diplomová práce

Návrh a výroba laditelných dielektrických metapovrchů pro viditelné a infračervené vlnové délky

Text práce 9.79 MB

Autor práce: Mgr. Peter Kepič

Ak. rok: 2020/2021

Vedoucí: Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Oponent: Ing. Jakub Dostálek, Ph.D.

Abstrakt:

Metapovrchy sú nanoštruktúrované povrchy vytvorené za účelom špecifického ovládania propagácie svetla. Predstavujú revolúciu v oblastiach ultratenkých optických prvkov a nanofotonických obvodov. Zakomponovaním laditeľných dielektrických materiálov do metapovrchov sa otvára možnosť aktívne ovládať ich optické vlastnosti aj po tom, čo boli vyrobené. Oxid vanadičitý (VO2) takéto ladenie umožňuje vďaka svojej fázovej premene už pri teplote okolo 67°C a preto sa radí k najsľubnejším z laditeľných dielektrických materiálov. Nakoľko je možné postupnú fázovú premenu vo VO2 vybudiť opticky a lúč svetla je možné fokusovať do stopy s veľkosťou pár stoviek nanometrov, laditeľné metapovrchy obsahujúce VO2 by mohli byť ladené postupne a dokonca s nanometrovým rozlíšením. V tejto práci skúmame fázu a amplitúdu svetla po prechode VO2 nanoštruktúrami usporiadanými do metapovrchu navrhnutého pre viditeľnú zložku elektromagnetického žiarenia. Výskum fáze a amplitúdy je založený na numerických simuláciách VO2 nanoštruktúr (stavebných kameňov metapovrchov), ktoré sú následne overené experimentálnymi výsledkami. VO2 nanoštruktúry vykazujú taktiež Mieho dielektrické rezonancie, ktoré sú v závere tejto práce využité v postupne laditeľnom metapovrchu fungujúcom vo viditeľnej oblasti. Okrem termálneho ladenia je možné vyrobený metapovrch ovládať taktiež opticky, čo dokazuje možnosť postupného ladenia na nanometrových rozmeroch.

Klíčová slova:

metapovrch, laditeľný metapovrch, oxid vanadičitý, vidiťeľná oblasť, Mieho rezonancia

Termín obhajoby

15.06.2021

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Po otázkách oponenta bylo diskutováno: Johnsonovy vektory. Resonance nanostruktur v infračervené oblasti. Student otázky zodpověděl.

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (N-FIN-P)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
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)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Peter Kepič po celou dobu magisterského studia pracoval s nasazením, které snese srovnání i s šikovnými doktorandy. Věnoval se studiu nejaktuálnější vědecké literatury související s laditelnými metapovrchy a byl schopen s velmi vysokou mírou samostatnosti obsáhnout široké spektrum sofistikovaných činností – od přípravy opticky laditelných materiálů, přes jejich komplikované nanostrukturování a charakterizaci, až k jejich teoretickému popisu a numerickým simulacím. Tento svědomitý přístup vyústil ještě před dokončením diplomové práce v jeho prvoautorskou publikaci v časopise kategorie D1 v oboru „Optika“. Bylo mým potěšením vést takto kvalitní diplomovou práci.
Kritérium hodnocení Známka
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 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

Známka navržená vedoucím: A

Diplomová práce Mgr. Petera Kepiče se opírá o teoretické a experimentální výsledky dosažené na Fakultě Strojního Inženýrství Vysokého Učení Technického v Praze. Práce přispívá k výzkumu na poli vývoje laditelných optických nanostruktur, jejich optických simulací, přípravy pomocí litografických metod a charakterizace s pomocí moderních mikroskopických a spektroskopických nástrojů. Práce je po formální stránce na velmi vysoké úrovni, je logicky strukturovaná, a napsaná velmi dobrou angličtinou s velmi malým výskytem překlepů a gramatických chyb. Práce zahrnuje vhodně napsaný úvod do optických metapovrchů, jejich základních vlastností a state-of-the-art aplikací. Diplomant si vrámci diplomové práce osvojil řadu nástrojů včetně numerických simulací (FDTD implementovanou v Lumerical) a experimentální realize navržených struktur (vakuové napařovování tenkých vrstev, electron beam lithography). Diplomová práce obsahuje řadu důležitých orignálních výsledků, které vedou k vývoji aktivně laditelných optických metamateriálů pro budoucí optické komponenty. Experimentální a teoretické výsledky práce, na nichž se diplomant úspěšně podílel, byly částečně publikovány v odborném časopise ACS Photonics, který patří k nejlepším v oboru.
Hodnocení jednotlivých aspektů:
SPLNĚNÍ POŽADAVKŮ A CÍLŮ ZADÁNÍ – cílem práce byl výzkum na poli optických nanostruktur na bázi VO2, které umožní aktivně ladit fázi elektromagnetických vln. Práce zahrnuje řadu výsledků, kreré vedou v tomuto cíli a splnila zadání.
POSTUP A ROZSAH ŘEŠENÍ, ADEKVÁTNOST POUŽITÝCH METOD – diplomant si osvojil a provedl řadu teoretických a experimentálních studií, které jsou velmi dobře propojené a jejich použití je logicky reaguje na pozorované jevy (e.g. při přípravě VO2 nanostruktur s správnou stoichiometríí důležitou pro metal to insulator transition - ITM).
VLASTNÍ PŘÍNOS A ORIGINALITA – výsledky práce zahrnují žadu originálních výsledků stran přípravy funkčních VO2 nanostruktur (protokoly zahrnující EBL s liftoff a post-annealing) a jejich návrhu pomocí simulací a charakerizace jejich optických vlastností pro aktivně laditelnou kontrolu amplitudy a fáze světla. Výsledky bezesporu přispívají k rozvoji moderních směrů výzkumu v nanofotonice, jak je dokumentováno publikací v ACS Photonics.
SCHOPNOST INTERPRETOVAT DOSAŽ. VÝSLEDKY A VYVOZOVAT Z NICH ZÁVĚRY
VYUŽITELNOST VÝSLEDKŮ V PRAXI NEBO TEORII – práce výborně kombinuje teorické a experimentální nástroje, adekvátně interpretuje pozorované jevy a logicky z nich vyvozuje závěry umožnující vývoj zcílených struktur na iterativní bázi.
LOGICKÉ USPOŘÁDÁNÍ PRÁCE A FORMÁLNÍ NÁLEŽITOSTI – práce je formálně psaná úsporným stylem, který nicméně umožňuje zahrnout a diskutovat všechny klíčové výsledky a zasadit je zajímavým způsobem do obecného rámce výzkumu na poli optických metamateriálů.
GRAFICKÁ, STYLISTICKÁ ÚPRAVA A PRAVOPIS – práce je psaná výbornou angličtinou a graficky prezentuje teoretické a experimentální výsledky na úrovni publikací ve vědeckých časopisech.
PRÁCE S LITERATUROU VČETNĚ CITACÍ – přes 200 použitých citací pokrývá state-of-the-art výzkumu. Navíc odkazuje na soubor prací, které mohou posloužit k review článku ohledně optických vlastností VO2 tenkých vrstev v závislosti na jejich přípravě.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky 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
Otázky k obhajobě:
  1. 1) Why there were not chosen Bloch boundary conditions in the FDTD simulations (referring to Figure 4.4)? These may better desribe the experimentally used periodic arrays of nanocylinders / nanocones.
  2. 2) The transmision phase and amplitude spectra acquired by simulations and experiment show a resonant feature for certain geometries. Diplomant ascribes it to the effect of Mie resonance and the presence of a lattice mode. Indeed, it appears to me that surface lattice resonances arises from diffractive coupling on periodic arrays of scatteres. Therefore, I would assume that they cannot be experimentally observed in the used conditions (as lattice modes are angular sensitive and there was used microscopy with high numerical aperture for their observation) as well by used simulations (since the periodicity is limited to the unit cell of 5x4 particles only and Bloch boundary conditions we not employed)
  3. 3) Discussion of Figure 4.11c seems to me wrong. An increase in transmission is seen as the structure is heated by exposure to optical beam at 633 nm and thus VO2 structure switches from dielectric to metallic state. Indeed, it woud be interesting to provide information on the optically heated area that was used in this study.

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová