Master's Thesis

Design and fabrication of dielectric metasurfaces for ultraviolet wavelengths

Final Thesis 14.59 MB

Author of thesis: Ing. Beáta Idesová

Acad. year: 2022/2023

Supervisor: Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Reviewer: Haoran Ren, Ph.D.

Abstract:

This thesis explores metasurfaces operating at ultraviolet (UV) wavelengths as alternatives to conventional optical elements like lenses or holograms. Metasurfaces offer advantages over traditional optical elements such as a reduced footprint of optical systems or multifunctionality within a single device. We start this work with a literature review devoted to UV metalenses and UV metaholograms. We mainly focus on HfO2 and AlN material platforms because of their high index of refraction (>2) and low losses down to deep-UV region, and we compare fabrication approaches involving these materials. The most promising fabrication recipes were optimized in the practical part of the thesis:  HfO2 metasurfaces were fabricated using atomic layer deposition into masks pre-patterned by electron beam lithography, while AlN metasurfaces were etched through hard chromium masks. We demonstrated successful fabrication of HfO2 metalenses made of high aspect-ratio nanopillars with circular cross-sections, while the fabrication of AlN metasurfaces faced challenges, which were thoroughly discussed as well. Characterization of the final HfO2 metalenses in terms of intensity profiles was done in a custom-made experimental optical setup. The metalenses showed promising performance for the wavelength 325 nm, although slight deviations from the design were observed and are discussed in the context of theoretical calculations. The findings of this work emphasize the importance of thorough optimization for the future fabrication of UV metasurfaces.

Keywords:

metasurface, UV metasurface, UV metalens, HfO2 nanostructures, AlN nanostructures, ultraviolet wavelengths

Date of defence

19.06.2023

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Geometrická fáze, použití například pro dělič svazku. Vliv nepřesností rozměrů nanostruktur na polohu ohniska čočky. Kontrast obrazu nanostruktur v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Studentka odpověděla na otázky bez zaváhání.

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. 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. 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)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Beáta Idesová se tématu své diplomové práce systematicky věnovala prakticky celé dva roky svého magisterského studia. To se odráží nejen v získaných praktických zkušenostech s širokou paletou moderních sofistikovaných metod pro výrobu a charakterizaci nanostruktur, ale také v teoretických znalostech a nadprůměrné samostatnosti při řešení problémů. Obzvláště oceňuji její schopnost samostatně formulovat vědecké hypotézy, porovnávat je s literaturou a navrhovat cesty k jejich ověřování. Diplomová práce je po formální stránce vysoce kvalitní, dobře napsaná a má dobrou grafickou úroveň. Rešeršní část porovnávající různé materiálové platformy pro UV metapovrchy je velmi originální – tento úhel pohledu, který vzešel od autorky práce samotné, u přehledových článků současné vědecké literatury na toto téma chybí. Metodologie je velmi detailní, zřetelně psaná s úmyslem posloužit jako praktický návod pro výrobu UV metapovrchů. Experimentální výsledky spočívající ve vyrobené a ověřené funkční UV metačočcce a její kvantitativní analýze pak práci posunují ještě dál, prakticky na úroveň současného vědeckého poznání. Práci proto bez výhrad doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnotit klasifikačním stupněm 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
Haoran Ren, Ph.D.

The thesis by Beáta Idesová deals with a metasurfaces work in the ultraviolet range made from wide band gap materials, such as aluminium nitride (AlN) and hafnium dioxide (HfO2). UV light has many important applications in various fields such as water disinfection, medical treatment, communication, imaging, high-resolution photolithography and more. However, the conventional optical elements used to manipulate UV light have several drawbacks such as high absorption losses, limited manufacturing precision and bulky optical systems. To overcome these challenges, this thesis work explored the use of metasurfaces operating in the UV wavelength range, which can provide metasurface-based alternatives to conventional optical elements such as lenses and holograms.
The candidate has done an excellent literature review in this field, and the related background introduction very well covers the state-of-the-art meta-optics and nanofabrication techniques. The candidate systematically investigated HfO2- and AlN-based metalenses, both theoretically and
experimentally. I would highlight the nanofabrication section of this thesis, which is very organized with details for optimized fabrication. This will be very helpful for the candidate and other researchers who want to embark future work in this field. The posted results are solid and very well discussed. Overall, the scientific knowledge, fabrication and characterization skills of the candidate are well developed during this project, which in my opinion is beyond the average level of a master study. I would therefore highly recommend its defence.
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 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. Q1: Any particular reason why the candidate and team chose 266 nm and 325 nm as their working wavelengths? Some discussion on this would be good.
  2. Q2: The spacing (periodicity) is fixed as 190 nm and 260 nm for the incident wavelengths of 266 nm and 325 nm, respectively, did the candidate also tried different spacings in the simulation? It would be good to have some comparison
  3. Q3: The hollow nanostructure created during nanofabrication looks interesting, but does this only occur in the ALD deposition? How about the CVD methods? How to control the hole depth and size? Some discussion would be useful for future work
  4. A few minor suggestions: 1. Fig3.14b scale bar, “um” should be the Greek letter. 2. P54 fig A2. plotting, the dark background in this figure makes the data almost invisible. 3. References [16] and [72] display the issue number as ‘TiO<sub>2</sub>’

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová