Bachelor's Thesis

Fabrication and characterisation of plasmonic antennas on selected thin film with aim to get enhanced absorption due to presence of strong coupling

Final Thesis 14.65 MB

Author of thesis: Ing. Martin Vodička

Acad. year: 2021/2022

Supervisor: Mgr. Jiří Liška, Ph.D.

Reviewer: Ing. Mgr. Peter Kepič

Abstract:

Strong coupling systems offer many important applications in various fields such as photonics, chemistry, nonlinear optics and others. This Bachelor's thesis focuses on the fabrication of metal plasmonic structures suitable for the formation of strong coupling between localized surface plasmon antennas and hexagonal boron nitride (hBN) thin film phonons in the infrared region. In the case of inducing a strong coupling, an increase in absorption should occur, which makes it possible to use this system to fabricate an infrared detector, the so-called microbolometer. The thesis summarizes important findings from electromagnetic field theory, describes the formation of strong coupling from the perspective of classical physics and gives examples of systems with strong coupling. Furthermore, the formation of surface plasmon polaritons and localized surface plasmons (LSPs) is theoretically described. Plasmonic antennas, their fabrication, applications and physical properties of hBN are described. In the practical part of the thesis, fabrication of plasmonic antennas under or on hBN thin film has been realized. The fabricated samples were characterized by scanning electron microscopy and the spectral response was measured by Fourier transform infrared spectroscopy. In the spectra, the absorption of hBN at 7.3 μm was confirmed and additional transmittance minima corresponding to the presence of antennas were detected. The presence of a strong coupling between the LSPs antennas and the phonons of the native SiO2 layer was probably observed. Whether there was a strong coupling between the LSPs antennas and the hBN phonons cannot be inferred from the the obtained results.

Keywords:

Plasmonic antenna, localized surface plasmon, strong coupling, hexagonal boron nitride, scanning electron microscope,
Fourier transform infrared spectroscopy

Date of defence

16.06.2022

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo diskutováno Vlnové číslo a vlnočet. Rozdíl mezi FTIR a disperzním spektrometrem. Student na otázky odpověděl výborně.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

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 Martin Vodička se ve své bakalářské práci zabývá plazmonickými anténami na podložní vrstvě, konkrétně na šupinkách hexagonálního nitridu boru (hBN), které by měly umožnit pozorovat zesílenou absorpci díky navození režimu silné vazby. Jedná se o propojení dvou moderních výzkumných okruhů – plazmoniky a dvojrozměrných (2D) materiálů – s významným aplikačním potenciálem.

Teoretická část práce rozdělená do šesti kapitol srozumitelně popisuje základy elektromagnetizmu, plazmoniky, plazmonických antén, silné vazby, 2D materiálů doplněné studentem o nejnovější příklady z literatury. Teoreticky jsou popsány také výrobní i charakterizační techniky použité v experimentální části v sedmé kapitole. Ta obsahuje konkrétní postupy a získané výsledky, které jsou pak shrnuty v závěru.

Student se naučil pokročilou techniku přípravy nanostruktur pomocí litografie elektronovým svazkem a depozice tenkých vrstev a také přípravu 2D materiálů technikou mechanické exfoliace 2D šupinek, včetně technologie přesného přenosu šupinek na substrát pomocí manipulátoru a mikroskopu. Samostatně byl také schopen vzorky proměřit infračervenou mikrospektroskopií (FTIR) a rastrovacím elektronovém mikroskopem. Při charakterizaci vzorků se dále seznámil i s mikroskopií atomárních sil (AFM) a mechanickou profilometrií, tyto získané výsledky v práci však nezmiňuje s ohledem na již značnou délku textu. Výroba výše uvedených struktur není jednoduchá a přinesla několik komplikací (problém s lokalizací šupinek při litografii, odpadnutí šupinek nebo antén během tzv. lift-off procesu). Komplikace se však podařily studentovou pílí a dvěma odlišnými výrobními přístupy překonat (umístění šupinky pod nebo nad anténami). Infračervená spektra polí antén na křemíkovém substrátu i s šupinkami hBN vykazují zajímavé chování. Přestože silná vazba mezi plazmony v anténách a fonony v hBN nebyla na základě spektroskopických měření potvrzena, typické rozštěpení vlivem silné vazby bylo pozorováno. A to díky přítomné nativní vrstvě oxidu křemičitého. Hodnotím tak všechny cíle jako splněné. Složitost získaných výsledků si však zasluhuje další pozornost.

Celkově hodnotím práci 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 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
Ing. Mgr. Peter Kepič

I napriek neúspešnému pozorovaniu silnej väzby medzi fonónovou absorpciou hBN a plazmónovou rezonanciou v poliach zlatých nanoštruktúr, autor splnil všetky ostatné stanovené ciele. Jeho prínos a množstvo získaných vedomostí a experimentálnych dovedností prevyšuje výsledky mnohých bakalárskych študentov. Na práci oceňujem ako detailne a veľmi pochopotiľne autor vysvetľuje teoretický základ danej problematiky. Experimentálne postupy sú doplnené veľmi zaujímavými a prehľadnými osobnými obrázkami, často i neúspešných pokusov. Teória použitých materiálov a techník je napísaná stručne, ale veľmi prehľadne a k veci. Obzvlášť obdivuhodná mi príde úspešnosť náročnej výroby, na ktorú autor potreboval ako kopu času, tak trpezlivosti. Z úspešnej výroby uberá obdivuhodnosť iba slabšia charakterizácia (najmä rozmerov) zlatých nanoštruktúr a hBN šupiniek. Grafy, obrázky a odkazovanie na ne je takteiž veľmi prehľadné a informatívne. Autor navrhuje kopu zaujímavých myšlienok na objasnenie niektorých ťažšie pochopiteľných výsledkov merania a je skvelé že má plán na ich budúce objasnenie. Celkovo jeho experimentálnu prácu hodnotím veľmi kladne a jeho písanú prácu ešte kladnejšie. Bola to veľmi prehľadná a pútavá záverečná práca.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Prečo sa minimum v spektre na obrázku 7.8b pre samostatné 1.8 mikrometrové Au antény na Si nachádza v 2060 cm-1, pričom pre rovnaké samostatné antény v obrázku 7.11a je to okolo 3000 cm-1? Mohli fabrikačné nedokonalosti spôsobiť až taký posun a ak áno, má autor nápad prečo?
  2. V závere autor popisuje, že by sa plazmonové rezonancie polí zlatých štruktúr mali nachádzať medzi 1000-1400 cm-1. Na základe čoho to autor určil a na základe čoho dizajnoval antény? Mohol by autor napísať aproximačný vzťah pre polohu rezonancie lokalizovaného plazmonu a vypočítať rozmädzie polôh rezonancií jeho nanoštruktúr v reciprokých centimetroch? Aký efektívny index lomu využíva a ako ho dopočítal?
  3. Na základe čoho autor vedel približnú výšku "kolem 1 mikrometru" hBN šupinky? Bola výška hBN šupiniek nejako meraná a ak nie prečo?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová