Master's Thesis

Combined detector for visible and infrared radiation

Final Thesis 2.06 MB

Author of thesis: Ing. Marek Děcký

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: Mgr. Jiří Liška, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Michal Kiaba, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis focuses on the study, design, fabrication,
and characterization of a combined detector for visible and infrared radiation.
A literature review was conducted. The main result was achieved through several intermediate steps: the design, fabrication, and characterization of the detector. Sensitivity to visible light was based on electrical conduction (leakage current) at the metal/silicon dioxide/silicon interface, while infrared detection used an uncooled microbolometer with plasmonic antennas to enhance absorption via strong coupling between localized surface plasmons of gold antennas and phonons in the thin silicon dioxide layer. The multi-step fabrication involved electron beam lithography and thin-film deposition. All samples were made on silicon substrates, differing in silicon dioxide layer thickness and its preparation, and meander materials. Type one samples had titanium meanders on thermal silicon dioxide. Type two had platinum meanders on evaporated silicon dioxide. Resistance measurements showed that titanium meanders had decreasing resistance with rising temperature (semiconductor behaviour), while platinum meanders showed increasing resistance (metallic behaviour). The final detector responded strongly to visible light and heating
on a hot plate, but not to infrared radiation from a blackbody source

Keywords:

Combined detector, leakage current, microbolometer, plasmonics, strong coupling, plasmonic antenna, lithography, thin film deposition

Date of defence

10.06.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Proč se titan choval jako polovodič? Úspěšnost výroby senzorů. Důvod vzniku maxim na závislosti odporu na teplotě. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

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. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (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)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

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

Student Marek Děcký se ve své diplomové práci věnuje kombinovanému detektoru pro viditelné i infračervené záření.

Téma práce bylo navrženo tak, aby byly prozkoumány a využity některé efekty z jeho bakalářské práce (např. nečekaná detekce viditelného světla u zařízení s plazmonickými anténami naladěnými pro detekci na střední infračervenou oblast záření umístěnými nad titanovým meandrem). Plazmonické antény by mohly zvýšit rychlost reakce na infračervené záření a případně i prostorové rozlišení a jejich využitím v kombinovaném detektoru by se jednalo o slibnou aplikaci.

Student využil řadu pokročilých technik mikro/nanovýroby (elektronová litografie, depozice tenkých vrstev, suché leptání) a vyrobil několik zařízení, na kterých dále testoval elektrickou odezvu na viditelné i infračervené světlo. I přes delší tvůrčí přestávky se mu podařilo pořídit zajímavé výsledky, které si zasluhují další zkoumání. Podařilo se mu zjistit, že citlivost na viditelné světlo vykazuje také zařízení vyrobené bez antén a bez titanového vodiče a bude způsobena nedostatečnou izolační schopností vrstvy oxidu křemičitého připraveného na křemíkový substrát napařováním. Lze to vysvětlit efektem elektrického svodu, jak již bylo pro detektory viditelného světla popsáno v literatuře. Kvalitnější oxid křemičitý připravený termálně neukázal citlivost na viditelné světlo. V práci toho bylo dále úspěšně využito u kombinovaného detektoru a navržené finální zařízení ve tvaru kříže, u kterého protilehlé kontakty měly umožnit detekci jednoho nebo druhého typu záření, se podařilo úspěšně vyrobit (vzorek 2. typu se 100 nm tlustým platinovým meandrem). Zařízení ukazovalo výraznou reakci na viditelné světlo a také na ohřev pomocí horké plotýnky, i když na infračervený osvit černým tělesem se reakce zaznamenat nepodařila. U plazmonických antén, které byly umístěny nad meandrem a měly umožnit zesílenou absorpci v IR oblasti díky režimu silné vazby, se proto jejich pozitivní vliv prozatím potvrdit nepodařilo.

Mikro/nanovýroba je často komplikovaná a dosáhnout plánovaných výsledků je časově náročné, zvlášť u vícekrokové výroby, nezbytné pro zařízení navržené v této práci. Interpretace ne vždy jednoznačných naměřených výsledků byla často také komplikovaná. O to víc je potřeba tomu věnovat čas, postupy opakovat a hledat případně nové cesty vedoucí k cíli, což zde student realizoval v omezené míře. Student také mohl věnovat hned od začátku větší úsilí při studiu literatury nebo na konci při formulování závěrů. To vše spolu s časovým hlediskem se promítá do snížené známky v hodnocení.

Práce splňuje všechny formální náležitosti pro diplomovou práci a hodnotím ji stupněm D - uspokojivě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání D
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací D
Samostatnost studenta při zpracování tématu D

Grade proposed by supervisor: D

Reviewer’s report
Mgr. Michal Kiaba, Ph.D.

Diplomová práca Mareka Děckého sa zaoberá návrhom, výrobou a charakterizáciou detekčného systému reagujúceho na viditeľné a infračervené žiarenie. Autor preukazuje dobrú orientáciu v teoretických základoch fotodetektorov, plazmoniky aj fyzikálnych vlastností materiálov. Praktická časť zahŕňa návrh a realizáciu viacerých typov vzoriek na kremíkových substrátoch s rozdielnymi typmi tenkovrstvových štruktúr a citlivých prvkov. Výroba prebiehala pomocou elektronovej litografie a tenkovrstvových technológií. Testované vzorky využívali elektrický svod ako detekčný princíp pre viditeľné svetlo, pričom boli doplnené o plazmonické antény na zvýšenie absorpcie žiarenia v infračervenej oblasti.

Ako sa ukázalo aj v práci, meranie elektrických vlastností vzoriek je občas veľmi nevyspytateľné. V práci sa podarilo technické nedokonalosti odhaliť a uskutočniť niekoľko úspešných meraní. Ako autor v práci spomína, niektoré ciele sa nepodarilo úplne naplniť. Práca však obsahuje viaceré nedostatky. V teoretickej časti sa autor podrobne venuje témam ako Maxwellove rovnice či plazmonika do takej miery, že práca pôsobí skôr dojmom teoretickej než experimentálnej práce. Naopak, chýba tu popis techník použitých v experimentálnej časti. Popis samotných experimentov je často neprehľadný, formátovanie a označovanie obrázkov vykazuje viaceré nedostatky a často nie sú v texte identifikované alebo komentované. Napriek týmto výhradám práca dokazuje určitú technickú zručnosť a schopnosť autora samostatne riešiť zadanú úlohu. Prácu hodnotím známkou C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Aký vplyv by mala väčšia alebo menšia hrúbka platinového meandra na citlivosť a správanie detektora? Prečo ste zvolili práve hrúbku 100 nm?
  2. Prečo ste si pre druhý typ vzorky zvolili práve platinu ako materiál meandra? Zvažovali ste aj iné materiály a v čom by mohli byť prípadne výhodnejšie alebo nevýhodnejšie?
  3. Ktorý z experimentálnych výsledkov vašej práce považujete za najpodstatnejší a v čom vidíte jeho prínos pre danú oblasť výskumu?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová