物理學系

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近年來已在課程方面 著手變革,因應學子的各種不同的生涯規劃與需求,加強職業輔導與專業能力的提升,增加高科技相關課程,提供光電學程(光電半導體、半導體製程技術、近代光 學與光電科技等)、凝態物理、表面物理與奈米科技、高能與理論物理、生物物理、應用物理等研究發展專業人才,並配合博士逕讀辦法,讓大學部學生最快能在五 年內取的碩士(透過碩士班先修生),八年內取得博士,有助於提升本系基礎與應用研發能量,為各學術研究機構與業界高科技創新與研發人力(包括在光電業、半 導體製造業、電腦週邊產業等)。

本系亦推動網路教學(科學園)與數位科學研究,作為提供科學教學與學習系統平台的強化支援,並除了原先開設的教育學程外,多增強學生英語教學的能力,與世界科學教師系統連結,在教師從業方面,塑造世界級的物理科學教師,發揮教育影響力。

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    鈀基薄膜受氫化誘導無場磁自旋翻轉
    (2025) 劉子齊; Liu, Zi-Qi
    隨著低功耗自旋電子器件對精準磁矩控制的需求,無磁場驅動的可逆磁化旋轉充滿潛力;其透過簡單的切換即可在室溫下快速改寫磁易軸方向,為新一代磁阻式感測器、氫感測元件與 SOT-MRAM 提供極具潛力的致動機制。研究以氫化誘發磁矩無場翻轉為核心,系統探討 Pd 基薄膜之磁性、電性與電子結構調變機制。首先,採共蒸鍍方式將 Fe₄₀Pd₆₀ 以 45° 斜鍍沉積於 c-plane 藍寶石基板,因為陰影效應在表面形成一維波紋,使其產生單一方向對稱的磁晶異向性,以及與基板不匹配而生的介面異向性的競爭態勢。MOKE 量測顯示,一般情況下磁晶異向性主導,氫化後易軸旋轉約 70°,磁滯曲線由方正轉為傾斜,證實出現氫化驅動的自旋再對齊轉變(SRT)。藉由對薄膜逐層蝕刻可知,隨厚度降低磁晶異向性 貢獻遞減,而氫化仍可使易軸最終鎖定於 90°,突顯體積磁晶異向性對翻轉的主導角色。磁阻與電阻實驗進一步揭示,氫化後磁阻振幅與靈敏度皆顯著提升;磁化翻轉角度與磁疇動力學共同決定曲線形貌。X-ray 吸收光譜指出,氫原子佔據 Pd間隙造成晶格膨脹與 Pd-4d-H-1s 強雜化,使 Pd 端 XANES 肩峰對氫最為敏感,對應電子態密度及鍵結能量之重組。另一方面,本研究亦製備 Pd/Co/Mg 與 Pd/Co/Mg/Fe 多層膜。Co 層厚度由 1–3 nm 時,氫化可將矯頑力由 5 Oe 提升至 226 Oe,且呈現不可逆飽和行為;AFM 與 XRD 佐證鈀裂解氫後產生表面孔洞,驗證 Pd 具室溫催化活性,對磁阻元件有磁性減弱與矯頑力降低的影響,印證氫化對多層耦合的調控潛力。綜上,氫化可同時透過晶格-電子耦合與磁異向性競爭,在 Pd-基薄膜實現可逆且低功耗的磁矩無場翻轉與磁阻調變;其機制清楚連結巨觀磁阻、微觀磁疇與電子結構變化,為氫控制自旋電子元件提供新的材料設計途徑與物理依據。
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    氫氣影響鐵鈀合金與鎂基多層膜的磁性以及結構變化
    (2023) 廖黎杰; Liaw, Li-Jie
    氫化效應對磁性材料的影響已被廣泛研究,目前已知的熱門儲氫材料中以可在室溫且低氫氣分壓儲氫的鈀(Pd)為主,其高氫敏感性適合觸發材料中的磁性變化。本篇論文以第一部分著重在鎂(Mg)基儲氫材料,其儲氫能力是自身體積4倍最受矚目,然而Mg塊材需要高溫高壓的氫氣環境才能吸收氫氣並且儲存。通過鈀覆蓋層的催化作用,氫分子的裂解在催化過程中有效發生,促進氫原子擴散到底層的純鎂。該過程已被實驗證實在室溫、1 bar的氫氣壓力下發生。Pd/鈷(Co)/Mg多層膜的磁光柯爾效應(MOKE)在真空和1 bar氫氣壓力下測量以進行比較。氫化效應不可逆地將矯頑力(Hc)從25 Oe提高到大約200 Oe。在使用原子力顯微鏡(AFM)量測表面形貌下,氫化後的樣品表面粗糙度從0.1增加到6 nm,且通過 X 射線衍射(XRD)量測在室溫環境下形成穩定的MgH2相。此外,將具有高儲氫穩定性的Mg間隔層夾在Pd/Co/Mg/Fe多層結構中,以提高其儲氫穩定性並探索該結構的磁傳輸特性。透過平面磁場四點測量,磁阻率(MR ratio)的變化從0.22±0.01%增加到0.30±0.01%,這也表明MgH2增加了自旋散射概率和熱效應的穩定性。在我們研究的第二部分,我們重點關注了Pd的獨特性,特別是其高吸氫能力和可逆氫化行為,以及氫氣脫付的遲滯現象,這使其非常適合與氫相關的應用。為了解氫化對磁性的影響,我們的目的是探索氫化對磁異向性能的改變及其與FePd薄膜晶體結構的關係。我們採用X射線磁圓二色性(XMCD)來檢測氫吸收對FePd合金薄膜中Fe磁矩的影響,透過觀察到特徵峰的顯著變化,表明磁性行為發生了變化。值得注意的是,我們發現 FePd薄膜中的磁異向性可以通過吸氫和解吸過程可逆地旋轉無需外部磁場。這使我們能夠實現無磁場開關,這是磁控制領域的一個顯著進步。此外,我們的研究證實FePd薄膜的磁異向性主要受界面應變誘導的磁異向性能與傾斜沉積誘導的表面微結構之間的競爭,且通過橫截面透射電子顯微鏡(TEM)分析和檢查不同厚度的FePd異向能證實了這一觀察結果。總結來說,我們的研究為氫化對磁性薄膜磁性的影響提供了有價值的見解。這些發現證明了MgH2形成、自旋散射和Pd/Mg基多層膜的磁性之間的相關性。 FePd合金體系中磁異向性的可逆控制是通過吸氫和解吸實現。這項研究為自旋電子元件中氫遷移和存儲的控制提供了不同的見解,為磁性元件中的磁矩切換機制引入了新的自由度。
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    Co/FePS3與Pd/Mg/[Fe/Pd]n異質結構的磁性與功能性
    (2023) Alltrin Dhana Raja Gopal; Alltrin Dhana Raja Gopal
    在本論文中,我們首先研究鐵磁/二維反鐵磁材料(Co/FePS3)異質結構的介面磁耦合,這對於未來在自旋電子元件應用中至關重要。原子力顯微鏡揭露機械剝離法製備的FePS3薄膜表面存在約單層的缺陷。隨著Co層均勻地覆蓋於FePS3層,其表面粗糙度降至~ ±0.5 奈米。在磁特性方面,Pd/Co/FePS3異質結構表現出水平磁各向同性,並且當溫度從~85 K升高到~110-120 K時,磁矯頑力急劇降低<50%,這與FePS3的尼爾溫度相似。因此,該結果支持Co和 FePS3 薄膜之間界面磁耦合的想法。隨後,即使在高達 473 K的退火後,Co和 FePS3 薄膜之間的磁耦合仍然有效。此外,X射線磁圓二色性證實了沿平行於Co薄膜磁化的方向存在非補償Fe磁矩。淨Fe磁矩應該在調控水平異向性的Co薄膜和垂直異向性的FePS3層之間的磁耦合中發揮重要作用。 在接下來的研究中,我們探討氫氣對Mg/[Fe/Pd]x/Pd和[Fe/Pd]x/Pd多層薄膜的磁性響應。我們製備了不同Fe層厚度(0.1, 0.2, 0.4 nm)和不同週期的Fe/Pd多層薄膜,並利用磁光柯爾效應在大氣和氫氣環境下觀測樣品的磁特性。實驗結果顯示Fe/Pd多層膜在大氣和真空中表現出相同的磁特性。然而當樣品暴露於1巴的氫氣後磁矯頑力迅速下降,且在氫氣環境中保持穩定。即使樣品離開氫氣環境,此氫化效應仍可維持長達約1個小時,並且該效應對磁特性的影響是可逆的。此外,在真空和氫氣環境下皆可觀測到清晰的磁域翻轉影像,與磁滯曲線的變化相呼應。緊接著,我們使用氬氣對Mg/[Fe/Pd ]x/Pd多層膜表面轟擊,以產生微小的缺陷,使得薄膜相對於原始狀態具有更強的磁性響應。
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    鐵鈀合金薄膜在氫化效應下旋轉磁異向性
    (2021) 廖黎杰; Liaw, Li-Jie
    近年來鈀金屬相關的固態材料在氫化效應下進行了廣泛的研究。與本實驗以前專注在CoxPd100-x合金不同,研究中我們著重於研究FexPd100-x合金薄膜的磁性行為,因為FexPd100-x合金這項固態材料對於氫原子的儲存時間更長,能進行更多的研究和應用。材料製成方面選擇為藍寶石基板在超高真空下利用電子束熱蒸鍍完成,在確認不同比例FexPd100-x合金薄膜下利用原子力顯微儀(AFM) 確認鐵鈀兩種鍍源的鍍率,依照不同鍍率的選定改變不同參數製備不同比例FexPd100-x合金薄膜。 我們利用磁光科爾效應(MOKE)量測了各種比例的FexPd100-x合金薄膜磁性,確認了不同比例FexPd100-x合金後在真空中以及在1 bar氫氣壓力下測量磁滯曲線以進行比較。實驗結果觀察到氫化效應不僅改變了矯頑力,此落差最大來到1.3 (Oe),甚至改變了磁異向性,氫化效應前後旋轉了磁易軸約60度,同時還確認了氫原子從FexPd100-x合金膜中的解吸時間,儲存的時間高於20小時。並且利用X射線繞射儀(XRD)確認FexPd100-x合金與藍寶石基板的晶格結構關係。這些結果對於我們弄清楚FexPd100-x合金薄膜中氫原子與磁化強度之間的關係非常重要,並將成為未來的工業上應用提供參考。