Master's Thesis

Graphene photodetector based on plasmonic effects

Final Thesis 9.86 MB

Author of thesis: Ing. Matěj Horáček

Acad. year: 2014/2015

Supervisor: prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Reviewer: RNDr. Zdenka Hájková, Ph.D.

Abstract:

Two rich and vibrant fields of investigation - graphene and plasmonics - strongly overlap in this work, giving rise to a novel hybrid photodetection device. The intrinsic photoresponse of graphene is significantly enhanced by placing the gold nanorods exhibiting unique anisotropic localized surface plasmon resonances on the graphene surface. The reported enhanced photoresponse of graphene is caused by the redistribution of localized surface plasmons in the nanoparticles into graphene. The exact underlying energy redistribution mechanism is thoroughly studied by a single particle scattering spectroscopy monitoring the particle plasmon linewidth as a function of the number of underlaying graphene layers. The obtained extraordinary plasmon broadening for nanoparticles placed on graphene suggests the contribution of a novel energy redistribution channel attributed to the injection of hot electrons from gold nanorods into graphene.

Keywords:

graphene, plasmonics, photodetection, LSPR, plasmon damping, gold nanorod, hot electrons, single particle scattering spectroscopy

Date of defence

22.06.2015

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. Tomáš Šikola, CSc.

Student pracoval velmi samostatně. Většinu své experimentální práce prováděl na zahraničním pracovišti v  rámci studijního pobytu ERASMUS (Technická unverzita v Eindhovenu). Tento pobyt si také sám iniciativně prodloužil.
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
RNDr. Zdenka Hájková, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Matěje Horáčka, nazvaná Grafenový fotodetektor využívající plazmonických efektů, byla zpracovávána na pod vedením prof. Tomáše Šikoly. Diplomant navíc úzce spolupracoval s Technickou Univerzitou Eindhoven, kde jeho vedoucími byli dr. Cees Flipse a dr. Peter Zijlstra. Předložená práce propojuje dvě v současnosti velmi atraktivní oblasti výzkumu – grafen a plazmoniku. Cílem práce bylo mj. připravit a charakterizovat nový hybridní fotodetektor založený na interakci grafenu a zlatých nanotyčinek. V navrhovaném uspořádání grafen funguje jako fotoaktivní vrstva, jejíž odezvu zvyšují zlaté nanotyčinky, co by plazmonické nanostruktury lokalizované na povrchu grafenu.

Diplomová práce je rozčleněna na motivační úvod, šest dílčích kapitol práce, přehled použité literatury, seznam zkratek a přílohy. První dvě kapitoly jsou zaměřeny na rešerši elektronických a optických vlastností grafenu (kap. 1) a optických vlastností lokalizovaných povrchových plazmonů, zvláště pak zlatých nanočástic (kap. 2). V třetí kapitole je popsaná příprava vzorků spojená s přípravou grafenu (epitaxním růstem na karbidu křemíku či mechanickou exfoliací vysoce orientovaného pyrolytického grafitu) a následnou depozicí zlatých nanotyčinek na grafen (imobilizací na skle a následným mokrým transferem pomocí PMMA). Čtvrtá kapitola se týká charakterizace fotodetekčních experimentů a diskuze výsledků naměřených I-V křivek. V páté kapitole jsou popsány a diskutovány výsledky studia interakcí mezi zlatými nanotyčinkami a grafenem, zkoumaných metodami FDTD simulace a rozptylové spektroskopie jednotlivých částic. Šestá kapitola představuje závěr s naznačením dalšího směřování výzkumu.Po formální stránce považuji práci za velmi dobrou. Práce se dobře čte, je uspořádána přehledně a vhodně členěna na celky, které na sebe logicky navazují. Text je navíc doplněn řadou pěkných schémat, obrázků, grafů a tabulek. U některých grafů však není vhodně zvolena velikost popisků os, např. u obr. 3.4 (str. 33) jsou popisky os prakticky nečitelné. Podobně u snímku ze SEMu  (obr. 3.9.a, str. 42) bych doporučila zvětšit obrázek tak, aby byly čitelné informace týkající se měření. Úroveň angličtiny je vynikající a množství chyb či překlepů je téměř zanedbatelné.
I z obsahového hlediska je práce na velmi dobré úrovni – opírá se o kvalitní rešeršní základ a vhodně kombinuje simulace a experimentální výsledky. Z prezentovaných dat je zřejmé, že autor postupoval systematicky, experimenty vyhodnocoval s ohledem na cíle práce. Získané výsledky jsou průběžně v práci diskutovány, uvedeny jsou též odkazy na relevantní literaturu. Autorovi se podařilo splnit zadání práce, ačkoli sám v závěru konstatuje, že upřesnění vysvětlení interakce grafenu s plazmonickými nanostrukturami a zlepšení vlastností připraveného grafenového fotodetektoru vyžadují provedení dalších experimentů. Dále připojuji několik poznámek k textu práce:
•    V případě Ramanových spekter bych doporučila místo pojmu „peak“, používat označení „band“ (např. str. 28). Uvítala bych také označení jednotlivých pásů (D, G, 2D) přímo v obrázku spektra a jejich stručný popis v textu. V případě grafenu připraveného epitaxním růstem na SiC chybí určení počtu grafenových vrstev (dle Ramanova spektra se zřejmě nejednalo o monovrstvu).
•    Překvapilo mě, že měření I-V křivek bylo prováděno v dusíkové atmosféře (str. 47). Vzhledem k tomu, že obvykle tato měření probíhají na vzduchu, ocenila bych stručné odůvodnění zvolených podmínek.
•    Na str. 45 je popsán způsob, jakým byly kontaktovány elektrody v grafenovém fotodetektoru. Přivítala bych, kdyby i v obr. 4.1 (str. 46) byl naznačen způsob kontaktování elektrod.
•    U obr. 5.9 (str. 69) a u obr. 5.10 (str. 71) postrádám uvedení škály na ose y. Co znamená „normalizace“ u těchto grafů a jak byla provedena?
Závěrem konstatuji, že předložená práce obsahuje řadu původních výsledků – autor provedl originální experimenty a dokázal z nich vyvodit nové závěry. Celkově práci považuji za velmi zdařilou. Ráda ji proto doporučuji k obhajobě a hodnotím A – výborně.
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 B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1. Jakým způsobem je možné z Ramanových spekter posuzovat kvalitu grafenu? Lze na jejich základě určit počet vrstev grafenu, případně jak?
  2. 2. V práci autor prováděl experimenty s grafenem připraveným epitaxním růstem na karbidu křemíku (SiC), resp. mechanickou exfoliací vysoce orientovaného pyrolytického grafitu (HOPG). Obě tyto metody mají jistá úskalí (např. vliv substrátu SiC, malé vločky exfoliovaného grafenu s různým počtem vrstev). Nebylo by vhodné v příštích experimentech použít grafen připravený pomocí jiné metody? Co autor soudí o možnosti použít grafen připravený chemickou depozicí z plynné fáze (CVD grafen), u nějž je možné připravit monovrstvu libovolné velikosti, kterou lze navíc snadno přenést na požadovaný substrát?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová