Master's Thesis

Nanoelectronic devices on graphene prepared by AFM local cathodic hydrogenation

Final Thesis 2.08 MB

Author of thesis: Bc. Jan Vymazal

Acad. year: 2025/2026

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

Reviewer: RNDr. Martin Ledinský, Ph.D.

Abstract:

Graphene is a 2D material suitable for applications in electronics, sensorics or energetics. Thanks to its high charge carrier mobility, high sensitivity to adsorbents, low electronic noise and the ability to control the carrier type using an external electric field, it appears as an ideal material for the fabrication of high-frequency graphene field-effect transistors (GFET), magnetic field sensors or biosensors. For the applications of graphene in conventional logic transistors requiring a high on/off current ratio, it is advantageous to open its band gap, which can be achieved through chemical modifications such as hydrogenation. Furthermore, the effective hydrogenation of graphene can find an advantage in hydrogen storage devices. Therefore, this diploma thesis studies local cathodic hydrogenation (LCH) of graphene using atomic force microscopy (AFM). Hydrogenated graphene is characterised by atomic force microscopy, Raman spectroscopy and electronic transport measurements in the Hall bar configuration. The influence of ambient relative humidity on resistivity, doping and hysteresis of hydrogenated graphene is investigated.

Keywords:

graphene, LCH, AFM, hydrogen, nanoelectronics, GFET, band gap, KPFM, Raman spectroscopy, Hall bar, relative humidity, resistivity, doping, hysteresis

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: Jak prokázat, že je grafen hydrogenován. Jaké metody byste použil. Jak se určuje procento hydrogenace. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

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)

Jan Vymazal se ve své práci věnoval hydrogenaci grafenu pomocí mikroskopu atomárních sil za účelem tvorby nanoelektronických zařízení. Ačkoliv měl předchozí zkušenosti s oxidací, hydrogenace je mnohem náročnější s ohledem na nalezení vhodných parametrů, zajištění stability, ale i celkové provedení experimentů, protože pracoval na složitých vzorcích uzpůsobených pro transportní měření do podoby Hall barů.

Navzdory zmíněné náročnosti se podařilo splnit všechny cíle práce. Samotná práce je velmi pečlivě napsaná, má vynikající kvalitu, všechna tvrzení jsou poctivě doložena, ať už ve vlastním textu, nebo v rozsáhlých přílohách. Navíc nad rámec vytýčených cílů se podařilo objevit proces zesílené hystereze hydrogenovaného grafenu, který má publikační potenciál.

Jako vedoucí práce bych se však rád vyjádřil nejen k samotné diplomové práci, ale především k celkovému přístupu studenta k vědecké práci, tak jak jsem jej měl možnost poznat během 4 let naší spolupráce. Jan je mimořádně pracovitý, odolný vůči frustraci, soustředěný na cíle, ale zároveň otevřený novým objevům. Velmi oceňuji, že je schopen a ochoten se poučit z nezdarů a neustále se krok za krokem zlepšovat. Chtěl bych podotknout, že Jan nepracoval jen na diplomové práci, ale podílel se v rámci grafenové skupiny na výzkumu po celou dobu. Nad rámec svých povinností, a to i v čase závěrečného časového tlaku, prováděl měření pro své kolegy a v pátém ročníku se ještě snaží sám z vlastní iniciativy vychovávat své dva nástupce ze studentů 1. a 2. ročníku, které vede a věnuje se jim velmi svědomitě.

Také bych rád vyzdvihl, že Jan je již dnes v pátém ročníku hlavním autorem dvou publikací v impaktovaném časopise ACS Omega, s čímž jsem se osobně za celou svou dobu pedagogické kariéry nesetkal.

Závěrem bych chtěl podotknout, že pro mne bylo radostí spolupracovat s takto motivovaným a nadějným mladým vědcem.

Z těchto důvodů a nejen s ohledem na kvalitu předložené diplomové práce, hodnotím práci známkou A.
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 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
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
RNDr. Martin Ledinský, Ph.D.

Předložená diplomová práce splňuje a v řadě aspektů převyšuje standardní požadavky kladené na diplomové práce. Text je velmi dobře čitelný a logicky strukturovaný. Zadání práce bylo velmi ambiciózní, a proto se jej přes veškeré úsilí nepodařilo zcela naplnit. Hlavní překážkou se zřejmě ukázala být nestabilita studovaného LCH procesu, který nevykazoval vždy dostatečnou opakovatelnost, což významně komplikovalo experimentální práci i interpretaci výsledků.

Za nejvýznamnější přínos práce považuji experimentální prokázání hydrogenace LCH a doložení jejího vlivu na elektronické vlastnosti připravených GHB struktur, zejména zvýšení hystereze. Práce dále přináší důležité výsledky týkající se stability LCH hydrogenace, která byla ověřena pomocí Ramanovy spektroskopie, a rovněž potvrzuje elektronickou stabilitu takto připravených struktur.

Po formální stránce je práce na velmi dobré úrovni. Text je přehledně uspořádán, grafické a tabulkové výstupy jsou vhodně začleněny do textu a podporují jeho srozumitelnost. Jazyková i typografická úroveň práce je rovněž velmi dobrá.

Celkově hodnotím práci jako kvalitní, odborně přínosnou a zpracovanou na úrovni převyšující běžný standard diplomových prací. Student prokázal schopnost samostatné experimentální práce, kritického vyhodnocení výsledků i jejich odborné interpretace. Z uvedených důvodů práci hodnotím klasifikačním stupněm A (výborně).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
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 A
Topics for thesis defence:
  1. V úvodu je jako jedna z možných aplikací grafenu uvedena fotovoltaika. Zde si dovolím jako odborník v oblasti fotovoltaiky vyjádřit určitou skepsi. Grafen podle mého názoru nevykazuje dostatečnou vodivost pro použití jako transparentní elektroda v solárních článcích. Pro dosažení požadovaných elektrických parametrů by bylo pravděpodobně nutné použít alespoň dvě vrstvy grafenu, což by však vedlo k optickým ztrátám blížícím se 5 %. To je výrazně více než u standardně používaných transparentních vodivých oxidů (TCO), jako jsou ITO nebo FTO. Dalším problémem je komplikovaná velkoplošná výroba kvalitního grafenu, která se v současnosti jeví jako málo vhodná pro masovou produkci fotovoltaických zařízení. Prosím o dohledání a porovnání typických optických ztrát na standardních transparentních kontaktech používaných ve fotovoltaice s absorpčními ztrátami grafenu.
  2. V textu je Ramanova spektroskopie interpretována jako proces související s excitací elektronů do excitovaných stavů. Taková interpretace není správná. Vysvětlete, proč Ramanův rozptyl nemůže být popisován jako excitace elektronů, a popište fyzikální princip Ramanovy spektroskopie.
  3. Při zvyšování hradlového napětí je v okolí 0 V systematicky pozorovatelný malý schod v měřené závislosti. Souvisí tento jev se skutečností, že v tomto bodě měření začíná a končí? Pokud ano, nebylo by vhodné provádět více měřicích cyklů aby byl tento artefakt eliminován? Mohla by jeho přítomnost ovlivňovat vyhodnocované parametry nebo vést ke zkreslení naměřených hodnot?
  4. V práci je silová zátěž uváděna například v rozsahu -5 --5 nN. Jedná se o rozptyl v experimentu? Tento rozsah se mi zdá poměrně široký a mohl by představovat jeden z faktorů přispívajících k nestabilitě procesu. Z předloženého vysvětlení jsem nepochopil, proč nemůže být síla během měření udržována konstantní. Prosím proto o podrobnější vysvětlení.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová