Master's Thesis

Simulation-based detection and separation of electron magnetic dichroism for Nanoscale Magnetic Characterization in TEM

Final Thesis 7.5 MB

Author of thesis: Bc. Jáchym Štindl

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Hajduček

Reviewer: Ing. Ivo Kuběna, Ph.D.

Abstract:

The development of nanoscale devices based on magnetic ordering and spintronic effects increases the demand for magnetic characterization techniques. One of the promising approaches for imaging magnetic order is electron magnetic dichroism.
The main challenges of this technique arise from weak dichroic signal intensity and from the limited development of the linear dichroic counterpart capable of imaging antiferromagnetic structures.
This thesis aimed to develop a simulation framework for the separation of electron magnetic dichroic contributions and optimization of experimental conditions for reliable signal detection in a transmission electron microscope, followed by experimental verification of the developed approaches. FeRh was selected as a model magnetic system for both simulations and experiments.
The developed framework enabled the determination of optimal measurement conditions and proposed several methods for separating circular and linear dichroic contributions. The measurements performed under the optimized conditions, demonstrated successful detection of both linear and circular dichroic signals in the ferromagnetic and antiferromagnetic phases of FeRh.
The obtained results contribute to improving the reliability and experimental accessibility of electron magnetic dichroism measurements for nanoscale magnetic characterization.

Keywords:

electron magnetic dichroism, magnetic order, transmission electron microscopy, electron energy-loss spectroscopy, FeRh, mixed dynamic form factor

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Energiové rozlišení EELS v dostupných TEM. Význam zápisu přechodu L2L3. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

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)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, 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. Jan Hajduček

Diplomová práce se zabývá problematikou magnetické charakterizace nanomateriálů pomocí transmisní elektronové mikroskopie a spektroskopie ztrát energie elektronů se zaměřením na elektronový magnetický dichroismus. V úvodních kapitolách autor přehledně shrnuje teoretické základy magnetických uspořádání a zobrazovacích metod založených na magnetickém dichroismu, přičemž hlavní přínos práce spočívá ve vývoji simulačních přístupů pro novou oblast detekce elektronového magnetického lineárního dichroismu. Zvláštní pozornost je věnována návrhu metod separace lineárního a kruhového magnetického dichroického signálu a optimalizaci experimentálních podmínek prostřednictvím pokročilých spektrálních simulací. Navržené postupy jsou následně experimentálně validovány v transmisním elektronovém mikroskopu a dosažené výsledky jsou kriticky diskutovány.

Autor během řešení práce prokázal schopnost orientace v komplexní problematice spojující fyziku magnetických materiálů, elektronovou mikroskopii a numerické simulace, včetně zpracování experimentálních dat. Oceňuji jeho systematický a pečlivý přístup k řešení náročných fyzikálních problémů a aktivní podíl na rozvoji simulačních nástrojů, jejichž význam přesahuje rámec diplomové práce a vytváří předpoklady pro publikační využití dosažených výsledků. Stanovené cíle práce byly v plném rozsahu splněny a práce je zpracována na velmi vysoké odborné i formální úrovni.

Diplomovou práci proto doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
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 B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Ivo Kuběna, Ph.D.

The submitted master's thesis deals with the simulation of electron magnetic dichroism and its characterisation by transmission electron microscopy. The thesis begins with an introduction describing the importance of the problem and continues with two theoretical chapters. In the theoretical part, the author explains the magnetic behaviour of materials, from individual magnetic moments to the collective magnetic behaviour of ferromagnets and antiferromagnets. The experimental field of X-ray and electron magnetic dichroism is also clearly explained, with justification for the thesis's focus on electron dichroism.

The author's main contribution is in Chapter 3, which describes the methodology for separating circular and linear magnetic dichroism. The author proposed three separation methods and critically assessed the accuracy and experimental verifiability of each. In addition, seven microscope configuration parameters and their influence on the results were tested. Among other findings, the results show that the energy resolution of the measured spectrum is critical for detecting linear dichroism.

The experimental part, carried out on a free-standing 25 nm FeRh layer, comprises three measurements: detection of EMLD in the antiferromagnetic phase with a static beam, and simultaneous detection of EMCD and EMLD in the ferromagnetic phase. During the experiments, it was confirmed that when the energy resolution is around 1 eV, linear magnetic dichroism becomes undetectable, which is consistent with the simulation results.

It can be concluded that all defined goals of the thesis were fulfilled. 

I also see clear progress comparing bachelor's and master's theses. The author has advanced from qualitative correlative imaging to his own quantitative simulation framework with experimental verification, and the depth of physical understanding is markedly greater.

I strongly recommend this thesis for defence.
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 A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. The results show that the electron beam's energy spread is the critical parameter for reliable EMLD detection. What determines the energy spread in a TEM, and what are the possible ways to improve it? Please explain the principle of the relevant electron sources briefly.
  2. In Figures 3.7a and 3.7b, a pronounced drop of the dichroic signal – particularly the circular one – can be seen at a sample thickness of around 40 nm. How do you explain this drop? And how can the specimen thickness be measured in TEM?
  3. The B2 structure is cubic, so the [100] and [010] directions are crystallographically equivalent. How does the magnetic ordering reduce this symmetry, and can your EMLD measurements distinguish where the in-plane component of the Néel vector lies?
  4. During the AF–FM transition in FeRh, the lattice expands by about 0.3 %. Would this deformation be measurable in TEM, e.g. from the diffraction pattern, and could it be used for local phase identification?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová