Doctoral Thesis

New generation of graphene bolometers

Final Thesis 5.68 MB

Author of thesis: Ing. Oleh Martyniuk, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Dr. Ing. Petr Neugebauer, Ph.D.

Reviewers: Dr. Kenneth Maussang, Dr. Yahya Meziani

Abstract:

Bolometer detectors are essential for sensing minute energy changes in radiation and are widely used in fields such as astronomy, materials science, and environmental monitoring. Their exceptional sensitivity at cryogenic temperatures enables the detection of extremely small thermal signals, advancing both scientific research and technology. This thesis presents the fabrication and characterization of advanced bolometer architectures based on chemical vapor deposition (CVD) graphene, exploiting its outstanding electrical conductivity, thermal properties, and mechanical strength.
Three major results are demonstrated. First, we report the successful fabrication of quantum dot bolometers using CVD-grown graphene, where the quantum confinement enhances temperature-dependent electrical resistance—an essential parameter for sensitive bolometric detection. Second, a novel design of multi-parallel quantum dot devices based on CVD graphene is fabricated, showing improved scalability and robustness. Third, we reveal that the back-gate voltage plays a critical role in tuning the temperature dependence of the graphene quantum dot resistance, thereby offering a tunable mechanism to optimize bolometer performance.
Importantly, the multi-parallel architecture enables optimization of the total impedance of the bolometer, facilitating its future integration with antennas for high-frequency applications. This design also allows for a significant increase in the total active graphene area while preserving the same level of responsivity, overcoming a common trade-off in miniaturized detectors.
Despite fabrication challenges such as maintaining uniform material properties and achieving high-resolution lithography at the nanoscale, the demonstrated devices pave the way for high-performance, scalable graphene-based bolometers. These advances show promising potential for applications ranging from sensitive detection of molecular magnets to high-resolution DNA sequencing and beyond.

Keywords:

Graphene bolometer, quantum dot, CVD graphene, back-gate tuning, multi-parallel architecture, impedance matching, cryogenic sensors, nanofabrication, thermal sensitivity, high-responsivity detectors.

Date of defence

08.09.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce pana Martyniuka se zabývá výrobou a charakterizací pokročilých architektur bolometrů založených na grafenu připraveném metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD), využívajících jeho vynikající elektrické vodivosti, tepelných vlastností a mechanické pevnosti. Práce je aktuální a její cíle jsou jasně vymezeny a byly úspěšně splněny. Tato práce ukazuje, že CVD grafen je vhodným materiálem pro výrobu bolometrů založených na kvantových tečkách, které se vyznačují vysokou citlivostí, škálovatelností a laditelností. Pro úplnou charakterizaci vyrobeného zařízení je však zapotřebí další výzkum. Celkově pan Oleh Martyniuk úspěšně navrhl, vyrobil a charakterizoval novou generaci bolometrických detektorů založených na grafenu a experimentálně prokázal jejich schopnost detekovat záření na frekvenci 100 GHz při nízkých teplotách. V průběhu obhajoby pan Martyniuk prokázal hluboké znalosti ve zkoumané problematice a schopnost samostatně vědecky pracovat. Na dotazy komise a oponentů reagoval výborně.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (CEITEC-AMN-CZ-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
Dr.techn. Ing. Hermann Detz (místopředseda)
Dr. Kenneth Maussang (člen)
Dr. Yahya Meziani (člen)
Prof. Yahya Tayalati (člen)
Assoc. Prof. Abdelmajid Ait Abdelkader (člen)

viz posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 114,26 kB

Reviewer’s report
Dr. Kenneth Maussang

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 141,97 kB

Reviewer’s report
Dr. Yahya Meziani

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 257,77 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová