中正大學物理學系學位論文
國立中正大學,正常發行
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中文摘要 由於石墨烯具有相當優秀的物理性質，因此一直是相當熱門的研究課題。本文以第一原理之密度泛函理論與含時密度泛函理論研究計算石墨、單層與雙層石墨烯在不同應變下的電學性質與光學性質，我們將考慮沿均向、扶手方向與鋸齒方向的應變。首先討論應變對其能帶結構與功函數的影響。最後，我們將研究材料在能量轉移波數向量( )沿著平面與垂直平面，且q值趨近於0的情況下之電子能量損失能譜(Electron Energy-Loss Spectroscopy，EELS)與應變的關係。我們會對不同近似方法作比較，其中包括絕熱局域密度近似(Adiabatic Local-Density Approximation，ALDA)與無規相近似(Random-Phase Approximation，RPA)，並討論局域場效應對EELS頻譜的影響。 我們發現應變對石墨的電子結構效應與對AB堆疊之雙層石墨烯的效應相似，在費米能階附近 與 能帶相交所形成的眼睛形狀大小會隨著應變的增加而增加；應變對單層石墨烯的電子結構的效應則與對AA堆疊之雙層石墨烯的效應相似，在費米能階附近的 與 能帶相交形成的迪拉克點(Dirac point)會隨著應變的變化而移動。我們也研究上述系統在不同的應變下，功函數與應變的關係，發現功函數隨應變增加而增加並且在-16%至-40%間會有極值。我們也發現材料在能量轉移波數向量( )沿著平面時，有局域場效應與無局域場效應結果近似；垂直平面時，有局域場效應與無局域場效應結果則有較大的差異。能量轉移波數向量( )在沿著平面與垂直平面時，ALDA與RPA結果近似。因此在能量轉移波數向量( )垂直平面時，必須考慮局域場效應。 關鍵字：含時密度泛函理論、石墨、石墨烯、雙層石墨烯、迪拉克錐、轉移波數向量、ALDA近似、RPA近似、局域場效應、EELS頻譜
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本論文利用光柵波導結構(grating waveguide structure，GWS)產生的導模共振效應(guided mode resonance，GMR)加上含偶氮高分子(azo-coplymer)材料受到特定波長光源照射材料分子排列會發生改變，造成材料的折射率發生改變，造成GMR共振波長位置也發生了變化。本論文就是利用這個概念，將光儲存裝置完成。也因為此材料分子轉動具有可恢復性，可以利用一些方法，將材料的折射率變回與原本折射率相差無幾，並成功將原本儲存在光儲存裝置上的資訊給消除，之後若在利用適當光源配合金屬光罩，又可重新將字樣或是圖形儲存進光儲存元件，此過程是非破壞性的，當重複寫入及消除裝置內資訊時，不會破壞其薄膜平整性以及圖像的解析度。 除了利用GMR波長共振位置的概念完成光儲存裝置並觀察其圖像及分析。本論文也提出了以相位方法來觀察圖像並了解當光通過本實驗設計的樣品後產生的橢圓偏振特性，並利用此量出來的橢圓偏振特性結果比對實驗觀察圖像的結果，可以找出一個最佳化的圖像亮暗對比以及變化趨勢。
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鐵電性和鐵磁性是凝態物理中的兩個重要性質，當兩者共存於同一材料上時，就形成所謂的多鐵材料。在鐵電與鐵磁共存的多鐵材料中，電性的改變可能影響磁性，反之磁性的改變也可能影響電性，此種現象稱為磁電耦合現象，磁電耦合現象使材料中不同鐵性間可以互相影響而有較高的應用價值。 但在一個材料中出現鐵電性和鐵磁性所需的對稱性並不相同，這使得同時存在鐵電性和鐵磁性的單相多鐵材料非常稀少，而碩果僅存的少數幾種多鐵材料的磁電耦合效應又相當微弱，造成在應用上難有突破性的進展。因此有人改以研究鐵電與鐵磁的多相複合型材料來尋找耦合強度較高的多鐵材料，而其研究成果發現複合型多鐵材料的耦合強度確實比單相材料要好。 本論文以第一原理研究複合型多鐵材料的磁電耦合性質，選用Fen/(BaTiO3)m（鐵磁/鐵電）的層狀二相複合材料為研究對象，藉著採用不同的鐵電層極化方向與外加不同的外加電場，來改變材料中的電性，藉此觀察並研究材料中的磁性隨著電性改變的變化情形，希望能以改變電性的方式來調控整體的磁矩和磁性異相能的大小。 研究結果顯示，鐵電層極化方向的改變對整體磁性的影響主要發生在Fe與TiO2的界面附近的原子，其中最靠近Fe層的Ti原子磁矩變化最大；而對於磁性異相能的調變，僅施以外加電場的方式對磁性異相能的影響效果不彰，翻轉鐵電層的極化方向對磁性異相能的影響較大。由此推測磁電耦合效應的來源主要是Fe層和鄰近TiO2層間原子的距離的改變所造成，因此外加電場必須大到足以改變Fe與BaTiO3界面間的原子距離，才能有效的用來調控磁性。
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本研究第一部份採用熔融旋淬法將Co88-xHf12Bx (x =0-8)三元合金製成薄帶，並進行其相變化及磁性之研究。當x = 0-4時薄帶內之硬磁相為Co7Hf。隨著B添加量的上升，其Co7Hf相的TC隨著B含量的增加而上升，而當持續增加B含量至x=6及8時，薄帶形成非晶態。從Co88-xHf12Bx (x=0-8)薄帶熱處理後的TMA圖中觀察到Co7Hf磁性相之TC值隨著熱處理時間增長而下降，推測原因為快淬過程中，B進入到Co7Hf晶格間隙，導致TC上升。而經過熱處理後B得以析出， Co7Hf相之TC會回到未添加B時之值。此系列合金薄帶中， x = 3薄帶有最佳的磁特性，其Br= 7.5 kG、iHc= 3.1 kOe及(BH)max= 7.7 MGOe，為目前國際上報導過之CoHf合金薄帶中之最佳磁性。接著選擇Co82-xHf12+xB6(x=0-4 )之合金並改變Co與Hf的比例，探討其相及磁性值變化。當提高Hf的含量至x=2後Co : Hf = 5.7 : 1，較接近Co11Hf2比例，導致形成Co11Hf2硬磁相。最佳磁特性在x=2為Br = 5.5 kG、iHc = 4.8 kOe及(BH)max= 5.4 MGOe。另外，同時調整(Co0.85Hf0.15)100-xBx合金薄帶中之B含量及銅輪轉速，以獲得最佳微觀組織。結果顯示B具有明顯細化晶粒之效應。當銅輪轉速越快亦使薄帶的晶粒更細化。惟高B含量(x≧9)搭配高轉速時，將使得薄帶急遽的非晶化而呈現軟磁行為。將x=6之成分搭配30 m/s轉速可得最佳iHc = 4.8 kOe，為本研究中iHc最高之成分。最後，亦嘗試利用高B含量之(Co0.85Hf0.15)100-xBx(x = 9, 12)及(Co0.8Zr0.2)100-xBx (x = 4-16)合金，直接鑄造硬磁棒材。惟棒材內外晶粒尺寸皆過大而不均勻，導致硬磁特性不如預期。
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摘要 本研究屬於心理物理學的範疇，透過長寬為10×10的黑白雙色圖卡(chessboard)測量人對主觀無序性 (Subjec-tive Disorder,SD)的認知，並運用資訊熵(Information En-tropy,SI)來描述圖卡的實驗結果，發現大多數的圖卡都符合。不符合Information Entropy的部分，用SD與黑色格子佔整張圖卡的比例，定性、定量的描述。透過圖卡的實驗中在語言學上找到了黑色與髒亂的近似義字在物理上的連結。並運在圖卡實驗結果，找到破窗效應在物理的解釋。
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Ni-Mn-X (X=In、Sn及Sb) 鐵磁形狀記憶合金在外加磁場中變溫時，發生馬氏體結構相變與磁相變耦合(即一級相變)，導致許多有趣的物理現象，如巨磁卡效應、磁致應變效應、巨磁阻效應及交換偏壓等，近年來備受矚目。一級相變材料由於在相變溫度處磁化強度隨溫度陡峭變化，按照Maxwell關係必有大的等溫磁熵變。因此，本論文研究了一級相變材料之高Mn含量Mn-Ni-Sn系列鐵磁形狀記憶合金，探討成分變化對其相變溫度和磁卡效應的影響。 首先，藉由改變Mn-Ni-Sn三元之間成分，來尋找擁有最大磁熵變∆SMmax.之最佳成份。研究顯示，當薄帶成分區間在Mn50-xNi40+xSn10 (x=0, 1, 2, 3)、Mn49Ni40.75+xSn10.25-x (x=0, 0.25, 0.5, 0.75)、Mn48+xNi41Sn11-x (x=0.75, 1, 1.25, 1.5)時有良好的巨磁卡效應。而最佳磁卡特性出現於Mn49Ni41Sn10，其逆馬氏體相變溫度TM = 239.7 K及最大磁熵變ΔSMmax.=15.8 J/kg•K。 第二部分，添加第四元素C及用Si、Ge替代Mn49Ni41Sn1０中的Sn，探討相同鹵素族元素添加對其TM及磁卡效應的影響。實驗結果發現，由於產生析出相而阻礙逆馬氏體相變，使得合金薄帶之ΔSMmax.大幅衰退。因此，再進一步研究鐵磁性過渡元素Co去置換Mn對Mn49-xCoxNi41Sn10 (x=0, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4)薄帶磁卡效應之影響。實驗結果顯示隨Co添加量x≥1.5時，奧氏體相的鐵磁性獲得提升，而改善了TM溫度附近馬氏體與奧氏體之間的磁化量差(∆M)，因此可以在不同應用溫區中獲得平均磁熵變為12.5 J/kg•K的優異磁卡特性。
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本篇論文主要討論拓撲超導體的指數計算，由理論的計算作為本篇論文的基礎，再藉由分析Fu-Kane模型、Teo-Kane模型，這兩篇的作法都是使用指標定裡(index theorem)來計算陳氏數(chern number)，在本論文中將介紹段一士的理論方法，然後我們以Regularization的方法推導出與段一士的相同的結果，Regularization 的方法可以清楚的瞭解拓撲荷(topological charge)的所在位置，並使用 Regularization 的方法重新計算 Teo-Kane模型，在本論文的最後會用二能帶模型(two-band model)的方法與 Regularization 的方法做比較，會發現計算結果相同，而 Regularization 方法可清楚了解物理意義，另一方面可以容易看出拓撲荷(Topological charge)的位置，幫助我們更容易的想像與了解。
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由Introduction to Fluid Mechanics可得知封閉管內流體的流量與管面積、壓力有關。然而不同管徑之管流匯流之後的混合比例，會因為匯流之後的總開口面積改變。流的水流量比例會隨著匯流後出水口大小的改變而有所變化。我們於實驗中找出兩水管匯流其混合比例與開口大小的關係，並驗證兩管匯流並非是兩單一管管流的線性疊加。 實驗中觀察得知：匯流後水流是否能夠填充滿水管會是影響總水流量的一個關鍵，所以我們為了縮小出水口處的有效面積，在匯流處加了芯。而從實驗結果得知加了芯確實能夠提升出水口總流量，並且可以使兩管的混和比例更穩定，不隨開口改變而有明顯的變化。
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目前大多數染料敏化太陽能電池研究皆使用釕金屬錯合物當成捕捉光子的染料，但製備成本過高，且除了提供給敏化太陽能電池使用外並無其他用途，為了改善這樣的問題，本研究使用了人體與多數生物就擁有的黑色素當成染料來捕捉光子。黑色素具備了幾個條件可做為捕捉光子的染料：來源方便、製作成本低、具有紫外光到可見光的寬頻吸收帶，更符合了近幾年來提倡的綠色能源產業。 本研究使用P90二氧化鈦以網印法製作光電極，黑色素用基質輔助脈衝雷射蒸鍍法吸附在二氧化鈦上，電解液使用I-/I3-溶解在3-甲氧基丙晴中，對電極用塗佈的方式製備鉑的薄膜，再以AM 1.5（100 mW/cm2）的太陽光模擬器量測效率。本研究成功發現以基質輔助脈衝雷射法吸附染料製成的黑色素敏化太陽能電池，效率比一般使用浸泡染料溶液的方法高出3~4倍。 此外，本研究發現購買的黑色素中，吸附到二氧化鈦所需的DHICA之成份太少，因此未來發展從新鮮烏賊墨囊萃取純化以及研究化學合成技術製備出富含DHICA的黑色素是提升黑色素敏化太陽能電池效率的關鍵因素之一。
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摘要 關鍵字:燃料電池、脈衝雷射沉積法、碳奈米粒子、石墨化、拉曼光譜儀 隨著石化能源的大量開採，衍生出能源短缺和環境污染的問題，為尋求替代能源，開始發展燃料電池。燃料電池利用氫氣和氧氣所產生的化學能轉變成電能，產物是無汙染性的水，只要持續提供氫氣與氧氣，就有源源不絕的電能，因此燃料電池扮演著未來能源的重要角色。 燃料電池中的電極層是我研究的主要目標，電極層包含氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)和觸媒層(catalyst)，氣體擴散層能提供水和氣體的通道並支撐觸媒層，觸媒層則是催化氫氣反應產生氫離子和電子。觸媒又分為由碳奈米顆粒組成的微孔層和鉑奈米粒子。為解決碳原子的孤島效應，我使用脈衝雷射沉積法(pulsed laser deposition， PLD)來製作微孔層的碳粒子，此法為利用一道高功率雷射透過透鏡聚焦在靶材上，將靶材將熱至汽化而形成電漿蕈狀團(plasma plume)沉積在基板上形成薄膜。 在實驗中，我嘗試不同的壓力和碳紙(作為氣體擴散層)，比較不同條件下所製作的觸媒在燃料電池中的性能。實驗結果發現，在壓力比較高，微孔層的厚度較薄的條件下，燃料電池的性能較佳，從診斷結果推論出，在高壓時形成的碳顆粒，會明顯由小顆粒聚集成大顆粒，顆粒間有較多的孔隙，另外一個原因，則是石墨化程度比較好，所以有較好的導電度，能更有效率的傳送電子，由此可知，碳粒子的孔隙度與導電性是影響電池性能的重要因素。最後的實驗結果雖然效能不如商用的觸媒，但能預期往越高的壓力，增加碳粒子間的孔隙和石墨化程度，就能獲得更好的電池性能。