Bachelor's Thesis

Preparation and characterization of B-centers in hexagonal boron nitride

Final Thesis 12.54 MB

Author of thesis: Ondřej Jež

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Viewegh, Ph.D.

Reviewer: Ing. Pavel Klok

Abstract:

This thesis focuses on the localized fabrication and optical characterization of SPE, spe
cifically so-called B-centers, in thin layers of hexagonal boron nitride (hBN). B-centers are
optically active point defects of the crystal lattice, which arise as a result of irradiation of
the material with a focused electron beam and are characterized by a narrow spectral zero
phonon line at approximately 436nm. The procedure for preparing thin layers from hBN
crystals and their subsequent treatment through a series of annealing steps is described.
After irradiation, the optical characteristics of the defects were measured by confocal fluo
rescence microscopy. Additional characterization methods were the Hanbury Brown–Twiss
experiment for the function g(2)(τ) and cathodoluminescence measurement. The determinis
tic creation of a B-center with a zero-phonon line at 440,7nm, shifted presumably due to
lattice strain, was confirmed. Based on photoluminescence and cathodoluminescence measu
rements, the proportionality of the optical intensity of the emitter to the applied electron dose
was qualitatively described. The reliable fabrication method found represents an important
foundation for future research of quantum emitters in hBN.

Keywords:

B–centers, hBN, quantum emitters, SPE, 2D materials, electron beam irradiation, confo
cal fluorescence microscopy, cathodoluminescence, Hanbury Brown-Twiss (HBT) experiment

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: - Debyeův-Wallerův faktor - rozdíl mezi pojmy "F-centra" a "B-centra" - použití metody lineární regrese k proložení naměřených dat - měření proudu svazku v elektronovém mikroskopu - důvody pro měření katodoluminiscence Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (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. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jakub Zlámal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)

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

Předložená bakalářská práce studenta Ondřeje Ježe se zabývá vysoce aktuálním tématem lokalizované výroby a optické charakterizace kvantových emitorů (tzv. B-center) v tenkých vrstvách hexagonálního nitridu boru (hBN). Cíle definované v zadání práce, zahrnující rešerši, přípravu, optickou charakterizaci a zjištění závislostí vlastností defektů na vnějších parametrech, byly téměř zcela všechny splněny. Během řešení práce student prokázal mimořádnou míru samostatnosti a iniciativy. Zvládl náročné experimentální techniky, od mikromechanické exfoliace krystalů hBN a jejich přenosu na Si/SiO2 substrát pomocí viskoelastických vlastností PDMS gelu, až po sofistikovanou práci s rastrovacím elektronovým mikroskopem (SEM) a elektronovou litografií. Zvláště oceňuji studentův proaktivní přístup k řešení problémů. Když úvodní metody ošetření nefungovaly, dokázal na základě literatury pohotově upravit postup a zavést dvoukrokové žíhání (ve vzduchové a následně v dusíkové atmosféře), které úspěšně aktivovalo emisi okolo 305 nm.

Odborná kvalita textu je na velmi vysoké úrovni. Teoretická část logicky a srozumitelně vysvětluje mechanismy jednofotonové emise a vlastnosti barevných center. V experimentální části student úspěšně nalezl efektivní parametry pro výrobu B-center pomocí elektronového svazku. Velmi kladně hodnotím také kritické a vyspělé uvažování při charakterizaci. Když student narazil na problémy s excitačním laserem (355 nm) na Ramanově mikroskopu, správně identifikoval příčinu a flexibilně přešel k využití modifikovatelné sestavy Nanonics s laserem 405 nm. Přestože se kvůli technickým omezením aparatury nepodařilo úspěšně změřit autokorelační funkci HBT experimentem, student dokázal prostřednictvím fotoluminiscenčních a katodoluminiscenčních map jednoznačně potvrdit deterministickou tvorbu emitorů. Dále se mu podařilo kvalitativně pozorovat závislost intenzity emitovaného světla na aplikované elektronové dávce a energii elektronů. Formální i jazyková úroveň práce je velmi dobrá, text je čtivý a logicky strukturovaný. Ondřej Jež prokázal, že je plně schopen samostatné vědeckovýzkumné činnosti, kritického myšlení a řešení komplexních laboratorních výzev. Práci proto doporučuji k obhajobě a navrhuji celkové hodnocení A (tedy výborně).
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 B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Pavel Klok

Student Ondřej Jež se ve své bakalářské práci zabývá problematikou jednofotonových emitorů v hexagonálním nitridu boru, konkrétně přípravou a charakterizací tzv. B-center vytvořených pomocí elektronového svazku. Jedná se o aktuální a experimentálně náročné téma, protože mechanismus vzniku těchto defektů dosud není zcela objasněn a jejich příprava je spojena s omezenou reprodukovatelností i obtížnou kontrolou počtu vznikajících emitorů. Zvolené téma proto svým charakterem přesahuje rámec běžných bakalářských prací a vyžaduje dobrou orientaci v oblasti optické charakterizace nanostruktur a kvantových emitorů.

V teoretické části student přehledně popisuje principy jednofotonové emise, vlastnosti a mechanismy vzniku barevných center v hexagonálním nitridu bor. Oceňuji zejména množství schémat a obrázků, které usnadňují orientaci v problematice. Text je místy ale zbytečně rozsáhlý a některé pasáže by mohly být stručnější ve prospěch hlubší diskuse samotných B-center a jejich dosud ne zcela objasněného mechanismu vzniku.

V experimentální části student prokázal schopnost osvojit si několik pokročilých experimentálních technik, včetně elektronové litografie, katodoluminiscence a konfokální fotoluminiscenční mikroskopie. Samostatně se podílel na přípravě vzorků, optimalizaci podmínek ozáření a následné optické charakterizaci připravených emitorů. Metodika však místy postrádá detailnější dokumentaci experimentálních parametrů. Konkrétně tloušťka hBN vrstev je odhadována pouze na základě optického kontrastu bez nezávislého ověření alespoň referenčních vloček pomocí AFM. Podobně při popisu ozáření elektronovým svazkem je elektronová dávka definována pouze absolutním počtem elektronů, zatímco pro lepší reprodukovatelnost a srovnání s literaturou by bylo vhodnější uvádět plošnou dávku.

Ve výsledkové části se studentovi podařilo deterministicky vytvořit emitory a provést jejich základní optickou charakterizaci. Za hlavní přínos práce považuji experimentální ověření podmínek vedoucích ke vzniku B-center a realizaci optických měření. Diskuse výsledků je však místy méně přehledná a některé důležité experimentální informace chybí. Například u katodoluminiscenčních měření není uvedeno urychlovací napětí ani proud svazku, přestože tyto parametry významně ovlivňují interakční objem i výsledná spektra. U konfokální mikroskopie postrádám detailnější popis použitých optických filtrů, detekčního rozsahu, doby expozice a průměrného výkonu laseru. V grafu na obr. 3.6 rovněž chybí vyhodnocení Debye-Wallerova faktoru, přestože je tato veličina zavedena v teoretické části práce.

Po formální stránce je práce zpracována na dobré úrovni až na drobné stylistické nedostatky a místy slabší logické návaznosti textu. Přes uvedené výtky student prokázal schopnost samostatné experimentální práce, orientaci v současné odborné literatuře i schopnost pracovat s pokročilými metodami charakterizace kvantových emitorů. Stanovené cíle bakalářské práce byly v hlavních bodech splněny, a proto ji doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm A, výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Kvantifikujte Debye-Wallerův faktor pro spektrum na obr. 3.6 a porovnejte polohu ZPL a tvar PSB s literaturou. Diskutujte také fyzikální korektnost úpravy spektra dělením referenčním pozadím a hlavní příčiny nízkého poměru signálu k šumu.
  2. Přepočítejte použitou elektronovou dávku na plošnou dávku (např. v µC/cm²) pro obrazec 20×20 nm a porovnejte ji s hodnotami uváděnými v literatuře.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová