Master's Thesis

Selective growth of nanostructures on graphene membranes

Final Thesis 8.54 MB

Author of thesis: Bc. Adam Novotný

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jindřich Mach, Ph.D.

Reviewer: RNDr. Antonín Fejfar, CSc.

Abstract:

This thesis investigates routes to prepare large-scale graphene membranes and introduces ways of selective growth of nanostructures on them. The approach is based on a shadow mask technology, where a patterned mask is suspended in proximity to the free-standing graphene membrane in order to achieve deposition selectivity. Gallium nano-droplets are formed under controlled temperature conditions in order to force their final size. The presence of hydrogen and the effect of the gallium droplets are evaluated via Raman spectroscopy, after scanning electron microscopy analysis. The results provide comprehensive guidance for engineering graphene membranes as platforms for patterned nano-structure growth and for future integration into nano-electric and sensing devices.

Keywords:

graphene, graphene membranes, selective growth, hydrogenation, gallium nano-droplets, Raman spectroscopy

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: Možnosti přesnější výroby nanostruktur. 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
doc. Ing. Jindřich Mach, Ph.D.

Student se během řešení diplomové práce aktivně podílel na realizaci experimentů zaměřených na selektivní růst nanostruktur na grafenových membránách. V průběhu práce byla vyvinuta a ověřena funkční metodika umožňující selektivní růst nanočástic na povrchu grafenových membrán. Takto připravené nanostruktury byly následně charakterizovány pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM), Kelvinovy sondové mikroskopie a Ramanovy spektroskopie.

Student přistupoval k řešení zadaných úkolů samostatně, zodpovědně a s vysokým nasazením. Při experimentální práci prokázal schopnost kritického myšlení, pečlivost a kreativní přístup k řešení vzniklých problémů. Nad rámec zadání se aktivně podílel na optimalizaci experimentálních postupů a interpretaci získaných výsledků. Jeho přístup k řešení problematiky byl originální a zároveň profesionální.

Během práce rovněž prokázal schopnost efektivně spolupracovat v týmu a ochotně pomáhal ostatním členům výzkumné skupiny. O danou problematiku projevoval dlouhodobý zájem a aktivně se podílel na diskusích nad dosaženými výsledky. Pracoval systematicky, spolehlivě a samostatně, přičemž zvládl osvojit si řadu pokročilých experimentálních metod a postupů.

Na základě kvality odvedené práce, samostatnosti při řešení úkolů a dosažených výsledků, které přispívají k rozvoji výzkumu grafenu a jeho aplikací, hodnotím diplomovou práci písmenkem 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. Antonín Fejfar, CSc.

Předložená diplomová práce s názvem „Selective growth of nanostructures on graphene membranes“ se věnuje tématu přípravy nanostruktur pomocí stínové litografie (tj. litografie s využitím blízké clonky jako masky), kterou vypracoval Bc. Adam Novotný pod vedením doc. Ing. J. Macha, Ph.D. na Ústavu fyzikálního inženýrství FSI VUT v Brně. Práce je pozoruhodná tím, že problematiku řeší na poměrně velkých plochách grafenu (~200 m).
Práce je dělena do 3 hlavních částí: po krátkém úvodu s motivací výzkumu a popisem cílů práce následují tři rešeršní kapitoly popisující vlastnosti grafenu (kap. 1), využití stínové litografie (nanostencil lithography) (kap. 2) a zaměření práce na velké (až stovky mikrometrů) volně zavěšené membrány (kap. 3). Oceňuji důkladné a čtivé zpracování této části.
Čtvrtá kapitola s vlastními výsledky autora je zaměřena na přípravu membrán vzorků, včetně konstrukce a obsahuje již výsledky přípravy vzorků a jejich charakterizace pomocí SEM a Ramanovy spektroskopie na pracovišti, viz obr. 4.12. a 4.13.. Pátá kapitola pak již ukazuje charakterizaci připravených vzorků grafenových membrán přenesených na křemíkové podložky s vyleptanými válcovými otvory  o průměru až 200 m. Výsledky depozice gáliových ostrůvků a nanodrátů (kapitola 5.1.) pomocí masky ukazují zajímavou možnost poměrně přesně řídit velikosti  a distribuci nanostruktur. Další podkapitola 5.2. je věnována hydrogenaci, která by mohla usnadnit přesnější definování připravovaných oblastí.
Třetí částí práce je závěr, který shrnuje dosažený stav výzkumu a ukazuje směr, kterým by se mohl ubírat další výzkum. Tato část má rozsah jen jedné stránky, ale je dobře zpracovaná.
Cíle práce, tedy především  selektivní depozice na grafenové membrány nad aperturami (otvory) v křemíkovém držáku při studiu nanostruktur, tak bylo dle mého názoru přesvědčivě dosaženo, a byly dosaženy nové poznatky.
Práce obsahuje úctyhodné množství referencí (96), vesměs relevantních, a dokládá tak rozhled diplomanta v oboru. Práce je vypracována anglicky a je psána svěže. Po formální stránce a jazykové stránce je práce výborná. Narazil jsem sice na některé překlepy nebo vadnou interpunkci, nikoliv však v rušivé míře.
Dle mého soudu tedy práce splnila všechny náležitosti magisterské diplomové práce.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
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. Rozveďte závěrečnou kapitolu o možných dalších směrech vývoje, především z pohledu odstupu masky od povrchu vzorku. Jaký minimální odstup lze očekávat při použití tenčích pásek? Jak by mohl vypadat polohovací systém pro masky a bylo by možné uvažovat i o rastrování masky po povrchu?
  2. Upřesněte rozsah vašich vlastních výzkumných prací a příspěvek kolegů, kteří vám pomáhali. V čem vidíte podstatu svého přínosu?
  3. Jak moc je povrch grafenu při pozorování ovlivněn kontaminací zbytkovou atmosférou v elektronovém mikroskopu? Ovlivní pozorování i depozice gáliových nanostruktur?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová