Bachelor's Thesis

Analysis and characterisation of spirally-arranged field-emission nanostructure

Final Thesis 3.16 MB

Author of thesis: Ing. Martina Ondříšková

Acad. year: 2021/2022

Supervisor: doc. Ing. Alexandr Knápek, Ph.D.

Reviewer: doc. Mgr. Dinara Sobola, Ph.D.

Abstract:

Cathodes containing arrays of high aspect ratio field emitters are of great interest as sources of electron beams for vacuum electronic devices. The desire to maximize current and current density leads to the design of denser arrays. However, denser arrays lead to undesirable field shielding effects caused by the presence of surrounding emitters in the array. To reduce the shielding effect and thus maximize the field enhancement, an array of emitters was designed with an arrangement inspired by the natural phenomenon of phyllotaxis. The structure thus designed was created using electron beam lithography and reactive ion etching to form micropillars. A black silicon etching technique was used to create ultra-sharp tips with a radius in the order of tens of nanometers on the top of each micropillar.
Analysis of the sample topography was performed by Scanning electron microscopy. Ultraviolet photoelectron spectroscopy was used to determine the work function. To find out the emission properties of the fabricated structures, a Field emission microscope was constructed and its electron gun was modified to experimentally use the fabricated structure as the cathode. A Murphy-Good plot was used to analyze the field emission data, to which the orthodoxy test was applied to check the validity of the experimental I-V data. Current stability measurement was performed to observe current fluctuations.

Keywords:

Field emitter array (FEA), electron beam lithography (EBL), reactive ion etching (RIE), black silicon, scanning electron microscopy (SEM), ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), field emission microscopy (FEM).

Date of defence

17.06.2022

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo diskutováno Povrchová citlivost metody XPS. Studentka na otázku odpověděla.

Language of thesis

English

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
doc. Ing. Alexandr Knápek, Ph.D.

Bakalářská práce zpracovaná studentkou Martinou Ondříškovou se zabývá návrhem, přípravou a měřením spirálně uspořádaného pole autoemisních emitérů určených pro vytvoření plošného zdroje volných elektronů do vakua. Praktickou část práce studentka provedla v čistých prostorách Ústavu přístrojové techniky AV ČR a dále v čistých prostorách Středoevropského technologického institutu (VUT v Brně). K práci studentka přistupovala velice kreativně a pečlivě. Obzvlášť je třeba přihlédnout k časové náročnosti laboratorní práce, kdy bylo krom samotné práce potřeba zvládnout řadu úvodních kurzů a školení, aby mohla na jednotlivých metodách spadajících do MEMS vůbec pracovat. K řešení úlohy studentka přispěla několika originálními prvky souvisejícími s návrhem struktury a vytvořila tak sadu funkčních vzorků struktur na kterých lze provést komplexní vědecká měření dalece přesahující rozměr bakalářské práce.  V neposlední řadě je potřeba také ocenit fakt, že studentka svoji práci vypracovala v anglickém jazyce a k její sazbě použila systém LaTeX, který defacto vylučuje typografické chyby a nekonzistentní odkazy na literaturu či obrázky. Z výše uvedených důvodů doporučuji práci k obhajobě a navrhuji hodnocení A, 100 bodů.
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 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

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Mgr. Dinara Sobola, Ph.D.

Bakalářská práce M. Ondříškové byla sepsána na velmi aktuální téma – Elektronová vlastní emise. Práce je rozdělena na tři části, kde studentka konzistentně popisuje teoretické základy, metodologii a následně prezentuje výsledky i s diskusí.
Práce je logicky strukturována a odpovídá zadání. Úvod do problematiky emisních struktur je stylisticky velmi dobře podán v první kapitole, a to včetně nejnovějších poznatků. Autorka postupně popsala přípravu vytvářených vzorků; od přípravy substrátu až po přípravu a studium černého křemíku na elektronovém mikroskopu. V třetí kapitole, kde autorka popisuje chemické a elektrické vlastnosti struktur, včetně pásového diagramu, je také přítomen detailní popis topografie vzorků.
Chtěla bych vyzdvihnout poměrně velké množství experimentálních metod na bakalářskou práci. Informace ohledně inspirace přírodními strukturami je také zajímavá. Tato práce je originální a má praktický význam pro vývoj elektronových zdrojů do přístrojů pracujících s vakuem.
Autorka připravila a prezentovala výsledky své práce také na konferenci „How to Change the World via Science“, dne 9. – 11. června 2022, pořádané Německo-Jordánskou Univerzitou v Madabě.
Práce je napsána ve velmi dobré angličtině. Je zde jen pár ne zcela obratný formulací, které však neovlivňují vědeckou interpretaci výsledků. Po formální stránce je vše v pořádku až na pár drobných nedostatků ve formátování textu a chyby v užití velkých písmen. Tabulka 3.2 by měla přijít do sekce 3.3.1, ale je umístěna v sekci 3.3.2. Názvy nástrojů a softwarů nejsou na některých místech plně vypsány. Jedna metodologická nejistota se týká XPS. Vzorky byly pozorovány pomocí SEM před XPS, takže peak C1s může pocházet nejen z atmosféry, ale také z komory elektrového mikroskopu.
Práce byla zpracována v plném rozsahu požadavků pro bakalářský titul a zaslouží si výborné hodnocení. Vytyčené budoucí cíle budou dosaženy během dalšího studia a budou přínosem pro obor.
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 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
Topics for thesis defence:
  1. Které externí vlivy se uplatňovaly při měření autoemisního proudu?
  2. Jaký byl postup při tvorbě černého křemíku? Jakým stylem studentka pokračovala, aby dosáhla požadovaných parametrů (ostré výběžky)?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová