Master's Thesis

Preparation and characterization of single-photon emitters in SiC

Final Thesis 12.42 MB

Author of thesis: Bc. Matej Michalko

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Viewegh, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Ondřej Caha, Ph.D.

Abstract:

The presented diploma thesis deals with the fabrication and characterization of single-photon emitters in 4H-SiC. The theoretical part systematically introduces the basic properties of single-photon emitters, as well as the relevant properties of the host material 4H-SiC. Attention is also given to defects that may act as single-photon emitters and to possible approaches for their creation. The final chapter of the theoretical part focuses on methods for identifying and analyzing single-photon sources. The experimental part of the thesis is devoted to the creation of defects in 4H-SiC by ion implantation and their subsequent analysis. The thesis also includes defect formation by laser writing and the analysis of the prepared samples.

Keywords:

single-photon emitters, 4H-SiC, color centers, ion implantation, laser writing, photoluminescence

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Vyhodnocení experimentálně změřené g2 funkce. Použití jednofotonových zdrojů. 4H a 6H struktura, rozdíl. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Slovak

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. 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
Ing. Petr Viewegh, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Matěje Michalka se zabývá přípravou a optickou charakterizací jednofotonových emitorů v karbidu křemíku (SiC), které představují perspektivní platformu pro budoucí aplikace v kvantové optice, kvantové komunikaci a kvantových technologiích. Téma práce je velmi aktuální, avšak současně experimentálně i teoreticky mimořádně náročné. Výzkum jednofotonových emitorů v SiC je stále rozvíjející se oblastí a na našem pracovišti zatím chybí rozsáhlejší zkušenosti, které by mohly studentovi usnadnit řešení některých experimentálních problémů. Student zpracoval rozsáhlou teoretickou část věnovanou fyzikálním principům jednofotonových emitorů, defektovým centrům v SiC a metodám jejich optické charakterizace. Prokázal schopnost orientovat se v odborné literatuře a shrnout současný stav poznání v dané oblasti.

Hlavním cílem práce bylo připravit a experimentálně ověřit jednofotonové emitory v SiC. Přes značné úsilí se však tento cíl nepodařilo splnit v plánovaném rozsahu. Během řešení se dlouhodobě nedařilo získat jednoznačný experimentální důkaz jednofotonové emise a student při hledání řešení postupoval spíše konzervativně. Z pohledu vedoucího bych očekával větší samostatnost a aktivnější zkoušení alternativních experimentálních přístupů. Omezené množství dosažených výsledků proto nelze přičítat pouze obtížnosti tématu.

Na druhou stranu je třeba ocenit, že část problémů souvisela s objektivní experimentální náročností výzkumu. Průlom nastal až díky spolupráci s externím pracovištěm v Olomouci, kterou iniciativně zprostředkoval Ing. Tomáš Havelka. Teprve tato měření umožnila získat relevantní data o připravených vzorcích a experimentálně prokázat, že se nám dařily připravit fotoluminiscenční emitory. Vzhledem k vývoji projektu byl studentovi zadán náhradní experimentální cíl spočívající v sestavení optické aparatury pro kvantově-optická měření založená na Hanbury Brown–Twissově interferometru. Tento úkol splnil úspěšně. Vybudovaná experimentální sestava představuje funkční základ pro budoucí měření jednofotonových emitorů na našem pracovišti a bude dále využívána v navazujícím výzkumu.

Předložená práce splňuje základní požadavky kladené na diplomovou práci a doporučuji ji k obhajobě. S ohledem na náročnost tématu, dosažené výsledky i míru samostatnosti studenta navrhuji hodnocení B až C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
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 B
Samostatnost studenta při zpracování tématu C

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Mgr. Ondřej Caha, Ph.D.

Cílem práce bylo vytvořit jednofotonové zdroje v karbidu křemíku. Karbid křemíku byl zpracován iontovou implantací, aby byly vytvořené vhodné defekty jako zdroje světla. Na některých vzorcích se podařilo detekovat opticky aktivní defekty, bohužel se nepodařilo detekovat jednofotonové emitory. To však nelze považovat za nedostatek na straně studenta.

Práce obsahuje v úvodní části popis experimentálních metod přípravy vzorků a optické charakterizace. Bylo by vhodné oddělit metody použité ve vlastní práci od ostatních metod.

V sekci 6.2.2 je zmíněno, že se nepodařilo detekovat propad korelační fukce g2(t). Takové konstatování by si opravdu zasloužilo graf, diplomová práce poskytuje dostatek prostoru i pro negativní výsledky, zvláště pokud se jedná o deklarovaný hlavní cíl práce.

Práce obsahuje také určité jazykové nedostatky, například název Palackého Univerzity je ve slovenském textu vhodné skloňovat (strana 41).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti D
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Karbid křemíku používaný pro elektronické aplikace je silně dopovaný dusíkem a jeho desky jsou na pohled žluto-zelené. Excitace zeleným laserem je proto obzvláště malá. Nebyla zkoušena excitace například červeným laserem?
  2. V práci je popsána příprava řady vzorků iontovou implantací. Experimentální výsledky optické charakterizace jsou uvedeny pouze pro některé. Byly měřeny i ostatní vzorky a výsledky jen nejsou uvedeny, protože byly negativní, nebo byly měřeny pouze některé vzorky. Na jakém základě byl proveden výběr vzorků pro experiment?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová