Bachelor's Thesis

Fabrication and testing of microbolometer or other infrared detector based on plasmonic antennas

Final Thesis 1.62 MB

Author of thesis: Ing. Marek Děcký

Acad. year: 2021/2022

Supervisor: Mgr. Jiří Liška, Ph.D.

Reviewer: Ing. Pavel Gallina

Abstract:

This bachelor’s thesis is focused on study and fabrication of infrared detectors. Other than just providing a literature research and plasmonics research into the topic, the main goal of this thesis is to propose new designs, manufacturing and characterization such detectors. Specifically the uncooled microbolometer that uses plasmonic antennas for the amplification of the strong coupling which forms between the localized surface plasmons of golden antennas and
a phonons of thin dielectric film made from silicon dioxide. The preparation of several types of microbolometers on silicon substrates was conducted using electron beam lithography, photolithography and by thin film deposition techniques. The individual microbolometers differed mainly in the width of the layers between the temperature sensitive meanders and the antennas, but also in the dimensions of the antennas. In the first two sets of microbolometers, the meanders were made from titanium, however meanders in the last set of microbolometers were fabricated from platinum. Reaction of the microbolometers on visible and infrared radiation was tested using measurement of electrical resistance. It was discovered that fabricated microbolometers with titanium meanders significantly reacted on visible light by lowering their resistance. This means they behave like semiconductor. Microbolometers also reacted on infrared radiation by lowering their resistance, but only when temperature of black body source exceeded 400 °C. Reaction on visible and infrared radiation was not observed on microbolometers with platinum meanders with one exception.

Keywords:

Microbolometer, plasmonics, plasmonic antenna, strong coupling, lithography, thin film deposition

Date of defence

16.06.2022

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo diskutováno Měření odporu Wheatstoneovým můstkem. Vznik hotspotu na plazmonické anténě. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Mgr. Jiří Liška, Ph.D.

Student Marek Děcký se ve své bakalářské práci zabývá mikrobolometry, které k absorpci využívají plazmonické antény. Záměrem bylo využít absorpce zesílené díky režimu silné vazby na tenké vrstvě oxidu křemičitého. Celosvětová snaha o zmenšení mikrobolometrů a zrychlení jejich detekce nahrává mikrobolometrům na bázi antén a potvrzuje to aktuálnost této práce.

Úvod do problematiky infračervených detektorů včetně mikrobolometrů je srozumitelně popsán v první kapitole. Totéž platí pro další dvě teoretické kapitoly tykající se elektromagnetismu a plazmoniky. Studentova pracovitost je zdokumentovaná v experimentální čtvrté kapitole popisující zevrubně výrobu tří sad vzorků a vzniklé komplikace a jejich řešení. Student se na výborné úrovni naučil ovládat techniky mikro- a nanovýroby, konkrétně optické litografie s přímým zápisem, litografie elektronovým svazkem, napařování a seznámil se i s magnetronovým naprašováním. Výroba zařízení (2 sady s titanovými a 1 sada s platinovými prvky) vyžadovala až 5 depozičních a 4 litografické kroky, u kterých expozice vždy musely být přesně zarovnány. Pátá kapitola popisuje testování vyrobených zařízení.

Zařízení s titanovými meandry doplněnými o antény reagovalo na infračervené záření. Mezi nejzajímavější výsledky práce však patří překvapivá citlivost tohoto zařízení s titanovými meandry na viditelné vlnové délky elektromagnetického záření. Je to vysvětleno tím, že se napařená tenká vrstva titanu chovala jako polovodič. Tento předpoklad může dobře korespondovat i se změřeným poklesem elektrického odporu s rostoucí teplotou u jiného titanového mikrobolometru. Mikrobolometry s platinovými meandry nebyly na viditelné záření citlivé.

Student v laboratoři strávil nadprůměrné množství času. Pro příští práci bych však doporučil začít s psaním textu dříve.

Byly splněny všechny cíle a práci hodnotím pozitivně. Doporučuji ji k obhajobě a navrhuji celkovou známku A – výborně.
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 B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Pavel Gallina

Student Marek Děcký vypracoval svoji bakalářskou práci podle zadání a splnil všechny požadované cíle. Prokázal svoji schopnost práce v laboratoři při návrhu a výrobě vzorků, při které se naučil používat přístroje a dodatečný software potřebné pro všechny kroky jejich přípravy. Je potřeba ocenit zvládnutí náročného několikakrokového výrobního procesu a flexibilitu při řešení nastalých problémů použitím jiného přístroje nebo softwaru. V písemném zpracování práce je nicméně prostor pro zlepšení. Rešeršní studie je místy až příliš stručná a podložená malým množstvím zdrojů z literatury. Získané výsledky jsou sice těžko interpretovatelné, nicméně občas by mohly být rozebrané a diskutované do větší hloubky či doplněny. Naopak kapitola zabývající se přípravou vzorků v sobě obsahuje všechny potřebné detaily, což mimo jiné vypovídá o svědomitosti a pracovitosti. Tyto předpoklady jsou žádoucí pro budoucí práci, je ovšem potřeba zlepšit rešeršní studii a prezentaci výsledků, proto práci navrhuji k obhajobě s výsledným hodnocením známkou B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky 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
Topics for thesis defence:
  1. Můžete ukázat výsledky z měření odezvy samotných antén s různou délkou, na základě kterých byly zvoleny výsledné rozměry použité při návrhu a výrobě mikrobolometru?
  2. Vykreslete spektra pro záření černého tělesa s různými použitými teplotami (stačí teoretický model) a diskutujte vliv viditelné části těchto spekter na výsledky měření z obrázku 28. Je v laboratoři možnost osvitu pouze IR zářením (např. IR lasery nebo filtry pro zdroj v podobě černého tělesa)?
  3. Máte k dispozici výsledky z posledního měření (tabulka 16) v podobě grafu, na kterých by šla vidět reakce na IR záření?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová