Master's Thesis

Fabrication, optimization and in-situ characterization of thermally tunable vanadium dioxide nanostructures

Final Thesis 8.74 MB

Author of thesis: Ing. Jan Krpenský

Acad. year: 2021/2022

Supervisor: doc. Ing. Andrea Konečná, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jaroslav Maniš

Abstract:

Vanadium dioxide (VO2) has attracted increasing attention over the past decades due to its metal-insulator phase transition at temperature around 68 °C.  This phase change is accompanied by lattice change from monoclinic (dielectric) to tetragonal (metal), lattice shrinking in the metallic state, and stark difference in the infrared transmittance between both phases. However, fabrication of VO2 thin films can be challenging due to other possible stoichiometric configurations, such as VO, V2O3, or V2O5. Many fabrication techniques have been used in recent years, where optimized fabrication process produces VxOy in the desired stoichiometry of VO2. In this Thesis, a summary of three deposition techniques suitable for the deposition of VO2 thin films is made and the process of creating thin samples (lamellae) suitable for study in the transmission electron microscopy (TEM) via focused ion beam (FIB) is described. Utilizing TEM with in-situ heating for characterization of VO2 samples produces valuable information on the microstructure of VO2 both below and above the transition temperature. In addition, electron energy-loss spectroscopy gives precious insight into the changing of different stoichiometries of VO2 in correlation to the thickness of the examined sample, near the sample edge in particular.

Keywords:

Vanadium dioxide, FIB, lamella, TEM, EELS

Date of defence

13.06.2022

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno Nejistota v experimentálním určení posuvu píků. Měření teploty lamely. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Andrea Konečná, Ph.D.

Jan Krpenský se v rámci své diplomové práce zapojil do aktuálně řešeného projektu GAČR, jehož cílem je zkoumat nanostruktury oxidu vanadičitého pomocí analytické elektronové mikroskopie. Hlavním cílem práce bylo připravit vzorky vhodné pro pozorování v prozařovacím elektronovém mikroskopu, což diplomant beze zbytku splnil, stejně tak jako další cíle: 1) Zpracoval rešeršní studii vlastností oxidu vanadičitého a zejména experimentálních metod pro výrobu tenkých vrstev z tohoto materiálu. 2) Podařilo se mu připravit několik vzorků za použití různých metod. 3) Vyvrcholením jeho úsilí byla lamela vyrobená z tenké vrstvy oxidu vanadičitého připevněná ke speciálnímu čipu umožňujícímu zahřívání vzorku přímo v mikroskopu. 4) Asistoval Dr. Michalu Horákovi u řady měření na prozařovacím elektronovém mikroskopu. Bylo provedeno zobrazování vzorků s vysokým rozlišením, difrakce, energiově-disperzní rentgenovská spektroskopie a v neposlední řadě byla úspěšně změřena spektra energiových ztrát elektronů v oblasti nízkých i vysokých energií.

Jan Krpenský se úspěšně zhostil náročné výroby lamel a především překonal řadu obtíží při připevňování lamely ke speciálnímu zahřívacímu čipu. Při výrobě vzorků pracoval diplomant naprosto samostatně a věnoval jí velké množství času v průběhu celého akademického roku. Vytknout mu můžu snad jen to, že odkládal analýzu naměřených dat a samotné psaní práce, což však bylo částečně spojeno s časovou náročností výroby vzorků a měření. I přesto dokázal napsat kvalitní text, který doprovází zdařilé obrázky.

Jen díky Janu Krpenskému bylo možné úspěšně započít experimentální část projektu a získat první data z prozařovacího elektronového mikroskopu. Výsledky, kterých dosáhl, budou základem publikace v odborném časopise. Celkově jeho práci hodnotím stupněm A.
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 výsledky a vyvozovat z nich závěry B
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

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jaroslav Maniš

Student se ve své práci zaměřil na výrobu a charakterizaci oxidu vanadičitého. V první kapitole student čtenáře velmi zhurta seznámil s oxidem vanadičitým a jeho fyzikálními vlastnostmi. Ve druhé kapitole byl čtenář poučen o vybraných technikách, které umožňují výrobu oxidu vanadičitého. Přestože se popsané techniky jeví jako použitelné možnosti, byla pro výrobu dále studovaných struktur použita pouze jedna, což trochu snižuje výsledný dojem z jinak velmi kvalitní kapitoly, neboť by bylo zajímavé porovnat výstupy a možnosti jednotlivých výrobních postupů. Zde bych si dovolil autora upozornit, že SI systém jednotek byl přijat proto, abychom si vystačili s několika standardizovanými jednotkami a není proto nutné míchat torry, milibary a pascaly v jednom odstavci.

V další části kapitoly student popisuje výrobu TEMových lamel, které jsou dále použity pro analýzu. Kromě toho, že by této časti slušela vlastní kapitola, se jedná o velmi detailní popis výrobního postupu lamely jak na standardizovaném gridu, tak na chipu umožňujícím in-situ ohřev. Je nutno také ocenit autorovu snahu obohatit laskavého čtenáře o informace z jiných přírodovědných oborů jako například ornitologie. Snad jen malá výtka by mohla směřovat k obrázkům, které byly použity pro ilustraci výroby lamely. Z popisu je zjevné, že autor strávil nad výrobou lamel mnoho dlouhých hodin. Je proto s podivem, že pro ilustraci postupu použil obrázky doktorky Kolíbalové a nikoliv svoje vlastní, kterých má zajisté nepřeberné množství.

Ve třetí kapitole autor popisuje TEMovou analýzu, kde poskytuje a kvalitně komentuje výsledky jak zobrazování s vysokým rozlišením, tak EELS spektroskopie. Výsledky jsou dávkovány postupně a zřetelně s adekvátním slovním popisem. Přesto se zdá, že se autor vyhnul konečnému zhodnocení efektu teploty na strukturu zkoumaného materiálu. Ač jsou data pro obě teploty zřetelně vykreslena i slovně popsána, kapitole by prospěl odstavec, kde by autor explicitně popsal jaký efekt má teplota na strukturu materiálu a proč tomu tak je. Přes tyto drobné výtky hodnotím práci celkovým hodnocením A, neboť se jedná o dobře strukturovaný a kvalitně popsaný sled experimentů, které odpovídají zadání práce, nadto psaný v angličtině.

V rámci obhajoby bych si dovolil požádat o zodpovězení následujících otázek.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
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
Topics for thesis defence:
  1. 1) V podkapitolách 2.3.2 a 2.3.3 odhadujete tloušťku ztenčených lamel. Mohl byste úvest příklad měření, například s užitím TEMu, kterým byste dokázal nedestruktivně změřit tloušťku lamely?
  2. 2) Jako krycí vrstvu pří výrobě lamel používáte platinu. Mohl byste pohovořit o jiných materiálech, které se k tomuto účelu standardně používají a popsat jaké jsou jejich výhody, případě nevýhody, v porovnání s platinou?
  3. 3) V práci je několikrát zmíněn doslova devastující efekt elektronového svazku na zkoumaný materiál. Mohl byste popsat jaké efekty vedou k poškození materiálu jak z hlediska snížené kvality výsledného obrazu, tak z hlediska skutečného poškození krystalové struktury materiálu?
  4. 4) Mohl byste shrnout jaký je efekt teploty na zkoumaný materiál a proč můžeme pozorovat posun píků v EELS spektrech?
  5. 5) V kapitolách 3.3.1 a 3.3.3 vyvozujete z FFT obrazu hodnoty mřížkových konstant, přičemž je výsledný rozptyl hodnot značně velký. Můžete komentovat proč tomu tak je a jakým způsobem by se dal experiment upravit, aby byla data více vypovádající?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová