的解釋。 再者由於電子產品的不斷創新，本實驗也提供了不同材料表面的探討，原來由鍺來替換矽材料，是希望藉由鍺的電子高移動速率，達到較高品質的電子產品，但鍺表面的易氧化帶來負面效果，所以探討了在矽表面濺鍍一層鍺的表面特性。