Master's Thesis

Application of KPM on Graphene/Si Surface Modified by FIB method

Final Thesis 3.05 MB

Author of thesis: Ing. Martin Konečný, Ph.D.

Acad. year: 2012/2013

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

Reviewer: prof. RNDr. Bohuslav Rezek, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis is focused on the application of Kelvin probe microscopy on graphene fabricated by the chemical vapour deposition. The theoretical part of the thesis deals with basic principles of Kelvin force microscopy and focus ion beam. Further, basic properties of graphene and its possible fabrication methods are discussed. The experimental part is focused on the surface potential measurements on graphene membranes fabricated on the substrate modified by focus ion beam. Finally, atomic force microscope lithography was used for nanopatterning of graphene sheets.

Keywords:

AFM, KPM, FIB, graphene, surface potential, membrane

Date of defence

17.06.2013

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

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

Již ve své bakalářské práci v roce 2011 se Martin Konečný věnoval využití Kelvinovy silové mikroskopie (KPFM) při mapování elektrických vlastností povrchu křemíku modifikovaného pomocí fokusovaného iontového svazku (FIB) a lokální anodické oxidace. Během svého půlročního studijního pobytu na TU v Eindhovenu v roce 2012 pak studoval vliv hydrogenace grafenu připraveného termální dekompozicí z karbidu křemíku. Zmíněné zkušenosti uplatnil při vypracovávání předložené diplomové práce, jejímž hlavním cílem bylo pomocí KPFM mapovat stínění elektrostatického pole vzniklého v důsledku modifikace povrchu Si resp. SiO2 s využitím FIB pomocí grafenu. Ačkoliv tento cíl byl značně komplikován přítomností zbytkové vrstvy PMMA na grafenu, domnívám se, že z hlediska času a možností, které měl Martin Konečný k dispozici, bylo uděláno téměř vše pro vyřešení tohoto cíle a v diplomové práci předkládá množství výsledků, které mohou posloužit jako solidní základna pro další studium v této oblasti. Kromě dosažených cílů bych chtěl vyzvednout také měření KPFM na prvních grafenových membránách připravených na našem ústavu a předvedení možností statické litografie při tvarování vrstvy grafenu, které byly v diplomové práci představeny.

Jako vedoucí diplomové práce oceňuji především logický a systematický přístup k řešení problémů, jakož i následnou velmi dobrou interpretaci výsledků. Jedinou připomínku mám k lepšímu načasování termínů při dopisování bakalářské práce, což však nijak nepoznamenalo kvalitu práce. Z mého pohledu je předložený text na vysoké úrovni, a proto uděluji výborné hodnocení.
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 A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

V práci se podařilo zopakovat výsledky z literatury jako je výroba grafénu různými metodami, vytváření membrán, anodická či mechanická modifikace a měření KPFM potenciálu grafénu. Nově se podařilo změřit i potenciál grafénových membrán vytvořených CVD, zde však zbývá doladit technologii přípravy a/nebo přenosu.
Práce je logicky uspořádána a vychází z řady významných prací v literatuře, které jsou správně citovány. Nicméně v práci bylo často obtížné odlišit přechod mezi rešeršní částí a popisem vlastní konkrétní práce a výsledků. Místy by popis metod a materiálů mohl být konkrétnější, např. KPFM parametry nebo výroba grafénu v konkrétních případech. Diskuze výsledků by mohla být důkladnější, v některých částech schází.
Není tak úplně pravda, že grafén izolovali poprvé Geim a Novoselov v roce 2004. To bylo známo i předtím včetně metody odlupování, jejich přínos spočíval hlavně v následné elektrické charakterizaci tohoto materiálu.
Popis KPFM není úplně přesný.
- úvod: KPFM signál je vždy odrazem jak rozdílu výstupní práce, tak lokalizovaných elektrostatických nábojů ve vzorku, to platí u vodivých, polovodivých i nevodivých vzorků
- další popis: je zavádějící uvádět KPFM jako měřeni povrchového potenciálu, KPFM detekuje náboje a změny na všech rozhraních, která jsou v daném obvodu, tzn. i rozhraní pod povrchem vzorku (viz. např. review Kronik&Shapira či konkrétní práce na uhlíkových materiálech mojí skupiny v Diam. Relat. Mater. a Langmuir). - oboje je důležité pro interpretaci měření na grafénu, prosím o komentář
Na str. 11 je poněkud nepřesné vyjádření, že "ze změn rezonanční frekvence raménka můžeme zjistit informaci o elektrických silách", to jistě můžeme, ale takto jednak funguje spíše FM-KPFM a hlavně jde o vynulování amplitudy či změny frekvence pomocí d.c. napětí. V dalších částech práce je to již popsáno lépe.
Str. 23: molekuly hrají roli akceptorů, nikoliv donorů v případě p-typového grafénu.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Zásadní pro správné měření KPFM je zejména nastaveni vzdálenosti od povrchu v 2. Průchodu, a.c. napětí a naladění fázového posunu KPFM lock-inu, tyto informace a hodnoty v práci postrádám, prosím upřesněte. Prosím také současně o komentář k výše uvedenému popisu/zapojení KPFM.
  2. pro srovnatelná KPFM měření je třeba naladit vzdálenost od povrchu v 2. průchodu, byl zkoumán vliv této vzdálenosti na změřený kontrast KPFM grafénu vůči substrátu či na membránách?
  3. Obr. 9: proč 2 a 3 vrstvy grafénu mají postupně menší výšku než 1 vrstva?
  4. Byly pozorovány nějaké rozdíly mezi CVD a exfoliovaným grafénem?
  5. Přeskupování náboje až do vzdálenosti 750 nm se mi zdá málo pravděpodobné u vodivého materiálu jako grafén. Není to dáno spíše geometrií vzorku a přenosovou funkcí KPFM kvůli rozptylové kapacitě kolem AFM hrotu? Prosím o komentář.
  6. Uveďte prosím, které práce prováděl sám diplomant. Pravděpodobně AFM/KFM měření a modifikace. Jaké další práce jako depozice a přenos grafénu, vytváření FIB struktur, atd.?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová