Bachelor's Thesis

Limits of focused ion beam lithography in nanophotonics

Final Thesis 3.29 MB

Author of thesis: Martin Kužílek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michal Horák, Ph.D.

Reviewer: Ing. Vojtěch Švarc, Ph.D.

Abstract:

This experimentally focused bachelor's thesis deals with the determination of the sputtering yield of selected materials (gold, aluminum, titanium, bismuth, copper, silicon, and silicon nitride) and, in its second part, verifies the hypothesis regarding the possible influence of the sputtering yield on the successful fabrication of plasmonic antennas using focused ion beam lithography. The prepared films were characterized by X-ray diffraction, and the depth of the sputtered test structures was measured using atomic force microscopy. The experimental sputtering rates were compared with simulation models and theoretical calculations, which often seemed to be overestimated. Subsequent attempts to fabricate bowtie and bar antennas confirmed fundamental technological limitations. While antennas made of gold, which has one of the highest sputtering yields, can be fabricated with minor imperfections in the form of residual grains, for titanium and aluminum, which on the other hand have some of the lowest sputtering yields, the membrane is breached before all the material surrounding the antenna is sputtered away. In the case of copper, which has a moderate sputtering yield, successful fabrication is prevented by strong preferential sputtering dependent on the crystallographic orientation of the grains. The results of this thesis demonstrate that for these non-noble metals, focused ion beam lithography on thin membranes is an unviable method for the fabrication of plasmonic antennas.

Keywords:

Plasmonic antennas, sputter yield, FIB, lithography, IBAD

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: - nejistoty měření - měření proudu v iontového svazku - naměřené difraktogramy - rozdíly v simulační metodě SRIM a TRIM 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. Michal Horák, Ph.D.

Bakalářská práce Martina Kužílka s názvem Limity litografie fokusovaným iontovým svazkem v nanofotonice je experimentálně zaměřená na ověření hypotézy, že pomocí iontové litografie jde vyrábět plazmonické antény na tenkých membránách jen z několika málo kovů, které mají vysokou odprašovací rychlost. Toto omezení je zásadní zejména v oblasti plazmoniky neušlechtilých kovů a bylo objeveno v rámci diplomové práce M. Foltýna (2024). Cíle této bakalářské práce spočívaly v experimentálním určení odprašovacích rychlostí několika materiálů a následném pokusu o výrobu plazmonických nanostruktur z tenkých vrstev z vybraných materiálů. Cíle práce byly jednoznačně splněny.


Student se aktivně zapojil do experimentální práce v laboratořích ÚFI FSI VUT a ve spolupráci s M. Foltýnem prováděl experimenty v CEITEC Nano (součást Czech Nano Lab), neboť do laboratoří CEITEC Nano neměl samostatný přístup. Vyhodnocení experimentů a rešerši literatury prováděl zcela sám a dílčí postup vždy konzultoval se svým vedoucím.


Práce z hlediska formální úpravy a jazykové úrovně odpovídá očekáváním bakalářské práce. Některé obrázky by bylo možné upravit do lepší grafické podoby, nicméně z hlediska obsahu jsou na dobré úrovni. Práce má 36 stran textu (od úvodu po závěr) a zabývá se jak teoretickým pozadím, tak zejména experimenty a jejich vyhodnocením. Splňuje tedy požadavky standardně kladené na bakalářskou práci. Výsledky práce mají, po jistém dopracování, publikační potenciál v imputovaném časopise zabývajícím se nanotechnologiemi.


Přestože předpokládám, že v ročníku budou i tematicky chytlavější a graficky lépe zpracované bakalářské práce, tuto bakalářskou práci hodnotím známkou A a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
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 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. Vojtěch Švarc, Ph.D.

Předložená práce, která se zabývá studiem vlivu rychlosti a výtěžku odprašování fokusovaným iontovým svazkem na kvalitu výroby plasmonických struktur, splňuje svým rozsahem, zpracováním a úrovní požadavky na závěrečnou bakalářskou práci.
Práce je logicky uspořádaná a po grafické stránce je na dobré úrovni, i když některé převzaté obrázky mohly být překresleny. Celkově však práce působí nedokončeně, obsahuje polovičaté věty s neúplnými informacemi. Větám chybí slovesa, v některých pasážích není jednoznačné, o čem autor přesně píše. V dalších částech práce dochází k umělému a zbytečnému natahování práce, a to přefrázováním stejných informací a zbytečným opakováním shodných odstavců („Samotné vyhloubení testovacích struktur…“-- 7x téměř identické 4 odstavce).
Dále by také bylo vhodné se zaměřit na přesné formulace u jednotlivých problematik. Raménko AFM není při měření v kontaktním módu v kontaktu s povrchem vzorku (str. 6) a také se elektrony ve vzorku neionizují (str. 7). U obrázku 2.4 popisek neodpovídá zobrazenému grafu (Lennard-Jonesův potenciál není síla). V textu také chybí definice některých veličin, jako např. M (str. 8), Y(E) (str.9) a N_A (str. 13). Dále by se měl autor zaměřit na správné psaní jednotek (stupně, stupně Celsia), mezer před jednotkami (stupňů, stupňový) a velikostí mezer u jednotek. V českém textu se píše desetinná čárka i v tabulkách a grafech. Některé pojmy jsou vysvětleny příliš daleko v textu, nebo nejsou vysvětleny vůbec (SEM, serpentine, bowtie, bar).
V práci vyzdvihuji nalezení částečné korelace mezi odprašovacím výtěžkem a možností vytvoření plasmonických struktur pomocí metody FIB, kterou by bylo vhodné ověřit ještě na anténách vytvořených z bismutu. Celkové hodnocení navrhuji B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
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 C
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jaký je rozdíl mezi odprašovacím výtěžkem, sputter yieldem, odprašovací rychlostí a specifickou rychlostí odprašování (veličiny z textu práce) a jaké mají tyto veličiny jednotky?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová