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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    稀土鐵石榴石與鈣鈦礦奈米材料之結構、磁性和應用
    (2023) 劉仕渝; Liu, Shi-Yu
    鈣鈦礦和稀土石榴(REIG)薄膜具有優異的光學和磁光特性。因此,將這兩種材料結合在一起可以創造出具有可調控光學和磁性性能的異質結構,並應用於光學通信、光學記憶和磁光元件等領域。在本研究中,我們將深入探討鈣鈦礦和REIG薄膜各自的潛在價值。近年來,一些研究表明使用稀土元素(RE)元素代替釔(Y)來調節石榴石薄膜的應變誘導磁異向性。REIG薄膜(~100 nm)藉由脈衝雷射沉積法製備於(111)取向的釔鋁石榴石(YAG)基板上。釤、钬和釔鐵石榴石(SmIG, HoIG, and YIG)具有垂直於膜面的壓縮應變,而鉺和铥鐵石榴石(ErIG and TmIG)具有弱的拉伸應變。由於負磁致伸縮常數,因此SmIG和HoIG薄膜表現出相對強的垂直磁異向性(PMA)。隨著技術的發展,對高存儲容量和快訪問速度的需求不斷增加。因此我們選擇對擁有相對強PMA的SmIG薄膜進一步研究。藉由降低SmIG薄膜厚度,可使其具有更強的壓縮應變,進而獲得更強的PMA。相比之下,YIG在30-120奈米區間仍展現水平磁異向性(IMA)。這一發現表明磁性能受Y:Sm比的顯著影響。隨後,我們製備了一系列不同厚度、Sm摻雜濃度的SmYIG薄膜。振動樣品磁力計揭露隨著厚度的遞減和Sm摻雜濃度的增加,可使SmYIG薄膜具有較強的PMA。此外,我們展示了在不同Sm摻雜濃度下,SmYIG薄膜的臨界厚度。為基於REIG薄膜的高密度磁信息存儲鋪平道路。YIG與反鐵磁材料的結合因其在自旋泵等應用中的潛力而備受關注。因此,我們於YIG薄膜上沉積氧化鈷(CoOx)薄膜以研究介面效應。由於CoOx薄膜於高溫缺氧環境下製備,所以其表面區域由純CoO組成,界面區域則為CoO和Co的混合物。CoOx/YIG薄膜不僅表現出低溫下由CoO提供的磁耦合,還表現出由鐵磁Co提供室溫負交換偏置(RT-NEB)。與CoOx/YIG薄膜相比,我們於YIG薄膜上製造了進一步氧化的CoO薄膜,並觀察到室溫正交換偏置(RT-PEB)。RT-PEB隨著外加磁化場增加而增加,並在外加磁化場為500 Oe時飽和。隨著溫度降低,PEB 逐漸轉變為 NEB。這些結果清楚地表明 CoO/YIG 雙層系統中PEB和NEB共存,而PEB歸因於CoO界面自旋的反平行耦合,而NEB歸因於AFM-FM耦合。有機-無機鈣鈦礦(MAPbBr3)/鐵磁異質結構在光控自旋電子元件中已被廣泛探討。然而使用金屬鐵磁層作為底部電極仍然是一個挑戰。因此,我們提出插入氧化鋁(AlOx)或石墨烯(Gr)層的超薄異質界面來改善均勻性。通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡,我們觀察到MAPbBr3層成功地形成了緻密的連續薄膜。此外,AlO¬x或Gr層的存在可以有效地防止鈣鈦礦和鐵磁金屬薄膜之間的氧化和界面擴散。然而,MAPbBr3層在環境下很容易受溫度、濕度、氧氣濃度影響而分解。因此,我們製備了全無機銫鉛溴化物鈣鈦礦量子點(CsPbBr3 QDs)來替代鐵磁層上方的 MAPbBr3,並研究了藍光雷射對磁性的影響。隨著雷射照射時間的增加,CsPbBr3 QDs的表面形貌和特徵尺寸發生了顯著變化並逐漸演變,引發了一系列氧化還原和界面擴散過程,特別是在 CsPbBr3 QDs/Co異質結構的界面處。這些結果開啟了鈣鈦礦/鐵磁異質結構在自旋電子學應用研究。
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    原位光導技術量測二硫化鉬極致薄膜材料於二氧化碳光催化還原反應的應用
    (2021) 柯尚緯; Ke, Shawn-Wei
    本篇論文主要探討使用熱蒸鍍與化學氣相成沉積法合成的三奈米半導體薄膜材料二硫化鉬(MoS2)在光催化二氧化碳還原的反應機制,而我們也藉由薄膜材料對環境感測優異的特性,製作光感測裝置並且使用四極式半導體探針體測量儀去觀測光電導在光催化反應中變化,來幫助我們更深入反應中電子傳遞機制。在我們所測量光導數據主要所做的差異化實驗有環境變因和波長變因去設計實驗,而在光催化方面我們是採用氣體氣相層析去量測與計算產量,再使用長時間光導測量去比較在不同氣體環境下的數據差異,可以得知在二氧化碳和水氣得環境下確實能使光電流下降,即代表載子被氣體分子吸收還原為可循環利用的有機分子燃料。而在波長上主要是紫外光有最佳的光響應,甚至造成了特殊的巨大持久性光導(GPPC) 性質,藉由上述兩者的數據結合,我們能推導出光激發載子與反應氣體間的電子傳遞機制。為了解釋電子傳遞的行為,從能帶彎曲的兩種模式表面電子聚集(SEA)和表面電子消耗(SED),並且參考了光電導的載子活期和光電流大小等特性,推論出表面電子聚集為本薄膜材料提出一個合理和完善的解釋。本研究為了解電子傳遞效應如何影響材料的催化效率,主要的方法即是生成凡德瓦二維異質材料,藉由生長三奈米二硫化鉬薄膜於單層石墨烯來達到材料之間優異的原子級接觸和特殊傳遞特性,更藉此影響和增進光催化二氧化碳還原產率。
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    二維材料石墨烯與過渡金屬雙硫屬化合物之光譜性質研究
    (2014) 沈稚強; Chih-Chiang Shen
    我們量測摻雜三聚氰胺分子的石墨烯薄膜及單層過渡金屬硫屬化合物(MoS2,MoSxSey)薄膜樣品的兆赫波吸收能譜與橢圓偏光光譜,探究這些樣品的電荷傳輸行為與電子結構。我們使用化學氣相沉積法(CVD)與電化學剝離法(ECE)製作摻雜三聚氰胺分子的石墨烯薄膜樣品,並以化學氣相沉積法製作單層過渡金屬硫屬化合物薄膜樣品。   我們發現摻雜後的石墨烯薄膜樣品,在頻率位置155 cm-1有一個吸收峰,此應與摻雜了三聚氰胺分子後所造成的晶格結構無序性有關。此外,居德電漿頻率(摻雜後的石墨烯薄膜與單層二硫化鉬薄膜分別為21和7 THz) 隨著溫度降低而下降,載子的鬆弛時間(13和26 fs)並不隨著溫度改變有顯著的變化。這些結果顯示摻雜後的石墨烯薄膜與單層二硫化鉬薄膜樣品具有半導體的特性。   此外,以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品,其居德電漿頻率大於使用化學氣相沉積法製作的樣品。相反的,以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品,其載子的鬆弛時間(10 fs)短於使用化學氣相沉積法製作的樣品(84 fs)。有趣的是,單層MoSxSey薄膜樣品的居德頻率由6.5到8 THz,載子鬆弛時間從19到26 fs。   我們發現以化學氣相沉積法製作的石墨烯薄膜樣品,其吸收能譜在紫外光頻率波段具有一個不對稱的Fano共振吸收。這個吸收峰主要是激子在能帶間的躍遷。相較於未摻雜的樣品,摻雜後的石墨烯薄膜樣品,吸收峰的頻率位置呈現藍移的現象。以電化學剝離法製作的石墨烯薄膜樣品,其吸收能譜的波形較為對稱。我們推測此與使用不同的成長方式,改變了石墨烯薄膜樣品的電荷分佈有關。此外,單層MoSxSey薄膜樣品具有直接能隙(二硫化鉬和二硒化鉬分別為1.95 和 1.62 eV)。二硫化鉬和二硒化鉬的激子束縛能分別為0.28和0.24 eV。
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    高分子聚合物製備石墨烯
    (2012) 潘思如; Sz-Ru, Pan
    石墨烯具有眾多優異特性,於近幾年蓬勃發展,無論是針對其理論特性亦或是實驗量測皆掀起一陣熱潮,其優異特性如超高電子遷移率、電導率、熱導率、透光性及機械特性等,將被廣泛應用於各學界,亦因石墨烯擁有眾多特性,促使本實驗對其進行探究。 石墨烯製備方法許多,除最先利用膠帶之機械剝離法,發現了單層石墨烯外,另有其他眾多方式,如:氧化還原法、化學氣相沉積法、碳化矽延展生長法等,以及於2010年發表至Nature期刊初次利用固態碳源製備石墨烯之方法,本實驗石墨烯製備方法即採用固態碳源製備石墨烯。 本實驗利用高分子聚合物PMMA塗佈於完成預處理之25 m厚的銅箔上並進行烘烤後,將處理完成之樣品置於紅外線黃金鍍膜快速升溫加熱爐(RTA)中,執行石墨烯高溫製程,藉由調控製程溫度、塗佈轉速、氣體流量、降溫條件等製備環境之操控以製備石墨烯。 使用銅箔與PMMA作為基板與碳源,除了銅箔取得容易,其還具有催化碳分子堆積於銅箔表面之特性,而固態碳源PMMA亦是實驗材料中容易取得之材料,利用PMMA成功製備出石墨烯,可藉以推廣應用至各項含碳物質,生活環境中眾多物質皆有機物,可取之運用做為製備石墨烯之碳源。 本實驗製備石墨烯之過程,藉由縝密之實驗條件改善後,本實驗結果成功製備石墨烯成膜於銅箔表面,將樣品進行轉移至載玻片,利用拉曼光譜儀檢測樣品品質與層數,可成功生成單層與雙層石墨烯,表面型態則藉由光學顯微鏡進行檢測。
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    化學氣相沉積法合成石墨烯
    (2012) 曾咨耀; Tzu-Yao Tseng
    近年來隨著科技不斷進步,人類生活與科技更是密不可分,半導體與電子元件更是蓬勃發展。於半導體與電子元件逐漸縮小化之製程條件要求下,以往元件縮小技術面臨重大挑戰,此時直接製程微小奈米結構成為另一種趨勢。包括奈米碳管、奈米線與近年熱門新興材料石墨烯。其特有準二維結構與快速電子飄移率更是備受大家矚目。 有別於2010年諾貝爾獎得主在2004年所發表機械撥離法,也就是於高定向熱解離石墨(HOPG)中,運用膠帶反覆黏貼,機率性取出單層石墨烯。然而因取之不易,故無法針對工業上之應用進行量產。故本實驗採用化學氣相沉積法(CVD),利用過渡金屬銅箔當作催化金屬,於銅箔表面沉積石墨烯,並轉移至所需基板上。 根據2009年由美國德州大學R. S. Ruoff所率領之研究團隊在Science期刊發表,利用化學氣相沉積法於過渡金屬「銅」上合成95%以上單層石墨烯,因銅之自我限制機制,故當石墨烯完全覆蓋表面後將不再繼續沉積雙層甚至多層石墨烯。 相較於單層石墨烯快速之電子飄移率,雙層至十幾層有更多於單層石墨烯之自由電子數,更有利於較高導電效率之應用發展。因此我們研究溫度、壓力與氣體流量比例對石墨烯樣品結構與層數改變之影響。利用拉曼光譜分析儀分析品質與結構缺陷。 轉印製程中,我們利用PDMS支撐石墨烯並蝕刻銅箔,轉移至載玻片上。利用原子力顯微鏡與四點探針觀察厚度與其片電阻。
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    運用乾式轉印法製作二維材料元件
    (2016) 李啟安; Lee, Chi-An
    傳統的二維材料轉印中分為濕式轉印以及乾式轉印,濕式轉印一般都會使用甲基丙烯酸甲酯(Polymethylemthacrylate;PMMA)作為轉印媒介,但此方式往往困擾於去除PMMA光阻聚合物時,光阻殘留液體影響到二維材料的電性以及鍵結等特性。而傳統乾式轉印法所使用的膠帶以及其聚合物也往往汙染樣品,且無法轉印置所需的區域。本文改以聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)作為剝離與轉印二維材料的媒介,提供了全程從剝離與轉印,完全乾式的轉印形式。本文運用此技術應用於轉印石墨烯、拓樸絕緣體(Bi_2 Se_3)以及二硫化鉬(MoS_2)製作成場效電晶體元件,且製備石墨烯霍爾元件以及以氮化硼為基底的石墨烯場效電晶體,並以拉曼光譜檢驗樣品經轉印後仍保持與轉印前良好與相同的品質,並量測到Shubnikov-de Hass effect。
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    新穎化學氣相沉積石墨烯轉印技術之開發
    (2012) 黃奕盛; I-Sheng Huang
    石墨烯為碳原子彼此以sp2混成軌域組成單原子層厚度的二維材料,具備了良好的透光度、化學穩定性、低片電阻、理想的功函數、高機械強度及低成本。近年來,在製備及轉印石墨烯方法有很多種,主要都是針對如何增進石墨烯的品質及改善轉印造成的缺陷,使其在提升光電元件上之應用性。此研究主要致力於單層石墨烯轉印技術上的改善,因石墨烯轉印至基板的優劣通常直接影響了光電元件的表現。 本實驗使用化學氣相沉積法,以銅箔當金屬催化層,成長高品質的單層石墨烯,我們研發出二種新型轉印方法有別於傳統之轉印方法,有效的改善CVD石墨烯在矽基板及塑膠基板上的品質。第一種:我們結合了最常見的PMMA法及Roll-to-roll法,此方法不但保有PMMA法轉印後石墨烯的高品質、低電阻的優點,同時還能利用Roll-to-roll法免除石墨烯與基板在水溶液中撈取的問題,此單層石墨烯在塑膠基板上的片電阻約為400Ω⁄sq,2D band半高寬約為36cm-1,I_G⁄I_2D ≅0.62。第二種:因為目前各種轉印方法,都需憑藉有機物的支撐,才能將石墨烯從銅箔上轉印至基板,而此方法則不需任何有機物的支撐,我們單純以物理吸附的現象,利用靜電吸引力的方式,將銅箔上的石墨烯以靜電力吸附至基板上進行轉印,毋殘留有機物,達到一個高品質且乾淨的石墨烯,此單層石墨烯在塑膠基板上的片電阻約為500Ω⁄sq,2D band半高寬約為35cm-1,I_G⁄I_2D ≅0.66。預期這兩種簡單、快速的石墨烯轉印方式,能有效地提升光電元件效益。
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    以NFSI有機分子摻雜化學氣相沉積法石墨烯並提升石墨烯/矽-蕭基接面太陽能電池轉換效率
    (2012) 曾紀洋; Chi-Yang Tseng
    石墨烯,為碳碳原子之間以sp2鍵鍵結而成的二維結構材料,因為具有許多特殊的物理性質,像是高載子遷移率、高熱傳導性、優異的機械性質及光學性質,因此可望應用在電晶體、透明導電電極、偵測器以及光電元件上。 近年來,許多研究致力於改善以及探索石墨烯的電性,並可望開發於光電元件上的應用。在本篇論文中,我們以化學摻雜的方式摻雜NFSI((C6H5SO2)2NF)分子於石墨烯上。NSFI摻雜後的石墨烯,其電阻值明顯大幅的下降並且還維持著良好的穿透度。在拉曼圖譜中確認NFSI對石墨烯摻雜上的變化,摻雜前後比較,發現G band和2D band偏移分別為1581至 1586 cm-1、2631 至2643cm-1。更進一步了解摻雜前後電性上的改變,從石墨烯電晶體以及霍爾效應量測電性的結果,我們發現石墨烯電洞的載子濃度大幅度上升,證明了NFSI摻雜之石墨烯為P型態摻雜,而載子遷移率的下降主要是因為雜質散射所造成。 此外,我們結合了一層NFSI-石墨烯/n-矽形成蕭基接面太陽能電池做為探討。在這樣的結構元件下,以AM1.5照射所得到的轉換效率可以達到3.56%,與未摻雜前的1.74%提升了2倍左右。接著以電流—電壓、電容—電壓關係量測元件特性,可以發現效率的提升以及開路電壓的增高,主要是因為NFSI提高了石墨烯的載子濃度以及提升了元件系統中的內建電位。
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    石墨烯與金奈米粒子疊層結構材料應用於基質輔助雷射脫附游離質譜儀之分析
    (2012) 邱瑀辰
    本篇研究是發展出一種新穎疊層結構材料應用在表面基質輔助雷射脫附質譜儀之分析,一方面藉由近年來廣泛受到注目石墨烯材料,利用其多苯環以及片狀材料所導致的良好傳熱及導電性,搭配常見傳統的偵測小分子基質-金奈米粒子利用旋度塗覆的方式,形成多層的疊層結構,藉由兩者都為良好的基質特性,進一步達到增加分析物游離的效果以及增強分析物的分析訊號並提高其靈敏度,由於材料疊層結構的穩定性使得分析物在測量過程中有良好再現性。 儀器條件方面是採正離子模式,折返式偵測器下進行偵測,樣品濃度皆為10-4M,點樣的方法皆取1.5μL點樣,在材料鑑定方面我們可從SEM看出材料剖面疊層結構厚度大約是200nm,另外再從紫外光吸收儀也可以看出同時具有金奈米粒子與石墨烯的吸收波長。 在比較2、5、10、15、25不同層數材料基質的質譜圖中,在訊號強度及背景訊號干擾的考量下, 以10層的結構較適合最為進一步條件的探討,析物方面,我們選擇了不同種類的分析物如醣類分子、多種胺基酸以及胜肽進行偵測,結果而本研究所開發的疊層材料能夠有效偵測溶於不同分析物,且此新穎疊層結構改善與金有特殊之鍵結之化合物之分析訊號。
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    硼氮共摻雜石墨烯之電子元件
    (2014) 李佩玲
    石墨烯是一種二維材料,其厚度只有一層碳原子厚。是目前最薄且最硬的奈米材料,由於其具有獨特的結構與優異的物理特性。可廣泛運用在各個領域上,但因單層石墨烯能帶隙接近於零,故無法應用於半導體產業。開啟能帶結構,單層石墨烯即可以應用於半導體元件。開啟石墨烯能帶結構之方法有量子限制效應、對稱破壞與化學摻雜等。本論文使用熱化學氣相沉積法,藉由改變摻雜源BH3NH3之預熱溫度以及甲烷流量,控制硼和氮在石墨烯中之摻雜濃度,可得不同B-N摻雜濃度與能隙之摻雜石墨烯(boron carbon nitride, BNC)。藉由霍爾效應觀察不同濃度氮硼摻雜石墨烯的電性變化以及利用不同轉印方式和不同測量面積大小,光電子能譜儀、拉曼、探討BNC之鍵結與特性分析。