Master's Thesis

Modeling of Surface-Plasmon Propagation in Graphene

Final Thesis 5.51 MB

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

Acad. year: 2012/2013

Supervisor: doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D.

Reviewer: doc. Mgr. Dominik Munzar, Dr.

Abstract:

The diploma thesis provides an introduction to electronic and optical properties of graphene, emphasizing thier tunability through the ambipolar field effect. Furthermore, an experiment, which would demonstrate the possible utilization of graphene in active plasmonics, is presented. The author focuses on light scattering simulations involving hybrid plasmonic structures made of noble metals and graphene. The scattering properties of those structures and their dependence on the density of free charge carriers in graphene are investigated. The author concludes that the proposed tuning of the response of a single metallic antenna through the electrostatic doping of graphene proves to be inefficient, and a more elaborate configuration will be required to enhance the effect and achieve the desired control.

Keywords:

graphene, active plasmonics, tunable scattering properties

Date of defence

17.06.2013

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

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)

Supervisor’s report
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D.

Autor se ve své práci věnoval studiu elektrických a optických vlastností grafenu. Na tuto formu uhlíku byla v posledních letech zaměřena velká pozornost týmů základního i aplikovaného výzkumu. Text diplomové práce je rozdělen na dvě části: První část zahrnující kapitoly 1 – 3 obsahuje teoretický popis optických vlastností grafenu, způsoby jeho výroby a možné aplikace. Ve druhé části, v kapitolách 4 – 6, je popsán návrh experimentu, při němž je využito popsaných vlastností grafenu. Dále jsou zde uvedeny výsledky simulací tohoto experimentu, které autor provedl analyticky a pomocí numerických výpočtů. Navržený experiment bude realizován v laboratořích Ústavu fyzikálního inženýrství FSI a Středoevropského technologického institutu (STI) VUT v Brně. Martin Hrtoň ve své práci jednoznačně prokázal široké znalosti spadající do oblasti fyziky pevných látek, kvantové mechaniky a elektrodynamiky. Ve svých teoretických popisech uvedených ve své diplomové práci hojně využívá aparátu pokročilé matematiky. Práce autora bude zajisté využita pro další zkoumání možných aplikací grafenu. Lze konstatovat, že diplomant splnil požadavky a cíle zadání. Z těchto důvodů doporučuji diplomovou práci k obhajobě a hodnotím ji výsledným klasifikačním stupněm výborně/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 A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Mgr. Dominik Munzar, Dr.

Diplomovou práci pana Bc. Hrtoně považuji za mimořádně zdařilou. Nevídaná a úctyhodná
je šíře práce, která zahrnuje elementární teorii elektronové struktury grafenu, vyjádření
optické vodivosti pomocí teorie lineární odezvy, dva postupy pro stanovení účinnosti rozptylu
záření na zlatých anténkách podložených grafenovou vrstvou a mnoho zajímavých výsledků
elektrodynamických výpočtů. Pro studované struktury nemá, jak se ukazuje, dopování
grafenu významný vliv. Tento negativní výsledek ale nebylo možné dopředu odhadnout,
považuji jej za cenný a cíle práce za splněné. Práce je napsána dobrou angličtinou, čtivě,
teorie komentována adekvátně, obrázky s výsledky jsou přehledné a výstižně okomentované.
V textu jsem našel jenom relativně malý počet překlepů a chyb, některé z nich uvádím níže
v odstavci s připomínkami. Diskuse výsledků mohla být hlubší, několik podnětů je
v odstavci s připomínkami a dotazy. Toto ale nemění můj celkový výborný dojem z práce.
Navrhuji hodnocení 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 dosaž. 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
Topics for thesis defence:
  1. Formulace ``The tight binding approximation is based on the assumption that the electron wavefunctions … differ only slightly from those of single atoms ...“ pod rovnicí (1.3) není přesná. Nekonsistentní jsou v tomto odstavci také zmínky o stavech téměř volných elektronů. – Rovnice (1.17) a (1.18) jsou chybné. – Na str. 10 jsou zmíněny výsledky výpočtů z prvních principů, chybí odkaz. – Definice hustoty stavů nad (1.40) není přesná. – Komentář k (1.54), Bkl nejsou (obecně) možné výsledky měření.
  2. Jsou představeny dva postupy výpočtu účinnosti rozptylu. První kombinuje transformační optiku a metodu dyadických GF, druhý obsahuje numerické řešení Maxwellových rovnic metodou BEM. Pokusil se autor interpretovat rozdíly mezi jejich výsledky? Lze odhadnout, jak se na nich podílí zanedbání retardace v prvním případě? – Jak je modelována optická odezva vzácných kovů? Autor zmiňuje příčiny rozdílu mezi zlatem a stříbrem, ale – pokud jsem to nepřehlédl – neuvádí formule pro popis odezvy. – Myslím, že by bylo dobré dále uvažovat o příčinách nulové nebo velmi slabé závislosti účinnosti rozptylu na EF v grafenu. Třeba s ohledem na následující otázky. Jak se výsledky liší od výsledků bez grafenu a výsledků pro monoatomární vrstvu běžného kovu? Jak efekty závisí na frekvenční závislosti vodivosti vrstvy? Je možné kvalitativní pochopení? Také by mohla být prospěšná diskuse závislosti na
  3. rozměrech antének. – U obrázku 6.9 je zmiňována rezonance mezi anténou a grafenem. Není diskutováno, proč nastává pravě pro EF=0.3 eV. – Doporučuji, aby diplomant v rámci obhajoby okomentoval svůj podíl na vývoji/aplikaci postupů v práci použitých.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová