Bachelor's Thesis

Preparation of nitride nanostructures of Al and Ga

Final Thesis 10.46 MB

Author of thesis: Lukáš Dokulil

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Marek Kostka

Reviewer: doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis focuses on the growth and characterization of Al, AlN, and AlGa nanostructures. First, the thesis provides a theoretical description of the growth of the given nanostructures, as well as the analytical and experimental methods used. The growth of the structures was carried out using effusion cells—one commercially available and one designed at the Institute of Physical Engineering (IPE). The nitridation of Al was performed using a nitrogen ion source designed at IPE. The samples were analyzed using the following methods: SEM, TEM, EDX and XPS. The practical part characterizes the influence of substrates and temperatures on the growth of the nanostructures. For Al, an increase in oxidation depending on the substrate and the formation of AlN on a Si3N4 membrane were observed. Regarding AlN, the formation of the nitride using the ion source and the change in the AlN structure at elevated temperatures were described. Subsequently, the interaction between aluminum and gallium in AlGa nanostructures was described.

Keywords:

Aluminium, aluminium nitride, aluminium-galium, MBE, UHV, nanostructures, thin films, oxidation, nitridation

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: - vliv velikosti nanočástic na možné kvantové jevy - využití XPS - depozice hliníku na grafén - vliv povrchové energie na růst částic 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. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jakub Zlámal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Marek Kostka

Student se během bakalářské práce aktivně podílel na přípravě nitridových nanostruktur hliníku a galia. V první fázi byla otestována nová efuzní cela pro depozici Al, která umožnila kontrolovaný růst Al nanostruktur. Nad rámec zadání byl studován vliv substrátu na oxidaci Al nanostruktur. Dále byly nalezeny optimální podmínky pro růst AlN nanokrystalů. Navíc byl tento proces otestován i směrem k tvorbě tenkých vrstev AlN. Na závěr byl studován růst slitiny Al a Ga, s výhledem na budoucí přípravu AlGaN. Výsledky této práce budou využity k přípravě publikace v odborném časopise. Práce studenta byla samostatná, proaktivní a přesahovala rámec zadání. Lze tedy konstatovat, že student splnil všechny úkoly zadání.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
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 B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Práce Lukáše Dokulila se zabývá růstem nanostruktur na bázi Al/Ga/N, které jsou zajímavé pro vysokovýkonnostní elektroniku a optoelektroniku v UV a hluboké UV oblasti. Výhodou je, že v těchto nanostrukturách lze poměrem Al/Ga ladit šířku zakázaného pásu v rozsahu 3,4 eV (365 nm) odpovídající čistému GaN až do 6,2 eV (200 nm) pro čisté AlN.

Cíle bakalářské práce, tedy růst struktur a jejich charakterizace technikami SEM a XPS, byly splněny. Původně zamýšlená analýza pomocí AFM byla nahrazena TEM a EDX, což považuji za vhodné, neboť tyto techniky poskytují zajímavější informace z hlediska složení nanostruktur. Především v případě AlGa byla prokázána tvorba core/shell struktur. Nanostruktury byly připraveny na 4 typech substrátů: nativním SiO2, termálním SiO2, Si3N4 membranách a grafenu pomocí MBE a nitridace probíhala pomocí iontového zdroje. V této souvislosti považuji za velmi zajímavé zjištění, že grafen zabraňuje oxidaci Al vlivem substrátu, což je výsledek mající publikační potenciál. Dále byl studován vliv teploty substrátu, který umožňoval řídit velikost nanostruktur nebo dokonce dosáhnout tvorby celistvé vrstvy AlN (nad 500 C).

Oceňuji, že práce je psaná jasně a srozumitelně. Občas jsem narážel na drobné překlepy, jejichž seznam uvádím v komentáři tohoto posudku. V práci bylo provedeno velké množství kvalitních experimentů a charakterizací. Trochu obtížné pro mne při četbě bylo poznat hlavní dějovou linii, nebo hlavní cíl, případně jednu vizi, ke které vše směřuje, a která by mi pomohla snadněji propojit smysl všech dílčích experimentů. Nicméně možná právě díky určité otevřenosti práce a nesměřování k jednomu konkrétnímu cíli, se podařilo, asi jako vedlejší efekt, objevit možnost blokování oxidace Al pomocí grafenu, což je zároveň z mého pohledu nejvýznamnější výsledek.

Celkově však práci hodnotím jako výbornou A.
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 B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Proč Al nanostruktury s teplotou rostou až do 300 C, ale při 500 C nastává pokles průměrné velikosti (Tabulka 3.2, Obrázek 3.9).
  2. Ve vztahu 2.6, je člen účinného průřezu, který je dále vyjádřen pomocí průměru atomu. Můžete objasnit vztah pro účinný průřez, jak k tomuto vztahu lze dojít?
  3. Můžete podrobněji vysvětlit vztah 2.1. Především člen Ph, tedy jak píšete „hydrostatický tlak působící na evaporant“?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová