Master's Thesis

Optical setup for torque detected electron spin resonance spectroscopy

Final Thesis 4.18 MB Appendix 1.78 MB

Author of thesis: Ing. Michal Kern

Acad. year: 2014/2015

Supervisor: doc. Dr. Ing. Petr Neugebauer, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Aliaksei Vetushka, Ph.D.

Abstract:

This thesis has been devoted to the improvement of a Torque Detected Electron Spin
Resonance (TDESR) spectrometer by replacing the current capacitive detection of cantilever
bending with optical methods. The thesis covers the basics of Electron Spin Resonance
(ESR) spectrometry with the focus on TDESR and the field of single molecule
magnetism. Laser beam deflection and interferometric detection methods are explained.
The design of the TDESR spectrometer and its performance is shown on successfully
obtained high quality TDESR spectra of an Fe4 single molecule magnet single crystal.
Obtained results prove the feasibility of implemented detection method and its superiority
with respect to the previously used capacitive method in terms of quality, resolution
and speed. To further improve the TDESR setup, we have designed and assembled a
system which uses an interferometer for detection of cantilever bending.

Keywords:

torque detected electron spin resonance, spectroscopy, single molecule magnet, laser
beam deflection, interferometer

Date of defence

22.06.2015

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

English

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)

Michal Kern se zhostil diplomove prace zabyvajici se implementaci opticke detekce pro torzni elektronovou magnetickou resonanci na Ustavu fyzikalni chemie univerzity ve Stuttgartu velice zodopvedne. Splnil vsechny pozadavky zadani. Navrhl, zkonsturoval, implementoval a uspesne odzkousel optickou deflekcni metodu, ktera svymi parametry (rychlosti a presnosti mereni) prekonava doposud pouzivanou kapacitni detekci vychylky kantileveru. Nad ramec zadani se zabyval i optickou detekci kantileveru pomoci laseroveho interferometru. Behem diplomove prace na univerzite ve Stuttgartu pracoval samostatne, cilevedome vyuzival veskere zazemi a znalosti starsich kolegu pro dosazeni co nejlepsich vysledku.

Jako vedouci jeho diplomove prace jsem s jeho praci velmi spokojen a navrhuji jeho praci k obhajobe
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 B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Aliaksei Vetushka, Ph.D.

Předložená magisterská práce Bc. Michala Kerna nazvaná „Optický Systém pro Torzně Detekovanou Elektronovou Spinovou Rezonanční Spektroskopii“, vypracována na Ústavu fyzikálního inženýrství (Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství) pod vedením Ing. Petra Neugebauera se zabývá návrhem a implementací optického systému pro měření výchylky ohebného raménka pro detekci elektronové spinové rezonance.
Práce je rozdělena na čtyři části: (1) motivační úvod s popisem jevu elektronové spinové rezonance (ESR) a spektroskopických technik pro studium elektronové struktury vzorků (single molecule magnets), (2) popis experimentálních sestav pro detekci ohybu raménka pomoci měření odchylky odraženého laserového svazku nebo pomocí interferometru a simulaci ohybu raménka metodou konečných prvků, (3) podrobný popis použitého Torque Detected Electron Spin Resonance (TDESR) spektrometru a počítačového programu pro sběr dat, (4) výsledky TDESR měření na „single crystal“ vzorcích pomocí nově implementované optické detekce ohybu raménka (do spektroskopu) a porovnaní výsledků získaných stávající kapacitní detekcí.
Teoretická část práce je poměrně rozsáhlá a srozumitelně seznamuje se základy torzně detekované elektronové spinové rezonance (TDESR), s několika variantami této techniky, které se používají v současné době a problematikou měření. Obsah této časti s dostatečným množstvím citací, vyvolává dojem, že autor má v této oblasti dobrý přehled.
Vlastní výsledky jsou popsány poměrně dobře, nicméně, je těžko posoudit, co přesně je příspěvkem ze strany autora (není to v textu práce zdůrazněno). Je vidět, že autor se snažil řešit vzniklé technické problémy (rozšířeni optické experimentální sestavy, měření a analýza stability laserů), měl dobré nápady pro vylepšení nové metody (nové optické prvky pro směřování odraženého laserového svazku na kvadrantový detektor, použiti lock-in metody atd.), ale bohužel většina z těchto nápadů nebyla dotažena do konce. Rozumím, že náročnost a časová kapacita pro tyto experimenty je nad rámec diplomové práce, navíc to vše vyžaduje složité a drahé vybavení, ale mohlo by to výrazně zlepšit vyvíjenou metodu.
Závěrečná část (Summary) představuje souhrn odvedené práce i nevyřešených otázek s naznačením dalších směrů výzkumu. Rozsah a záběr odvedené práce celkově splňuje zadání, jen je škoda, že mnoho důležitých otázek zůstalo bez odpovědi kvůli technickým komplikacím.
Po formální stránce je práce uspořádána přehledně. Úroveň angličtiny je velmi dobrá a množství chyb či překlepů je téměř zanedbatelné.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
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. Je možné a jak by to bylo náročné, vyrobit sadu ramének s různou tuhosti pro zvětšení citlivosti a rozsahu měřených torzních sil?
  2. 1. Jaké minimální množství studované látky [Fe4(L)2(dpm)6] je možné detekovat pomoci TDESR spektrometru s použitím optické nebo kapacitní detekce odchylky raménka?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová