Bachelor's Thesis

Design of a Setup for Photoluminescence Measurement of Thin Films During Vacuum Deposition

Final Thesis 8.6 MB

Author of thesis: Aneta Opluštilová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Pavel Klok

Reviewer: Ing. Zbyněk Dostál, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis focuses on the development and implementation of an in situ optical setup for measuring photoluminescence during the deposition of semiconductor thin films in a vacuum environment. The analysis of these spectra is crucial for understanding crystallization mechanisms and detecting structural defects or recombination processes that emerge during film growth. These parameters fundamentally influence the future efficiency and stability of optoelectronic devices. The designed all-fiber setup enables reproducible monitoring of dynamic events during the deposition process in close proximity to the sample, without the need to disrupt the high vacuum or recalibrate the optical path. The functionality of the proposed setup was verified on the inorganic perovskite CsPbBr3, providing unique insight into crystallization kinetics and the evolution of optical properties during vacuum deposition. The acquired data thus represent valuable feedback for the future optimization of deposition processes and for improving the quality of the prepared thin films.

Keywords:

photoluminescence, in situ PL, PVD, optical fiber, perovskite, CsPbBr3

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: - Parametry spektra fotoluminiscence - maximum vs. těžiště píku - velikost zrn, množství defektů - omezení plynoucí z designu držáku vzorku - parazitní fotoluminiscence Studentka na otázky odpověděla.

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. Pavel Klok

Studentka Aneta Opluštilová se ve své bakalářské práci zabývala návrhem, realizací a experimentálním ověřením optické sestavy pro in situ měření fotoluminiscence během vakuové depozice tenkých vrstev perovskitu CsPbBr3. Stanovené cíle práce byly jednoznačně splněny. Studentka nejprve provedla rozsáhlou rešerši současných metod měření fotoluminiscence během růstu polovodičových vrstev a následně navrhla vlastní experimentální řešení umožňující citlivou detekci fotoluminiscenčního signálu přímo uvnitř vakuové komory bez narušení depozičního procesu. Výsledkem práce je aparatura představující významný přínos pro budoucí výzkum polovodičových materiálů na Ústavu fyzikálního inženýrství a nanotechnologií.

Velkou předností práce je mimořádně kvalitně zpracovaná teoretická část. Studentka přehledně vysvětluje problematiku růstu tenkých vrstev, optických vlastností polovodičů i principů fotoluminiscenční spektroskopie. Zvláště oceňuji rešeršní kapitolu věnovanou existujícím in situ metodám měření během depozice, kde studentka porovnává současné přístupy a velmi dobře identifikuje jejich limity. Přehledové tabulky a srovnání jednotlivých experimentálních uspořádání významně převyšují standard bakalářských prací a tvoří pevný základ pro návrh vlastního experimentálního řešení.

Experimentální část práce je zpracována na velmi vysoké úrovni. Studentka samostatně navrhla konstrukční řešení zavedení optického vlákna do vakuové komory, realizovala optickou sestavu, provedla její kalibraci a experimentálně ověřila její funkčnost. Velmi pozitivně hodnotím také skutečnost, že se musela seznámit nejen s optickou charakterizací, ale i s problematikou vakuových depozičních systémů a konstrukčním návrhem celé aparatury. Přes komplikace spojené s optickými ztrátami u použitých čoček se podařilo sestavu úspěšně využít k monitorování dynamiky krystalizace perovskitu CsPbBr3 a následně i ke sledování vývoje fotoluminiscence během vakuové kodepozice. Naměřená data poskytla cenný vhled do vývoje optických vlastností během růstu vrstvy, včetně změn intenzity fotoluminiscence, posuvu emisního maxima a změn šířky emisního píku. Významným přínosem práce je také skutečnost, že navržená sestava umožňuje nejen měření stacionární fotoluminiscence, ale díky dosaženému poměru signálu k šumu také budoucí implementaci časově rozlišené fotoluminiscence, což otevírá možnosti detailního studia dynamiky rekombinačních procesů a představuje významný publikační potenciál. Oceňuji rovněž snahu studentky o další optimalizaci systému pomocí optických simulací v programu Zemax a návrh nové sestavy s asférickými čočkami pro zvýšení excitační hustoty a efektivity sběru signálu.

Po formální stránce je práce zpracována velmi kvalitně. Text je logicky členěn, jednotlivé kapitoly na sebe přirozeně navazují a práce obsahuje velké množství kvalitních obrázků, schémat a grafů, které výrazně usnadňují orientaci v textu i interpretaci výsledků. Studentka prokázala schopnost samostatně řešit komplexní experimentální problém zahrnující optický návrh, vakuovou techniku, spektroskopická měření i interpretaci získaných dat. Velmi pozitivně hodnotím také její proaktivní přístup a značnou pracovitost během řešení celé práce, kdy aktivně přicházela s vlastními návrhy a iniciativně se podílela na realizaci i optimalizaci experimentální aparatury. Předložená práce svým rozsahem, odbornou úrovní i kvalitou dosažených výsledků výrazně převyšuje standardně očekávanou úroveň bakalářské práce. Práci proto doporučuji k obhajobě a hodnotím klasifikačním stupněm A, výborně.
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
Ing. Zbyněk Dostál, Ph.D.

Bakalářská práce Anety Opluštilové se zabývá vývojem a implementací in situ optické sestavy pro měření luminiscence perovskitů během jejich růstu ve vakuové komoře. Práce je rozdělena do dvou logických celků. Úvodní část se zabývá teorií depozice tenkých vrstev ve vakuu, optickými vlastnostmi polovodičů a metodami fotoluminiscenční spektroskopie. Druhá část je experimentální a konstrukční.

Přínos autorky je zřejmý především ve druhé části, která se věnuje návrhu osvětlovací, potažmo detekční části systému pro měření fotoluminiscence. Studentka navrhla a realizovala osvětlovací soustavu, kterou následně použila pro svá měření a dále optimalizovala pomocí asférické optiky. Původní i optimalizovanou optickou sestavu analyzovala metodou trasování paprsků v programu OpticStudio Zemax.

Studentka odvedla výbornou práci. Správně pochopila požadavky na konstrukci optického systému a při jeho návrhu zohlednila metodiku měření luminiscence.

Práce má i své drobné nedostatky. Ocenil bych důslednější oddělení vlastního přínosu studentky od převzatých poznatků, aby byl její podíl na řešení ještě zřetelnější. Dále by bylo vhodné důsledně zkontrolovat vzorce a obrázky z hlediska popisu všech použitých veličin v textu. U některých obrázků nejsou veličiny zapisovány kurzivou. U obrázku 2.4 bych doporučil použít pro svislou osu logaritmické měřítko, aby byla lépe patrná i křivka odpovídající kolimátoru.

Přes uvedené drobné výhrady hodnotím práci velmi kladně. Studentka prokázala schopnost samostatně řešit zadaný technický problém a navrhnout funkční optický systém pro měření fotoluminiscence. Stanovené cíle bakalářské práce byly splněny v plném rozsahu. Práce je po formální stránce zpracována na velmi dobré úrovni a uvedené nedostatky mají převážně formální charakter. Práce svým rozsahem, odbornou úrovní i dosaženými výsledky splňuje požadavky standardně kladené na bakalářské práce v daném oboru. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji známkou výborně (A).
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 A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Na obrázku 2.13 jsou uvedeny naměřené křivky fotoluminiscence s maximem v oblasti 515–518 nm. V textu však uvádíte, že použitý perovskit má mít emisní maximum při 520 nm. Čím byl podle Vás tento posun způsoben?
  2. Na obrázcích 2.10 a 2.11b) jsou uvedeny výsledky trasování optických sestav včetně spot diagramů. Jaké je teoretické difrakčně omezené rozlišení obou sestav a jak se liší od rozlišení vyplývajícího ze simulovaných spot diagramů?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová