Master's Thesis

Low temperature scanning tunneling microscopy

Final Thesis 6.9 MB Appendix 761.18 kB

Author of thesis: Ing. Antonín Sojka, Ph.D.

Acad. year: 2016/2017

Supervisor: Ing. Michal Pavera, Ph.D.

Reviewer: Marek Havlíček, DiDr.

Abstract:

The diploma thesis is divided into two main parts. The first part describes the production of chrome and cobalt tips for SP-STM with subsequent testing of chrome tips on the Fe-Ir system (111). Furthermore, the first results from the growth studies of niobium on iridium(111) are presented. In the second part is described in detail the experimental LT-STM microscope of the Faculty of Physical Engineering. The chapter deals with the development of the microscope and its testing on a HOPG sample under atmospheric and vacuum conditions. The chapter describes the biggest problems which were solved when the microscope was puting into operation state. The second part also introduces the design of a new vacuum transport system, which consists of a tip and sample transport pallet. At the end of the second part is described the testing of cooling systems for LT-STM and the design of their modifications.

Keywords:

low temperature scanning tunneling microscopy, LT-STM, spin polarized scanning tunneling microscopy, SP-STM, STM tips fabrication, electrochemical tip etching, chromium tips, cobalt tips, cryogenics, UHV, magnetism, iron, nanoskyrmion, Ir(111), Niobium,  vacuum transport system,  highly oriented pyrolytic graphite, HOPG

Date of defence

20.06.2017

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

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. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Pavera, Ph.D.

Diplomová práce Nízkoteplotní rastrovací tunelová mikroskopie Antonína Sojky se skládá ze dvou hlavních dílčích celků. První část je věnována pobytu na univerzitě v Nijmagenu. Zde se autor v SPM skupině zabýval výrobou supravodivých magnetických vrstev. V kapitole je popsán komplexní postup jejich přípravy a také jejich následné testování pomocí nízkoteplotního STM mikroskopu firmy Omicron. Z množství prezentované práce a z dosažených výsledků je patrné, že byl autor během stáže cenným členem skupiny.
Druhá část práce je zaměřena na nízkoteplotní STM mikroskop, který je vyvíjený na Ústavu fyzikálního inženýrství v Brně. Autor navázal na svou předešlou bakalářskou práci a motivací byla právě jeho stáž v zahraničí. Hlavním úkolem bylo oživení mikroskopu a ověření funkčnosti za nízkých teplot. Z technického hlediska se jednalo o náročný úkol spočívající v až únavném množství návrhů změn a precizním postupu jejich implementace do jednotlivých částí mikroskopu. Je nutné zmínit velkou časovou náročnost tohoto úkolu, během jehož vypracování si autor počínal nadmíru svědomitě a samostatně. Velké množství odvedené práce ovšem není z prezentace výsledků jednoznačně patrné. Kromě zřejmého úspěšného oživení a otestování mikroskopu za nízkých teplot autor navrhl i několik změn, například návrh úpravy transportního systému, které by měly usnadnit provoz mikroskopu v budoucnu. Jsem přesvědčen o tom, že díky dosaženým výsledkům lze nyní bez větších komplikací na tuto práci navázat.
Práce je psána anglicky, je srozumitelná a obsahuje pouze několik překlepů, přesto bych doporučil preciznější anglickou korekturu. Po grafické stránce je prezentace nadprůměrná. Největší slabinu nalézám v přiložené výkresové dokumentaci, která vykazuje řadu nedostatků. Práci hodnotím jako výbornou a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
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 B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Marek Havlíček, DiDr.

Předkládaná diplomová práce je rozdělena do dvou tématických částí z nichž první pojednává o  autorově práci během stáže na Radboud University Nijmegen v Nizozemsku a druhá se zaměřuje na výsledky práce z Ústavu fyzikálního inženýrství v Brně. Práce je psaná anglicky.

V úvodu se autor věnuje teoretickým aspektům měření pomocí sond využívajících tunelovací proud. Autor přehledně shrnuje různé varianty a způsoby měření pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu a komentuje výhody a nevýhody jednotlivých způsobů jejich zapojení. Následně jsou popsány různé varianty pro kontrolu vzdálenosti sondy od vzorku pomocí piezokeramických krokových motorů, které jsou nezbytné pro přesnou a rychlou kontrolu sondy nad vzorkem. Další část je věnována vibracím, jejich zdrojům a způsobům jejich útlumu a odstínění. Spolu s tím jsou také diskutovány různé způsoby konstrukčních řešení, které mají za cíl zabránit negativnímu vlivu vibrací na kvalitu měření. Autor dále diskutuje specifika konstrukčních řešení pro použití v prostředí velmi nízkých tlaků a za nízkých teplot, které jsou zpravidla potřeba k dosažení atomárního rozlišení při skenování pomocí řádkového tunelového mikroskopu. Samostatnou kapitolu pak věnuje různým způsobům přípravy hrotů a zajištění jejich kompatibility pro potřeby prostředí velmi vysokého vakua.
První část práce, která vznikla v Nizozemí, je zaměřena na přípravu tenkých vrstev supravodivých a  magnetických materiálů a jejich rozhraní. Autor si zde osvojil techniku depozice tenkých vrstev a jejich následnou analýzu pomocí řádkového tunelového mikroskopu. Z práce je patrné, že diplomand je schopen samostatně připravovat vzorky, sondy k jejich měření a rutinně provádět měření těchto vrstev  s atomárním rozlišením. Zaměřuje se především na depozici india a železa na iridiový substrát analyzuje mřížkové parametry, tvar atomárních shluků na povrchu a kinetiku jejich přemísťování a shlukování na povrchu v závisloti na depozičních podmínkách a teplotě. Dále se okrajově zabývá možností pozorování tzv. skyrmionů, tj. hypotetických částic předpovězených teorií fyziky částic.
Druhá část práce vznikla na Ústavu fyzikálního inženýrství v Brně a zabývá se komplexním kontrukčním řešením nízkoteplotního řádkovacího tunelového mikroskopu pro použítí v prostředí ultravakua. Diplomand úspěšně řeší integraci mikroskopu do stávající vakuové aparatury, její vibrační odstínění a následnou optimalizaci chlazení vzorku pomocí tekutého dusíku a helia. I přes některé závažné konstrukční chyby svých předchůdců a časovou tíseň se mu úspěšně podařilo mikroskop dokončit a dosáhnout atomárního rozlišení mikroskopu, což ilustruje na vzorku pyrolytického grafitu. Systém chlazení pomocí tekutého dusíku a helia je následně testován, což umožňuje získat představu o možnostech a stabilitě systému.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
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
Topics for thesis defence:
  1. V částech "Abstract/Abstrakt" je značné množství chyb zejména pak v názvech fakult a ústavů. Na téže straně a také v části "Declaration" je uvedeno, že se jedná o bakalářskou práci. Pro čtenáře, který začíná touto stranou to může působit poněkud zmatečně. Oceňuji, že je práce psána anglicky, přesto bych příště autorovi doporučil věnovat více času korekturám. Formulacím typu "purity of signals" (s. 51) by se měl autor napříště vyvarovat. Dále pak v příloze je u výkresů k mikroskopu č. 1.01.01-1.01.04, 1.02.01 a 1.03 uvedeno špatné měřitko. Na s. 10 autor uvádí: "Thanks to low temperature, atomic movement is slowed down or completely stopped..."
  2. Navrhuji, aby při obhajobě diplomant objasnil chování atomů při teplotách blížících se absolutní nule a zejména pak Heisenbergův princip neurčitosti. Dále navrhuji, aby diplomand objasnil metody chlazení pro teploty pod 4.2 K pomocí helia a fyzikální jevy v okolí bodu lamda. Práci doporučuji k obhajobě.

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová