diplomová práce

Řízení teploty nanostruktur pomocí absorpce světla

Text práce 2.81 MB

Autor práce: Ing. Roland Kovács

Ak. rok: 2013/2014

Vedoucí: doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D.

Oponent: Prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc.

Abstrakt:

Diplomová práce se zabývá novou metodou rychlého ohříváním nanostruktur pomocí fokusovaného laserového svazku s využitím lokalizovaných plazmonů (kolektivní oscilace elektronů). Pomocí lokální změny teploty může být zahájen a precizně kontrolován růst polovodičových nanovláken na určitém místě až na úrovni atomové vrstvy v komoře při pokojové teplotě. Hlavním cílem práce je studium elektromagnetického pole ve vybraných nanostrukturách, zejména kovových nanokuličkách, pomocí numerických výpočtů a výpočet teplotního pole v blízkosti těchto osvětlených nanostruktur. Elektromagnetické jevy jsou simulovány v programu Lumerical a teplotní pole v programu COMSOL.

Klíčová slova:

nanovlákna, VLS, lokalizovaná plazmonová rezonance, modelování, teplota

Termín obhajoby

23.6.2014

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaBznamka

Klasifikace

B

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (M-FIN)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Autor se ve své práci zaměřil na studium absorpce elektromagnetického záření kovovými strukturami o rozměrech desítek nanometrů (nanostruktury). Dále se zabýval výpočtem zvýšení teploty nanostruktury a jejího okolí v důsledku této absorpce. Lokálního zahřívání lze využít v různých experimentech, např. ve výrobě polovodičových drátů o průměru desítek nanometrů (nanodrátů). Text práce začíná popisem tohoto experimentu, dále je vysvětlena fyzikální podstata zahřívání pevné látky pomocí světla a pomocí numerických simulací je výsledné teplotní pole počítáno pro různé tvary a rozměry nanostruktur (kulička, hemisféra atd.). Na závěr je s využitím výsledků uvedených v předchozích kapitolách navržen experiment, pomocí kterého mohou být selektivně vyrobeny polovodičové nanodráty pouze v místech, která jsou světlem osvícena. Vzhledem k technologické náročnosti nebylo provedení tohoto experimentu cílem této práce, je však plánováno v rámci výzkumných aktivit Skupiny povrchů, tentkých vrstev a nanotechnologií na Ústavu fyzikálního inženýrství.
Autor zvládl problematiku numerických metod a ukázal, že dokáže výsledky kriticky posoudit a interpretovat je. Je však zároveň třeba zmínit, že ne vždy si počínal zcela samostatně. Jeho práce byla někdy bohužel poznamenána přílišným spoléháním se na pomoc druhých, a to i při řešení takových dílčích problémů, které měl zvládnout sám. Lze konstatovat, že diplomant splnil požadavky a cíle zadání. Z těchto důvodů doporučuji diplomovou práci k obhajobě a hodnotím ji výsledným klasifikačním stupněm velmi dobře/B.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu C

Známka navržená vedoucím: B

Posudek oponenta
Prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc.

Diplomová práce je založena na zajímavé myšlence řízení teploty při ohřevu nanostruktur a zřejmě se jedná o nanostruktury s výraznými plazmonovými jevy. Zadání bylo splněno v celém rozsahu, mohlo být však formulováno náročněji (např. odhad vs. výpočet).
Úvod a následující kapitola má v souladu se zadáním rešeršní charakter a rozumně zužuje výběr struktur na nanodráty pěstované  metodou VLS ve složení Si-Au, případně polovodič – Au. Třetí kapitola je pouze kvalitativní popis absorpce světla v kovových nanočásticích  spojená s lokalizovaným plazmonem.
Přínos diplomové práce (kap. 4) je v modelování absorpce světla a rozložení teplot ve zvolených modelových strukturách. Diplomant měl k dispozici dvě programová prostředí Lumerical a COMSOL. Není vždy snadné zvládnout úspěšně takové nástroje a rozumně je využít pro konkrétní fyzikální aplikace. Tento úkol diplomant zvládl velmi dobře. Zejména je třeba ocenit srovnání modelových výpočtů s analytickým řešením případu velmi blízkém dané problematice. V případě simulací elmag. pole byly zvoleny modelové struktury v souladu s experimentálními zájmy pracoviště (Ge), s ohledem na reálné případy (vrchlík) i různé kombinace materiálů (Si, SiO2). Výsledky jsou velmi zajímavé a dávají možnost si s tímto problémem pohrát. Za nedostatek považuji uvedení jen spekter absorpčního koeficientu. Zajímavé by jistě bylo zobrazení rozložení toku energie nebo hustoty absorbovaného výkonu v prostoru kolem těchto struktur. Je třeba vysvětlit volbu definice absorpčního koeficientu. Tepelná pole těchto struktur a příslušných variant byly získány metodou konečných prvků pomocí programu COMSOL. Výsledky jsou nebo mohou být velmi cenné pro aplikace reálných technologií. Oceňuji srovnání obou programových prostředí a jejich kritické posouzení. Některá zjednodušení jsou poměrně závažná, jedná se o teplotní závislosti optických konstant, teplotní závislosti materiálových parametrů, optické vlastnosti eutektik, vysoká intenzita laseru, atd. Posledním úkolem zadání byl návrh experimentu, což diplomant splnil v 5. kapitole, ale stále je to jen návrh. Velmi bych ocenil alespoň pokus nebo snahu o realizaci skutečného experimentu.
Práce má pěknou grafickou úpravu, text se nevyhnul drobným překlepům, poněkud vadí označení imaginární části permitivity.
Práci hodnotím stupněm C. Diplomant prokázal schopnost samostatně a aktivně modelovat zajímavé fyzikální vlastnosti ve strukturách  nadějných pro aplikace. Za nedostatek považuji absenci vlastního experimentálního přístupu a poměrně stručný fyzikální pohled na podstatu zkoumaných procesů.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B

Známka navržená oponentem: C