diplomová práce

Grafenový fotodetektor využívající plazmonických efektů

Text práce 9.86 MB

Autor práce: Ing. Matěj Horáček

Ak. rok: 2014/2015

Vedoucí: prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Oponent: RNDr. Zdenka Hájková, Ph.D.

Abstrakt:

Tato práce se zabývá vývojem nového hybridního zařízení pro fotodetekci, jehož princip se opírá o dvě velmi významné a aktuální oblasti současného vědeckého výzkumu – grafen a plazmonika. Vlastní odezva grafenu na dopadající světelné záření je v tomto zařízení značně zvýšena umístěním zlatých nanotyčinek na povrch grafenu, vykazujících jedinečnou optickou odezvu danou lokalizovanými povrchovými plazmony. Tato zvýšená fotoelektrická reakce je způsobena redistribucí energie oscilujících elektronů v nanočástici do grafenové vrstvy. Konkrétní mechanismus redistribuce energie je studován pomocí rozptylové spektroskopie jednotlivých částic, kde je zkoumán vliv počtu grafenových vrstev pod nanočásticí na rozšíření rezonančního píku. Mimořádně velké rozšíření rezonančního píku pro částice položené na grafen naznačuje přítomnost nebývalého procesu tlumení plazmonické rezonance. Toto neobvyklé tlumení je připsáno přenosu horkých elektronů ze zlaté nanotyčinky do grafenové vrstvy.

Klíčová slova:

grafen, plazmonika, fotodetekce, LSPR, tlumení plazmonu, zlaté nanotyčinky, horké elektrony, rozptylová spektroskopie jednotlivých částic

Termín obhajoby

22.6.2015

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaAznamka

Klasifikace

A

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)

Student pracoval velmi samostatně. Většinu své experimentální práce prováděl na zahraničním pracovišti v  rámci studijního pobytu ERASMUS (Technická unverzita v Eindhovenu). Tento pobyt si také sám iniciativně prodloužil.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
RNDr. Zdenka Hájková, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Matěje Horáčka, nazvaná Grafenový fotodetektor využívající plazmonických efektů, byla zpracovávána na pod vedením prof. Tomáše Šikoly. Diplomant navíc úzce spolupracoval s Technickou Univerzitou Eindhoven, kde jeho vedoucími byli dr. Cees Flipse a dr. Peter Zijlstra. Předložená práce propojuje dvě v současnosti velmi atraktivní oblasti výzkumu – grafen a plazmoniku. Cílem práce bylo mj. připravit a charakterizovat nový hybridní fotodetektor založený na interakci grafenu a zlatých nanotyčinek. V navrhovaném uspořádání grafen funguje jako fotoaktivní vrstva, jejíž odezvu zvyšují zlaté nanotyčinky, co by plazmonické nanostruktury lokalizované na povrchu grafenu.

Diplomová práce je rozčleněna na motivační úvod, šest dílčích kapitol práce, přehled použité literatury, seznam zkratek a přílohy. První dvě kapitoly jsou zaměřeny na rešerši elektronických a optických vlastností grafenu (kap. 1) a optických vlastností lokalizovaných povrchových plazmonů, zvláště pak zlatých nanočástic (kap. 2). V třetí kapitole je popsaná příprava vzorků spojená s přípravou grafenu (epitaxním růstem na karbidu křemíku či mechanickou exfoliací vysoce orientovaného pyrolytického grafitu) a následnou depozicí zlatých nanotyčinek na grafen (imobilizací na skle a následným mokrým transferem pomocí PMMA). Čtvrtá kapitola se týká charakterizace fotodetekčních experimentů a diskuze výsledků naměřených I-V křivek. V páté kapitole jsou popsány a diskutovány výsledky studia interakcí mezi zlatými nanotyčinkami a grafenem, zkoumaných metodami FDTD simulace a rozptylové spektroskopie jednotlivých částic. Šestá kapitola představuje závěr s naznačením dalšího směřování výzkumu.Po formální stránce považuji práci za velmi dobrou. Práce se dobře čte, je uspořádána přehledně a vhodně členěna na celky, které na sebe logicky navazují. Text je navíc doplněn řadou pěkných schémat, obrázků, grafů a tabulek. U některých grafů však není vhodně zvolena velikost popisků os, např. u obr. 3.4 (str. 33) jsou popisky os prakticky nečitelné. Podobně u snímku ze SEMu  (obr. 3.9.a, str. 42) bych doporučila zvětšit obrázek tak, aby byly čitelné informace týkající se měření. Úroveň angličtiny je vynikající a množství chyb či překlepů je téměř zanedbatelné.
I z obsahového hlediska je práce na velmi dobré úrovni – opírá se o kvalitní rešeršní základ a vhodně kombinuje simulace a experimentální výsledky. Z prezentovaných dat je zřejmé, že autor postupoval systematicky, experimenty vyhodnocoval s ohledem na cíle práce. Získané výsledky jsou průběžně v práci diskutovány, uvedeny jsou též odkazy na relevantní literaturu. Autorovi se podařilo splnit zadání práce, ačkoli sám v závěru konstatuje, že upřesnění vysvětlení interakce grafenu s plazmonickými nanostrukturami a zlepšení vlastností připraveného grafenového fotodetektoru vyžadují provedení dalších experimentů. Dále připojuji několik poznámek k textu práce:
•    V případě Ramanových spekter bych doporučila místo pojmu „peak“, používat označení „band“ (např. str. 28). Uvítala bych také označení jednotlivých pásů (D, G, 2D) přímo v obrázku spektra a jejich stručný popis v textu. V případě grafenu připraveného epitaxním růstem na SiC chybí určení počtu grafenových vrstev (dle Ramanova spektra se zřejmě nejednalo o monovrstvu).
•    Překvapilo mě, že měření I-V křivek bylo prováděno v dusíkové atmosféře (str. 47). Vzhledem k tomu, že obvykle tato měření probíhají na vzduchu, ocenila bych stručné odůvodnění zvolených podmínek.
•    Na str. 45 je popsán způsob, jakým byly kontaktovány elektrody v grafenovém fotodetektoru. Přivítala bych, kdyby i v obr. 4.1 (str. 46) byl naznačen způsob kontaktování elektrod.
•    U obr. 5.9 (str. 69) a u obr. 5.10 (str. 71) postrádám uvedení škály na ose y. Co znamená „normalizace“ u těchto grafů a jak byla provedena?
Závěrem konstatuji, že předložená práce obsahuje řadu původních výsledků – autor provedl originální experimenty a dokázal z nich vyvodit nové závěry. Celkově práci považuji za velmi zdařilou. Ráda ji proto doporučuji k obhajobě a hodnotím A – výborně.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A

Známka navržená oponentem: A