Master's Thesis

Study of Optical Properties of Metallic Structures and Their Applications in Nano-Optics

Final Thesis 6.51 MB Appendix 10.18 kB

Author of thesis: Ing. Tomáš Neuman, Ph.D.

Acad. year: 2013/2014

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

Reviewer: doc. Mgr. Dominik Munzar, Dr.

Abstract:

Interaction of metallic structures with electromagnetic radiation is a living topic of
near-field optics including plasmonics and nanophotonics. The field-matter interaction
treated on the subwavelength scale opens the path to a wide range of applications,
among others to different variants of the surface enhanced spectroscopy.
In this thesis we theoretically describe how the near-field properties of the metallic
structures can be accessed by a probe of near-field scanning optical microscope. Formation
of the signal in the near-field microscopy utilizing weakly interacting probes
is discussed. Further, we elucidate the mechanism of the surface enhanced infrared
spectroscopy. We utilize a model example of linear dipole antennas interacting with
sample structures. A close connection is found between the spectroscopic signal and
signal of the scattering type near-field optical microscopy.

Keywords:

Infrared antenna, SNOM, plasmonics, infrared spectroscopy

Date of defence

24.06.2014

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 především matematickému popisu rozptylu elektromagnetického pole na kovovém hrotu v blízkosti kovového drátu s nanometrovými rozměry (nanoantény). Text diplomové práce je rozdělen do 5 kapitol, první kapitola je úvodní. V kapitole druhé a třetí se buduje teoretický popis vícenásobného rozptylu světla dopadajícího na hrot mikroskopu blízkého pole (SNOM), který se nachází velmi blízko nanoantény. Kapitola čtvrtá pojednává o fotoluminiscenci excitované pomocí hrotu SNOM. Pátá kapitola je zaměřena na studium vlivu tenké vrstvy SiO2 pokrývající nanoanténu na rozptýlené elektromagnetické pole. Tomáš Neuman práci vypracoval zcela samostatně ve spolupráci s vědeckou skupinou teoretické nanofotoniky prof. Aizpuruy v San Sebastián (Španělsko). Výsledků tohoto popisu bude využito při interpretaci obrázků získaných pomocí SNOM v experimentu. 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.

Diplomová práce pana Neumana se zabývá několika oblastmi, jejichž společným prvkem je  interakce elektromagnetického pole s kovovými mikro-nano objekty na površích:  v kapitole 3 problematikou interakce s-SNOM s kovovými strukturami,  v kapitole 4 fotoluminiscencí v mikroskopii blízkého pole,
v kapitole 5 povrchově zesílenou vibrační spektroskopií.  Práce obsahuje pěkné  úvody ke všem  těmto oblastem a v kapitolách 3 a 5 vlastní výsledky. V kapitole 3 jde o vypočtené profily elektrického pole v blízkosti lineární antény a příslušného signálu registrovaného s-SNOM, dále pak totéž pro pár antén oddělených mezerou. V kapitole 5 jde o vypočtená spektra antény pokryté vrstvou SiO2
a antény osazené dvěma prstenci SiO2. V obou případech jsou kombinovány numerické výpočty
s pomocí software FDTD s analytickými výpočty. V kontextu kapitoly 3 jsou analytické výpočty potřebné pro stanovení a objasnění profilu signálu s-SNOM, výsledky jsou více méně v souladu
s přiloženými experimentálními daty, v kontextu kapitoly 5 poskytují tyto výpočty vhled do výsledků získaných numericky.  Velmi kladně hodnotím propojení numerických a analytických postupů, považuji za příkladné.  Oceňuji získanou interpretaci kvalitativního rozdílu mezi ES a EP v kapitole 3.2.1, nápad v kapitole 3.2.3 a částečnou interpretaci interakce mezi vibračními módy SiO2 a rezonancí antény předloženou v kapitole 5, vycházející z rovnic představených  v kapitole 5.2. Celková odborná úroveň  je (v kategorii diplomových prací)  vynikající a jednoznačně doporučují celkové hodnocení stupněm A.
K práci mám několik drobných připomínek: 

Kapitola 4 má charakter rešerše,  její obsah by se lépe vyjímal na začátku práce.

Kapitola 5.1 pojednává o Fanově resonanci, podobný úkaz nastává ve výsledcích v kapitole 5.3, bylo by bývalo vhodné lépe logicky propojit.

Jako nespecialista bych ocenil podrobnější komentář k výpočtům v rámci FDTD (použité dielektrické funkce antény a substrátu, parametry numerického postupu, komentář k přesnosti).

Výpočty, jejichž výsledky jsou představeny v odst. 5.3.1, jsou pečlivě dokumentované, postrádám ale  dokumentaci k analytickým výpočtům vedoucím k výsledkům v odst. 5.3.2. V komentáři k obr. 5.10 pouze stojí, že síla vazby byla úměrná zesílení blízkého pole v místě prstenců.

Práce obsahuje malý počet překlepů, nevhodných formulací apod. Příklady:
str. 4, 2. odst.- ``Ryleigh diffraction limit“; 
2.3, první věta - ``The theorem is ... symmetries“;
str. 47, poslední věta - ``focus to“ (správně ``focus on“);
věta nad (5.32) - ``As the generalized“ - nejasné;
Popis obr. 5.5 – je zmiňován inset části (a), asi míněna část (a);
Obr. 5.10 - překlep v legendě.
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. Pan Neuman by měl okomentovat svůj podíl na hlavních výsledcích práce. K předposlednímu odstavci na straně 75. Jaké vlastnosti by měl mít alternativní materiál? K formuli 5.40. Pokusil jste se - alespoň pro některou situaci - hodnoty parametrů fL0, fTO a fSPP analyticky odhadnout? Je to schůdné?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová