Master's Thesis

Advancing experimental strategies for acquisition of Electron Magnetic Dichroism in freestanding magnetic films

Final Thesis 1.59 MB

Author of thesis: Ing. Martin Tichý

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Hajduček

Reviewer: Ing. Michal Jambor, Ph.D.

Abstract:

Transmission electron microscopy (TEM) is an essential tool for characterizing materials at the atomic level, with specialized techniques enabling the direct observation of local magnetic configurations. Among these, Electron Magnetic Circular Dichroism (EMCD) provides nanoscale magnetic information with elemental specificity. However, the practical application of EMCD is frequently hindered by low signal-to-noise ratios and nonmagnetic background interference from sample substrates. This thesis addresses these limitations by utilizing freestanding FeRh magnetic thin films, which eliminates epitaxial strain and reduces background noise, employing dynamic-diffraction simulations to optimize sample thickness for EMCD signal detection. The study systematically evaluates two primary experimental detection strategies: the traditional beamsplitter method andvthe electron vortex beam method, testing both single- and double-acquisition workflows. Experimental results demonstrate that a double-acquisition beamsplitter approach successfully extracts clear EMCD signals at both the Fe L2 and L3 edges. In contrast, the vortex beam approach was severely restricted by electron beam drift, yielding observable spectral differences only at the L3 edge. Ultimately, while vortex beams offer a novel pathway for probing chiral transitions, the beamsplitter approach remains a more robust and reliable technique under current instrument stability constraints.

Keywords:

Electron magnetic circular dichroism (EMCD), Transmission electron microscopy (TEM), Freestanding thin films, Iron-rhodium, Electron vortex beams, Beamsplitter EMCD

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: Vliv substrátu (napětí) na experiment. Důvody driftu obrazu při experimentech. 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

Tato diplomová práce se věnuje pokročilým akvizičním metodám magnetického kruhového dichroismu v transmisní elektronové mikroskopii. V úvodní teoretické části jsou shrnuty magnetické vlastnosti materiálů relevantní pro tuto práci, principy transmisní elektronové mikroskopie a spektroskopie ztrát energie elektronů se zaměřením na dichroické metody. Hlavní experimentální část práce je věnována porovnání a realizaci dvou přístupů k detekci elektronového magnetického kruhového dichroismu: metody děliče svazku (beam splitter) a metody založené na elektronových vortexových svazcích. Součástí práce je rovněž příprava vhodných volně stojících tenkých magnetických vrstev FeRh použitých pro experiment, optimalizace tvorby vortexových svazků a vytvoření pracovních postupů pro zpracování obdržených experimentálních dat, čímž autor splnil všechny stanovené cíle pro tuto práci.

Autor během řešení práce prokázal velmi dobrou orientaci v pokročilých metodách elektronové mikroskopie a experimentálních metodách magnetické charakterizace. Za nejvýznamnější přínos považuji samotnou realizaci a optimalizaci náročných akvizičních postupů v transmisním elektronovém mikroskopu, což dokládá vysokou úroveň praktických znalostí v tomto oboru.

Výsledná práce po obsahové i formální stránce splňuje požadavky kladené na diplomovou práci a na základě toho ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Michal Jambor, Ph.D.

Hodnotená práca sa zaoberá porovnaním akvizičných stratégií na charakterizáciu magnetického dichromizmu pomocou transmisnej elektrónovej mikroskopie. V prvej časti diplomant stručne vysvetľuje základy fyzikálnej podstaty magnetizmu, princíp a konštrukciu transmisného elektrónového mikroskopu, následne sa zaoberá metódami štúdia magnetického dichromizmu a nakoniec stručne popisuje aktuálny stav poznania v problematike elektrónového magnetického dichromizmu v FeRh. V druhej časti práce sa venuje experimentálnemu posudzovaniu EMD s využitím dvoch odlišných metód, pričom pre každú z nich vyhodnocoval niekoľko akvizičných stratégií. Popísané experimentálne postupy a výsledky sú vhodne doplnené ilustráciami. S prihliadnutím na komplexnosť popisovaných experimentov, diplomant preukázal vysokú úroveň teoretických a praktických znalostí. Práca má veľmi dobrú jazykovú a grafickú úroveň, s minimálnym obsahom chýb a preklepov, ktoré žiadnym zásadným vplyvom neznižujú celkovú úroveň hodnotenej práce. Práca svojím rozsahom spĺňa požadované kritéria. Po formálnej a obsahovej stránke práca spĺňa nároky kladené na tento typ záverečných prác. Na základe vyššie uvedeného hodnotím posudzovanú prácu ako výbornú a odporúčam ju na obhajobu.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. 1. Pri metóde „beam splitting“ je nutná orientácia skúmaného kryštálu do špecifickej difrakčnej podmienky. Môže odchýlka od ideálnej orientácie spôsobiť horšiu detekciu EMD?
  2. 2. Na základe vašich výsledkov, ktorú z metód (beamsplitter – double/single acquisition) by ste použili na priestorové mapovanie EMD, a prečo?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová