Master's Thesis

Optimization of Tandem Organic Photocapacitors for Efficient Wireless Peripheral Nerve Stimulation

Final Thesis 5.43 MB

Author of thesis: Ing. Adam Toman

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Mgr. Marie Jakešová, M.Sc., Ph.D.

Reviewer: Ing. Radim Hrdý, Ph.D.

Abstract:

Electrical stimulation using organic electrolytic photocapacitors (OEPCs) enables targeted neural stimulation wirelessly controlled by red light and one of the main challenges in OEPC stimulation is targeting a small area tissue such as peripheral nerves. This thesis focuses on optimization of a tandem OEPCs for a small target stimulation. A study of materials that could be suitable for interlayer in tandem structure was performed and candidate materials were chosen to be used in flexible OEPC samples. After choosing an interlayer material, method for fabricating flexible tandem OEPCs was designed utilizing methods such as physical vapor deposition and photolithography. Successful fabrication was followed by a measurement of the optoelectronic parameters to confirm the device functionality; and accelerated aging tests to study the device stability in physiological environment.
The result of this thesis is a fully functional flexible tandem OEPC that achieves almost double generated photovoltage compared to basic OEPC, together with a detailed method for its fabrication. The results present a strong base for further studies in optoelectrical stimulation using tandem OEPCs.

Keywords:

Peripheral nerve stimulation, photovoltaics, optoelectronics, microfabrication, organic semiconductors

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Doc. Rožánek položil otázku zda bylo zařízení fabrikováno pouze na CEITECu nebo částečně komerčně. Bylo uvažováno zařazení statistckých analýz pro získaná data. Doc. Fohlerová položila otázku na šířku polovodičových vrstev a celkovou strukturu při fabrikaci. Jakou technikou byl leptán Parylene C. Jaká je náročnost odlepování vrstvy. Jsou limity v šířkách vrstev pro optimální funkčnost. Jak byla nanášena vrstva PEDOT:PSS. Proč byl použit PEDOT:PSS a jaké jiné materiály by bylo možné využít. Doc. Kolář položil otázku na zvolení vlnové délky. Student obhájil diplomovou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Bioengineering (MPC-BIO)

Composition of Committee

doc. Ing. Martin Rožánek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D. (místopředseda)
doc. Mgr. Zdenka Fohlerová, Ph.D. (člen)
prof. Eric Daniel Glowacki, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Vítek, Ph.D. (člen)

Diplomová práce se zabývá aktuální problematikou bezdrátové stimulace periferních nervů pomocí organických elektrolytických fotokondenzátorů využívajících tandemovou architekturu. Student úspěšně splnil zadání práce a během jejího řešení si osvojil řadu experimentálních metod z oblasti bioelektroniky, charakterizace optoelektronických zařízení a mikrofabrikace. Aktivně se zapojil do práce v čistých laboratořích CEITEC Nano, kde se seznámil s technologicky náročnými postupy výroby tenkovrstvých struktur. Experimentální část práce zahrnuje výrobu a charakterizaci tandemových zařízení, studium různých materiálů mezivrstvy, testování stability i přenos technologie na flexibilní substráty. Získané výsledky jsou konzistentní, mají přímou využitelnost pro navazující výzkum v oblasti organické bioelektroniky a představují hodnotný základ pro další vývoj této technologie.

Diplomová práce má odpovídající rozsah, je logicky členěna a vychází z dostatečného množství relevantní odborné literatury, se kterou student pracuje na dobré úrovni. Teoretická část poskytuje rozsáhlý přehled problematiky a shrnuje potřebné poznatky z oblasti bioelektroniky, organických polovodičů a tandemových fotovoltaických struktur, některé kapitoly by však mohly být zpracovány uceleněji a s větším důrazem na vysvětlení diskutovaných jevů. Experimentální část obsahuje relevantní výsledky podložené systematickou charakterizací vyvinutých zařízení. Po formální a jazykové stránce je práce zpracována na dobré úrovni, přesto se v textu místy objevují drobné stylistické a terminologické nepřesnosti. Některé části práce jsou spíše popisné a mohly by být doplněny o hlubší interpretaci získaných výsledků a jejich širší zasazení do kontextu publikované literatury. Student během práce prokázal pečlivost, manuální zručnost a schopnost osvojovat si nové experimentální postupy. Jeho aktivita a samostatnost však nebyly v průběhu řešení práce zcela vyrovnané a zejména v pozdějších fázích projektu již nebyly na stejné úrovni jako na začátku. Přes uvedené výhrady považuji práci za kvalitně zpracovanou, zadání za splněné a doporučuji ji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 89

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Radim Hrdý, Ph.D.

Předložená práce, která se zabývá technologií organických elektrolytických fotokondenzátorů a jejich následnou analýzou, splňuje svým rozsahem, zpracováním a úrovní požadavky na závěrečnou diplomovou práci. Práce je logicky uspořádaná, srozumitelná a jednotlivé části na sebe dobře navazují, což přispívá k její výborné čitelnosti. Text je psán srozumitelně, stylisticky vyváženě a bez závažných gramatických chyb. Grafická úprava, struktura kapitol i práce s citacemi odpovídají standardům. Vyzdvihuji, že byla napsána v anglickém jazyce bez většího množství chyb. Z technického hlediska bych vytknul, že organický fotokondenzátor je místy interpretován jako klasický fotovoltaický článek, ačkoliv pracuje v režimu kapacitního výboje, nikoli v režimu kontinuálního napájení (kap. 2.2.2 a 2.2.4).
Diplomová práce Bc. Adama Tomana představuje kvalitní a experimentálně náročnou práci, která přináší nové poznatky v oblasti tandemových organických fotokapacitorů a jejich využití pro bezdrátovou neurostimulaci. Student prokázal vysokou míru technické zručnosti a schopnosti interpretovat výsledky. Je zřejmé, že vytýčené cíle byly splněny; proto předloženou diplomovou práci doporučuji k obhajobě s navrženou známkou A, 98b. Topics for thesis defence:
  1. Jaké fyzikální procesy podle Vás nejpravděpodobněji vedou k degradaci H2Pc/Me2PTCDI v oxidačním prostředí?
  2. Jak by bylo možné dále zvýšit stabilitu tandemových OEPC bez zásadní změny jejich optických vlastností?
  3. Uvažoval jste o použití jiných transparentních rekombinačních vrstev (např. MoOₓ/Ag/MoOₓ)? Jaké by byly výhody/nevýhody?
  4. Jaký je podle Vás hlavní limit pro miniaturizaci aktivní plochy OEPC při zachování dostatečného stimulačního účinku?
Points proposed by reviewer: 98

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová