Bachelor's Thesis

Reconstruction of ion gun and its application for deposition of thin films and nanostructures

Final Thesis 3.87 MB

Author of thesis: Ing. Tomáš Novák

Acad. year: 2010/2011

Supervisor: Ing. Stanislav Voborný, Ph.D.

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

Abstract:

This bachelor´s thesis deals with modification and experimental application of the ion device, generating and transporting nitrogen ion beam with energy in a range of 10-100 eV. Together with gallium effusion cell, this device can be used for deposition of gallium nitride (GaN) thin films. Nitrogen ion beam current significantly increased by shortening the optical part of the ion gun. A differential pumping provides the system with ultrahigh-vacuum conditions in the deposition chamber. Profiles of ion current density, appropriate for GaN depositions, were found by the optimization of potentials applied on electrodes of the ion gun. Due to increase of nitrogen-ion current, the depositon rate of the system raised from about tenth of nm/h to more than 10 nm/h. For experiments described in this paper, monocrystalline silicon (111) was used as a substrate. The effect of gallium and nitrogen ion fluxes on GaN growth was investigated, together with
the effect of gold nanoparticles on a GaN growth. Thin films were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). Several specific morphologies of thin films were observed.

Keywords:

Gallium nitride, ion beam deposition, low energy ions, thin films, gold nanoparticles.

Date of defence

21.06.2011

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (B3901-3)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
doc. RNDr. Josef Kuběna, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Stanislav Voborný, Ph.D.

Student se v rámci bakalářské práce aktivně podílel na rekonstrukci iontového děla s cílem významně zvýšit hustotu dusíkového proudu dopadajícího na substrát. Na základě ideového návrhu samostatně navrhnul komponenty zajišťující diferenciální čerpání systému a po jejich výrobě provedl kompletaci iontového děla. Vzhledem k velkým změnám v optické části zařízení bylo nutné nalézt nové provozní parametry iontového děla (napětí na elektrodách, výbojový proud iontového zdroje, poloha manipulátoru). Upravené iontové dělo bylo v bakalářské práci využito ke studiu růstu vrstev GaN na křemíkových substrátech při různých podmínkách (poměr toků dusíku a gallia, teplota substrátu), které značně ovlivňují výslednou morfologii vrstvy. Rovněž byl zkoumán vliv zlatých nanočástic růst GaN vrstev.
Student splnil všechny úkoly zadání. Zvláště významné je více než desetinásobné zvýšení iontového proudu, které již umožňuje připravovat  tenké vrstvy o tloušťkách desítek nanometrů a tlustších. Většina experimentů popisovaných v bakalářské práci byla v minulých letech prováděna s původní konfigurací děla – z důvodu nízkých toků dusíku však vrstvy dosahovaly tlouštěk max. několika nanometrů a při SEM a AFM analýzách nebyla vrstva odlišitelná od substrátu. V několika případech nebylo možné experiment jednoznačně vyhodnotit, protože při stejných parametrech depozice byla pozorována na substrátech odlišná morfologie. V těchto případech však mohl být rozdílný výsledek způsoben použitím křemíkového substrátu od jiného výrobce, s jiným typem vodivosti, nepřesným nastavením manipulátoru či dalšími jevy, které budou dále studovány.
Studentovi se podařilo vykonat větší množství experimentů než bylo plánováno a část výsledků z důvodu rozsahu v práci ani uvedena není. Při experimentální práci si student počínal svědomitě, prokázal experimentální zručnost a samostatnost. Práce je stylisticky nadprůměrná a zatížena velmi malým množstvím chyb. V rámci práce se student seznámil s vakuovou technikou, ovládáním iontových zdrojů, efúzních cel a zvládl základní v laboratoři používané experimentální techniky (AFM, SEM, XPS). Na bakalářské práci začal intenzivně pracovat před více než rokem, v únoru dokončil experimentální část a v dubnu měl již práci napsanou. Doporučuji ji proto k obhajobě a hodnotím ji stupněm 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 vysledky 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 B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Bakalářská práce popisuje optimalizaci systémů pro přípravu ultratenkých a tenkých vrstev GaN. V úvodu práce je velmi stručně popsána metoda přípravy tenkých vrstev LEIBD a důvody, které vedly k vzniku bakalářské práce.
Druhá kapitola práce je věnována popisu interakce nízkoenergiových iontů s povrchem substrátu a popisu systému používaného k depozici vrstev metodou LEIBD. Zde na str. 16 je zmíněno, že koeficient ulpění je pro kovy téměř jedna. Nicméně z textu není zcela zřejmé, zdali pisatel míní kovový povrch nebo dopadající ionty kovů.
Kapitole 3 je věnována popisu jednotlivých součástí užívaných pro depozici GaN na Ústavu fyzikálního inženýrství v Brně. V odstavci na straně 22 pisatel uvádí, že Ga je napařováno z Mo kalíšku, je tomu skutečně tak? V odstavci 3.2 na str. 23 hovořil autor o první, druhé a třetí části iontového děla, aniž by tyto části popsal v textu, případně vyznačil v obrázku. Tato drobná nepřesnost se vyskytuje i v kapitole 4, která popisuje úpravy a optimalizaci celého depozičního systému. Na str. 27 v odstavci 4.3 je popisována úprava stínící trubičky, ale z popisu obrázku není cela jasné, která část byla upravována. V obrázku 4.6 jsou pravděpodobně špatně jednotky a není zcela zřejmé, čím jsou zapříčiněny změny profilů svazku.
Kapitola 5. je věnována přípravě GaN tenkých vrstev, kalibraci rychlosti depozice a vlivu poměru toku Ga atomů k toku iontů dusíku na uspořádání vrstvy.  Na str. 35 v odstavci 5.4 je mírně zmatený popis výsledků. K nepřehlednosti také přispívá poněkud nešťastné označení profilu svazku písmenem A, B, C bez bližšího komentáře. Čtenáři dá dost námahy než zjistí, že jde o profily iontových svazků diskutovaných v kapitole 4. Na straně 39 v odstavci 5.5 chybí odkaz na tabulku.
I přes drobné nesrovnalosti hodnotím práci za nadprůměrnou a velmi zdařilou. Student musel řešit množství složitých problémů spojených se samotnou úpravou iontového děla a zvládnout složitý proces depozice vrstev GaN. Práce je přehledná s minimálním procentem překlepů. Velmi pozitivně hodnotím úpravu a zpracování celé práce. Samotnou práci studenta považuji za velmi zdařilou, rozsáhlou a velmi pečlivě zpracovanou. Student splnil všechny úkoly zadání. Z těchto důvodů doporučuji bakalářskou práci k obhajobě a pokud student odpoví na doplňující dotazy, navrhuji hodnocení stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky 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 A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Autor na str. 38 tvrdí: Ionty na povrch dopadají se značnou energií. Pro atomy gallia to znamená zmenšení difuzní délky a větší míru desorpce z povrchu. Je možno tuhle větu diskutovat?
  2. Na obrázku 5.2. str. 35 je měření AFM GaN vrstvy. Proč na obrázku nejsou patrné krystaly jako v jiných případech?
  3. Je možno zvýšit iontový proud jiným způsobem nežli demontáží střední části optiky iontového děla?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová