Master's Thesis

Interaction of metallic nanoparticles and fast electrons

Final Thesis 7.49 MB

Author of thesis: doc. Ing. Andrea Konečná, Ph.D.

Acad. year: 2014/2015

Supervisor: prof. RNDr. Petr Dub, CSc.

Reviewer: prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D.

Abstract:

Scanning transmission electron microscopy is one of the essential techniques suitable not only for imaging of nanostructures, but also for various kinds of spectroscopy and, as it was recently demonstrated, nanomanipulation. In this thesis, we deal with an interaction of fast electrons and metallic spherical nanoparticles, specifically aluminium and gold nanospheres. First, we present both analytical and numerical calculations of electron energy loss spectra and their analysis for different parameters. The main part of the thesis is devoted to theoretical calculations of forces acting on the nanosphere due to the electron passing in its close proximity. Based on our novel results revealing a time evolution of the mechanical force, we also propose a possible mechanism responsible for the nanoparticle movement in electron microscopes.

Keywords:

Electron energy loss spectroscopy, metallic nanoparticles, plasmonics.

Date of defence

23.06.2015

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
prof. RNDr. Petr Dub, CSc.

Diplomantka si zvolila náročné téma, které výborně zvládla. Pracovala velmi samostatně a práce, kterou sepsala, obsahuje zajímavé původní výsledky, které by měly být vbrzku publikovány. Oceňuji, že text je dobře srozumitelný, což svědčí o tom, že diplomantka má problematiku v celé její šíři velmi dobře promyšlenou. Dokládá to také více než stovka citací prací, se kterými se vskutku seznámila. Práce je pro obsahové i formální stránce vynikající. Oceňuji zajímavé rozhovory o fyzikální interpretaci výsledků a osvěžující diskusi při závěrečné redakci textu.
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
prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D.

Slečna Andrea Konečná se ve své diplomové práci zabývala vysoce aktuálním tématem o silovém působení elektronů na kovovou nanočástici, okolo které vysokou rychlostí prolétávají. Je to práce teoretická, která je však úzce navázána na velmi praktické problémy spojené s pohybem částic pozorovaných elektronovým mikroskopem, i na experimenty s mikromanipulací nanočásticemi pomocí elektronového svazku.

Práce je rozdělena do šesti hlavních kapitol, kterým předchází úvod do problematiky. První kapitola shrnuje popis elektromagnetického pole pomocí Maxwellových rovnic a zavádí dále používané pojmy včetně Maxwellova tenzoru. Druhá kapitola shrnuje klasické dielektrické modely kovu a diskutuje příslušné parametry pro zlato a hliník. Třetí kapitola se zabývá spektroskopií energiových ztrát elektronů a čtvrtá kapitola zkoumá pole vytvořené rychlým elektronem v kulové částici na základě multipólového rozvoje pomocí kulových funkcí, což je velice vhodný přístup vzhledem ke sférické symetrii částice. Pomocí vypočteného pole je pak získáno spektrum energiových ztrát. V páté, klíčové kapitole práce se diplomantka zabývá přenosem hybnosti elektronu na nanočástici, který vyvolává sílu na částici působící a může způsobit její pohyb. Je odvozen a diskutován časový průběh této síly na škálách femtosekund i atosekund i její znaménko – jak se ukazuje, síla může být jak přitažlivá, tak odpudivá. Práce je psána anglicky na velice dobré úrovni, prakticky jsem v ní nenašel chyby ani překlepy. Výklad je srozumitelný, autorka se vždy snaží uvádět širší souvislosti jevů, o kterých píše. Ce se týče zpracování a grafické úpravy práce, tak je rovněž vynikající. Je zde velké množství pěkných barevných obrázků, v nichž bylo pamatováno i na detaily (např. kvalitní popisy souřadnicových os v TeXu, popisy, čitelnost grafů atd.). Rovněž typografie je velice dobrá a netrpí žádnými z běžně se vyskytujících neduhů (jako např. psaní Eulerova čísla či imaginární jednotky kurzívou). Autorka si dala záležet i na konečném provedení práce, která je tištěna na křídovém papíře.

Pozoruhodné mi připadá, v jaké šířce i hloubce musela studentka porozumět zkoumané problematice. Dokládá to mimo jiné používání pokročilých relací mezi speciálními funkcemi matematické fyziky nebo seznam literatury, který čítá přes sto položek. Práce může sloužit jako vynikající studijní materiál pro další studenty, kteří se budou podobnou problematikou zabývat.

Práce obsahuje řadu původních výsledků obsažených především v páté kapitole. Studentka prokázala, že je schopna samostatně řešit obtížné problémy z teoretické fyziky.

K práci mám jen několik následujících drobných připomínek, které však nijak negativně neovlivňují mé velmi kladné hodnocení práce. Na str. 33 autorka uvádí, že přechod od sférickým Besselových k Hankelovým funkcím odpovídá přechodu od konvergentních k divergentním vlnám. Podle mého názoru by ale bylo přesnější říci, že to odpovídá přechodu od stojatých k divergentním vlnám.

Na str. 36 pod rovnicí (4.11) by bylo vhodnější mluvit o vlnovém čísle než o vlnovém vektoru.

Je poněkud škoda, že chybí odvození rovnic pro elektromagnetické pole uvedených v sekci 4.3, když v jiných částech práce jsou odvození uvedena podrobně. Bylo by vhodné alespoň napsat, odkud se rovnice vzaly (čtenář si musí domyslet, že pravděpodobně navázáním řešení vně na řešení uvnitř koule).

Rovněž mám připomínku k terminologii – na str. 38 se mluví o multipólu odpovídajícím l=3 jako o hexapólu, podle mého názoru se však jedná o oktupól (který vznikne přibližováním a současným zesilováním dvou opačných kvadrupólů). Pro obecné l tak máme 2^l-pól, nikoli 2l-pól (což je zřejmé mimo jiné i z případu monopolu pro l=0).

V práci mi poněkud chyběla podrobnější zmínka o navázání na experiment. Rovněž by se hodilo u citace [98]  napsat, pro jaký časopis je psána. Jsou další autoři rovněž teoretici nebo bude publikace i experimentální? Pokud jde o teoretiky, byly uvedené výpočty společným dílem více lidí nebo jen autorky? Pokud bude publikace i experimentální, kde byly experimenty prováděny? Toto by studentka měla vysvětlit u obhajoby.

Vzhledem k vynikající a výrazně nadprůměrné kvalitě diplomové práce ji doporučuji k obhajobě a navrhuji klasifikovat ji 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 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. 1) Intuitivně by se mohlo zdát, že vystředovaná x-ová složka síly působící na částici bude vždy kladná, tj. že se částice bude k elektronu vždy přitahovat podobně jako v elektrostatickém případě. Autorka však ukazuje, že tomu tak nemusí být a částice může být od elektronu i odpuzována. Mohla by diplomantka podat nějaké názorné vysvětlení tohoto chování, popř. nalézt jeho analogii s některým známým jevem?
  2. 2) Se ztrátou energie elektronů prolétávajících kolem nanočástice je nepochybně spojeno vyzáření světla. Dokázala byste charakter tohoto světla alespoň kvalitativně popsat?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová