Bachelor's Thesis

Epitaxial growth and characterization of metamagnetic nanoparticles for biomedical applications

Final Thesis 7.83 MB

Author of thesis: Ing. Lucie Motyčková

Acad. year: 2017/2018

Supervisor: M.Sc. Jon Ander Arregi Uribeetxebarria, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Roman Gröger, Ph.D.

Abstract:

Magnetic nanoparticles represent a promising platform for a vast number of biomedical applications in continuously developing domains of diagnostics and therapeutics. Novel magnetic nanoscale technologies based on metamagnetic materials may provide significant benefits, for instance, in terms of easily controllable actions on biological species in the human body. This thesis investigates the growth mechanisms and magnetic properties of supported nanoparticles made of the iron-rhodium (FeRh) alloy on the MgO substrate. The FeRh compound was chosen for its specific transition from the antiferromagnetic to ferromagnetic phase occurring slightly above room temperature, thus allowing the control of magnetic properties of nanoparticles in the temperature range close to the human body. The presented nanostructures have been fabricated via magnetron sputtering using the bottom up preparation approach. The morphology and magnetic behavior of such deposited nanostructures have been investigated via atomic and magnetic force microscopy, which provide spatially resolved antiferromagnetic and ferromagnetic domain structure in the individual nanoislands.

Keywords:

biomedicine, metamagnetic nanoparticles, FeRh, nanoislands, growth modes, magnetron sputtering, magnetic force microscopy

Date of defence

22.06.2018

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Byly zodpovězeny otázky oponenta.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Applied Sciences in Engineering (B3A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
M.Sc. Jon Ander Arregi Uribeetxebarria, Ph.D.

The bachelor thesis by Lucie Motyčková deals with the growth and characterization of metamagnetic FeRh nanoparticles. The work also highlights their potential use in the context of biomedical applications. The student realized an extensive literature research, especially in topics like epitaxial growth and nanoscience applied to biomedicine. From the experimental point of view, all objectives were satisfactorily fulfilled. She identified different growth mechanisms for FeRh, explaining their role in the resulting magnetic properties of the samples. During the bachelor thesis project, the student also learned to confront negative or unclear outcomes of experiments, which I think it is important. She always showed a big enthusiasm and a high level of motivation. The thesis is well organized and very well written, including nice layout and figures. I consider the work to be excellent and thus I give the mark ‘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 výsledky 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 A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Roman Gröger, Ph.D.

Diplomová práce Lucie Motyčkové si klade za cíl vyvinout metodiku epitaxního růstu metamagnetických nanočástic FeRh, které by vykazovaly fázovou přeměnu prvního druhu z antiferomagnetického (AF) do feromagnetického (FM) stavu mírným zahřátím nad pokojovou teplotu. Práce je přehledně členěna do sedmi kapitol, kde první čtyři poskytují obecné informace o problematice, základech magnetismu, krystalografii FeRh na MgO substrátu a přehled teoretických modelů epitaxního růstu. V páté kapitole diskutuje diplomantka metodiku magnetronového naprašování a charakterizačních metod založených na mikroskopii skenovací sondou. Hlavní výsledky jsou soustředěny do šesté a sedmé kapitoly. Rozsah práce plně odpovídá bakalářskému studiu. V práci bych ocenil konkrétnější rozlišení odpovědnosti za jednotlivá měření (charakterizace), protože není zcela jasné, jakou část výsledků dělala diplomantka samostatně a do jaké míry jsou výsledky úspěchem celkého týmu. Nicméně, velmi kladně hodnotím, že je práce napsána výbornou angličtinou a je srozumitelná i mimo úzký okruh expertů na danou problematiku.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky 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 A
Topics for thesis defence:
  1. K této diplomové práci mám následující dva komentáře, u kterých žádám diplomantku o rozbor. (1) Na obr. 6.4 diplomantka uvádí, že se morfologie FeRh/MgO filmu významně mění s teplotou růstu. V diskuzi k těmto výsledkům pak uvádí, že důvodem preferenčního růstu FeRh po ostrůvcích za teplot 650 a 760 C může být teplotní změna rovnovážných poměrů v Youngově rovnici (4.5), a tím také změna úhlu θ. Tento vztah lze zapsat následujícím způsobem: cos⁡〖θ(T)〗=(γ_SG (T)-γ_NS (T))/(γ_NG (T)) Pokud by θ(T) rostlo s rostoucí teplotou, pak cos⁡〖θ(T)〗 s teplotou klesá. Aby tomu tak bylo, tak jmenovatel v tomto vztahu musí růst s teplotou rychleji než čitatel. Je možné tento předpoklad nějak ověřit, např. na základě teplotních změn mřížkových parametrů MgO a FeRh?
  2. (2) Na obr. 7.2 je možné pozorovat, že obě zakroužkované částice původně ve FM stavu nejdříve přejdou vlivem rostoucí teploty do AF stavu a za vyšší teploty zpět do FM stavu. Ostatní částice přechází z AF stavu přímo do FM. Čím jsou prvně jmenované částice odlišné od ostatních částic (přítomnost defektů, úhel ostrůvku, výška ostrůvku, apod.)?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová