Master's Thesis

Measurement of resonant properties of plasmonic nanostructures in transmission and reflection mode of far-field spectroscopy

Final Thesis 9.8 MB

Author of thesis: Mgr. Robert Klement

Acad. year: 2013/2014

Supervisor: prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Reviewer: Mgr. Oto Brzobohatý, Ph.D.

Abstract:

Far-field optical spectroscopy allows for measurement of plasmonic resonances on metallic nanostructures of various shapes and sizes when illuminated by continuous light. Employing dark-field microscopy makes it possible to measure scattering on a localised plasmon excited on a single, isolated nanostructure. For the purpose of these measurements an apparatus based on commercial dual microscope system Nanonics has been put together. Experiments carried out during work on this thesis have shown a great sensitivity of the apparatus in its present form, allowing to measure a plasmonic resonance of a single nanoparticle. Proposed improvements of the apparatus should lead to even greater sensitivity and precision of measurements in the near future.

Keywords:

Nanophotonics, plasmonics, localised plasmons, dark-field microscopy, far-field spectroscopy

Date of defence

24.06.2014

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)

Supervisor’s report
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Student zvládal s jistotou problematiku diplomové práce. V důsledku distančního charakteru jeho studia jsem však postrádal větší samostatnost i nasazení při řešení zadání.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosažené 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
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Mgr. Oto Brzobohatý, Ph.D.

Diplomová práce pana Roberta Klementa se zabývá studiem rezonančních vlastností plazmonických  nanostruktur pomocí spektroskopie v temném poli. Práce je členěna v celku logicky do pěti kapitol. Po krátkém úvodu do problematiky následuje kapitola, dávající stručný přehled teorie popisující interakce elekromagnetické vlny s kovy, především pak povrchové a lokalizované plazmony. Kapitola je zakončena stručným popisem experimentálních metod používaných pro měření lokalizovaných plazmonů na nanostrukturách.  Ve třetí kapitole je přehledně popsán proces výroby zlatých nanoantén  na křemíkovém substrátu pomocí elektronové litografie a selektivní depozice z koloidního roztoku. Čtvrtá kapitola popisuje experimentální sestavu a samotná měření extinčních spekter na zlatých nanostrukturách. Jednalo se o komerční mikroskop v temném poli, kde rozptýlené pole na nanostrukturách bylo měřeno v konfokálním režimu, který umožňoval sbírat spektra i s jednotlivých nanoantén. Měření byla prováděna na vzorcích připravených v laboratořích Ústavu fyzikálního inženýrství FSI VUT, ty byly detailně popsány, a poté byla prezentována naměřená spektra. Přestože diplomant provedl celou řadu měření nepovedlo se mu srozumitelně prezentovat a interpretovat naměřená data. Například obrázky 4.11 až 4.14 dle autora prezentují naměřená spektra ze čtyř polí ze vzorku, kde polem se rozumí oblast na vzorku, kde mají nanostruktury stejný tvar, rozměr a rozestup,  přesto v těchto grafech jsou zjevně prezentována měření z vice polí (různé rozměry nanostruktur). Rovněž není zřejmé, čím se v těchto obrázcích liší grafy vlevo a vpravo. Přestože vzorek P7 (obrázek 4.11 a 4.12) a vzorek (obrázek 4.13 a 4.14) P21 by měli obsahovat nanostruktury stejných nebo přinejmenším  velmi podobných rozměru a tvarů, prezentovaná měření se velmi liší. Chybí mi zde porovnání spekter naměřených ze stejného pole, ale především mi při vyhodnocování naměřených spekter chybí kvantitavní porovnání poloh píku. Při interpretaci naměřených spekter diplomant využívá blíže nespecifikovaný teoretický model, založený na metodě BEM (Boundary Element Method).  Ten značnou měrou přispěl k vysvětlení přítomnosti velmi intenzivního píku ve spektrech, a tudíž by si jistě zasloužil alespoň stručného popisu. V závěru kapitoly jsou prezentována spektra naměřena na jednotlivých nanostrukurách a dále je zde ukázána citlivost konfokální spektroskopie na nastavení  optického systému a diskutovány možné cesty k citlivějším měřením v budoucnu. Kapitola 5  shrnuje dosažené výsledky.

Typografická úprava diplomové práce je na vysoké úrovni, nicméně použité obrázky z elektronového mikroskopu by měli byt pro lepši čitelnost více kontrastní. Diplomant se bohužel nevyhnul řadě překlepů a jisté nejednotnosti ve značení fyzikálních veličin v kapitole 2. Například písmenem n je označen, jak index lomu, tak hustota elektronů v kovu. Při použíti abecedně uspořádaného seznamu literatury by bylo vhodnější se na literaturu neodkazovat čísly, ale např. jménem autora.

Diplomant splnil zadání diplomové práce v plném rozsahu a celkově hodnotím práci stupněm B a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. • Proč se liší spektra naměřená na jedné nanostruktuře a na více nanostrukturách současně (obrázek 4.22)? Závisí tato změna na vzdálenosti nanostruktur? • Proč nebyla prezentována spektra naměřena pro vzorek B1 pro rozestupy 0.1-0.5 mikrometrů? • Skutečně je odrazivost vzorku více jak 100% (jak prezentujete ve Vašich grafech)? • Čím si vysvětlujete odlišnost spekter změřených na vzorcích P7 (obrázek 4.11 a 4.12) a (obrázek 4.13 a 4.14) P21? Liší se u vzorku P7 a P21 výška hradeb na hranách nanostruktur?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová