Bachelor's Thesis

Silicon carbide optical metasurfaces

Final Thesis 10.03 MB

Author of thesis: Bc. Vojtěch Frühbauer

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: Ing. Petr Viewegh, Ph.D.

Reviewer: Ing. Michal Kvapil, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis focuses on the design and optimization of silicon carbide (SiC) optical metasurfaces for quantum applications, particularly for the collimation of emission from single-photon emitters (SPEs). The work combines a literature review with numerical and semi-analytical simulations to propose a metasurface capable of directional emission and enhanced efficiency of SiC-based color center SPEs. The 4H-SiC polytype was used due to its unique optoelectronic and mechanical properties, making it a promising platform for integrated quantum photonics. Libraries
of nanoantennas were created and optimized using FDTD and RCWA simulations. The final metasurface was fabricated using electron-beam lithography and reactive ion etching and characterized by confocal and digital holographic microscopy. The results confirm the functionality of the design and demonstrate the potential of SiC metasurfaces for integrated quantum-optical devices with embedded SPEs.

Keywords:

optical metasurface, dielectric metasurface, single-photon emitter, silicon carbide, quantum optics, metasurface design

Date of defence

12.06.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Experimentálně (holograficky) změřený fázový profil Optimalizace tvaru a polohy navržených nanostruktur Uspořádání měřící aparatury Možnosti realizace jednofotonových zdrojů 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)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jakub Zlámal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Viewegh, Ph.D.

Student je velmi inteligentní a pracovitý. Prokázal samostatnost při řešení projektu a využíval všechny dostupné metody. Samotná práce je na velmi vysoké úrovni a skvěle je zpracovaná i rešeršní studie. Jediný drobný nedostatek je splnění cílů práce, kdy se studentovi ne zcela podařilo osamostatnit ve fabrikaci a optické charakterizaci SiC metapovrchů. To bylo ale způsobeno především objevením mnoha nepředvídatelných problémů během návrhu designu metapovrchu, což je ale při badatelské práci běžná věc. Doporučuji proto práci k obhajobě s výslednou známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
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. Michal Kvapil, Ph.D.

Student Vojtěch Frühbauer se v předložené práci zabýval tvorbou knihovny stavebních bloků optických metapovrchů z karbidu křemíku aplikací Greenova formalismu na výsledky numerických simulací metodou RCWA. Následně pomocí těchto stavebních bloků navrhl tři optické metapovrchy, jejichž funkci ověřil pomocí numerických simulací metodou FDTD. Jeden z navržených metapovrchů byl také vyroben a proběhlo experimentální ověření jeho funkčnosti.

Většina práce je, až na pár drobných výjimek, napsána velmi čtivě a přehledně, vyskytuje se v ní jen několik málo překlepů a rešeršní část výborně demonstruje význam a možnosti optických metapovrchů. Jistou nelogičnost však spatřuji v uspořádání kapitol 2 a 4. V kapitole 2 (Numerické a experimentální metody) autor nejprve představuje metody pro výrobu a charakterizaci metapovrchů a až následně simulační metody pro návrh těchto metapovrchů. Domnívám se, že logičtější by bylo začít simulacemi, neboť ty obvykle předcházejí výrobě a charakterizaci. V kapitole 4 (Výsledky) je na str. 38 uvedena tab. 4.1 shrnující účinnosti navržených metapovrchů. Čtenáři se tato tabulka může na první pohled jevit jen jako změť čísel, neboť umístění tabulky v textu předchází diskusi o dosažených výsledcích a logičtější by mi přišlo tabulku umístit až za tuto diskusi, tj. na konec podkapitoly 4.1, kde by tak čtenáři poskytla pěkné shrnutí dosažených výsledků (samozřejmě by si to vynutilo i jisté změny v diskusi výsledků).

Dále mám jen několik drobných připomínek:

- V popisu barevné škály na obr. 1.1 a) je užit nevhodný pojem "normalizovaná amplituda", nicméně v popisu obrázku je už užit správný pojem "normovaná amplituda".
- V textu práce došlo dvakrát k záměně pojmu transmise za pojem disipace.
- V podkapitole 4.1 autor nevhodně označil omezení přípustné odchylky transmisního úhlu od normály jako "mezní  úhel". Tento pojem se obvykle pojí s totálním odrazem a může tak být pro čtenáře matoucí zejména, když je v této části práce totální odraz také zmiňován.

Předloženou práci doporučuji k obhajobě a i přes uvedené drobné výhrady hodnotím jako výbornou, tedy klasifikačním stupněm A.
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 B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Nejen na obr. 3.5 a) a b) se vyskytují, nazvěme to "bodové singularity", v nichž na první pohled dochází k výrazné skokové změně fáze. Představuje to nějaký problém?
  2. Jak si vysvětlujete, že transmitance skrz navržené metapovrchy je nižší než skrz rovinné rozhraní bez metapovrchu?
  3. Na str. 39 a 40 uvádíte, že indexy absorpce zjištěné experimentálně elipsometrií pro s- a p-polarizaci se výrazně lišily. Jak se lišily reálné části indexu lomu? A neměly by v takové případě mít kružnice na obr. 4.5 a) a b) rozdílný poloměr?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová