diplomová práce

Variabilní MEMS clona pro elektronový mikroskop

Autor práce: Ing. Vojtěch Mahel

Ak. rok: 2022/2023

Vedoucí: Mgr. Jiří Liška, Ph.D.

Oponent: doc. RNDr. Petr Mikulík, Ph.D.

Abstrakt:

Diplomová práce se zabývá využitím variabilní MEMS clony v elektronovém mikroskopu, jejím návrhem a výrobou. Aperturní clona je důležitá pro určení aperturního úhlu, který má dopad na rozlišení mikroskopu a rychlost analytické práce. Variabilní aperturní clona by měla umožnit nastavitelnost téměř libovolného aperturního úhlu a proudu svazku na vzorku ve zvolených mezích. Práce obsahuje úvod do mikroelektromechanických systémů, základů elektronové mikroskopie a přehled technik mikrovýroby zahrnující litografii a leptání. Byl proveden návrh a simulace variabilní MEMS clony pro elektronový mikroskop. Zařízení s pohyblivou strukturou aktuované elektrickým napětím bylo vyrobeno pomocí litografických procesů a fokusovaného svazku iontů. Testováním byly potvrzeny vlastnosti a pohyblivost struktury shodující se s výpočty a simulací.

Klíčová slova:

Variabilní clona, simulace, MEMS, elektronový mikroskop, litografie, FIB, DRIE

Termín obhajoby

21.06.2023

Práce bude zveřejněna

20.06.2026

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Napětí pro pohyb aktuátorů. Vliv teploty na funkci aktuátoru. Student na otázky odpověděl.

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Přesná mechanika a optika (N-PMO-P)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jindřich Mach, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Jákl, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Posudek vedoucího
Mgr. Jiří Liška, Ph.D.

Diplomová práce studenta Vojtěcha Mahela se zabývá variabilní clonou pro elektronové mikroskopy na bázi  technologie MEMS (mikro-elektro-mechanické systémy). Práce, s výbornou textovou i grafickou úrovní, obsahuje všechny důležité části vyžadované u diplomové práce a splňuje zadané cíle. V teoretických kapitolách je na základě literatury srozumitelně popsán úvod do MEMS technologií a výrobních technik i do problematiky elektronových mikroskopů. Stěžejní je kapitola 5 obsahující návrh a simulace MEMS zařízení. Experimentálně zaměřená kapitola 6 se zabývá mikrovýrobou zařízení a následným úspěšným testováním v elektronovém mikroskopu. Vzhledem k tomu, že navržené MEMS zařízení by mělo mimo jiné zlepšit rozlišení elektronových mikroskopů, je řešené téma velmi aktuální s významným aplikačním potenciálem. Z pozice vedoucího práce bych chtěl především vyzdvihnout výraznou samostatnost a pracovitost studenta při návrhu zařízení, při simulacích a také při výrobě a testování MEMS zařízení v elektronovém mikroskopu. Prokázal schopnost rychlého zvládnutí nejrůznějších technik mikrovýroby. Oceňuji také jeho znalosti, rozvahu a intuici při plánování výroby a při řešení nejrůznějších komplikací. Výsledky, které se mu podařily získat, položily základy tohoto typu laditelné clony a měly by pomoct k reálné aplikaci v elektronových mikroskopech. Zapojení firmy Thermo Fisher Scientific, která je v tomto oboru světovou špičkou, k tomu nahrává. Celkově hodnotím práci velmi pozitivně - známkou A - výborně.
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

Diplomant se ve své diplomové práci věnuje návrhu a konstrukci clony s proměnlivou velikostí
otvoru řádově desítky mikrometrů, která by našla aplikační uplatnění v tubusu elektronového
mikroskopu místo série clon jako řadou různě velkých otvorů. Z důvodu mikrometrové velikosti a
ovládání elektrickým napětím byla clona konstruována jako mikromechanický systém (MEMS), kdy
elektrostatický hřebenový aktuátor posunuje pohyblivou částí clony proti pevné části otvoru clony,
přičemž aktuátor je možné vyrobit z křemíkového substrátu (konkrétně SOI deska) litograficky či
iontovým svazkem (FIB) v elektronovém mikroskopu. S ohledem na požadavky rozsahu lineárního
pohybu aktuátoru byl navržen design a rozměry systému, a očekávané výchylky byly spočteny podle
vzorců pro průhyb nosníku a pro konkrétní tvar nasimulovány metodou konečných prvků programem
Inventor. Práce následně obsahuje detailní popis přípravy litografií, leptáním a FIBováním. Bylo
vyrobeno několik vzorků (prototypů). Vzhledem k náročnosti výroby je důležitým výsledkem
zdokumentování náročnosti výroby a popisu souvisejících problémů, a to nejen výroby samotné, ale i
následného dočištění, manipulace, a elektrického kontaktování a použití.
Práce je napsána v českém jazyce v kvalitní grafické úpravě. Vše je vysvětleno jasně a účelně
a zdokumentováno nákresy a schématy. Finálně vyrobené struktury jsou zobrazeny fotografiemi a
snímky z elektronového mikroskopu.
Diplomant odvedl velký kus práce v oblasti návrhu, výpočtu i realizace prototypu MEMS clony
pro možné použití jako variabilní clony elektronového svazku pro elektronovou mikroskopii, sepsal
kvalitní diplomovou práci a proto jeho práci hodnotím stupněm A.
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. Clona je tvořena pevnou a pohyblivou částí, proto se při jejím otevírání či uzavírání bude posunovat střed elektronového svazku v tubusu mikroskopu. Jak by tento posun mohl být korigován elektronovou optikou v tubusu?
  2. 2. Vyrobil jste několik kusů (prototypů) clony. Mohl byste je ukázat všechny na jednom snímku prezentace a stručně je popsat ohledně úspěchu při výrobě, manipulaci a zapojení?
  3. 3. Clona v mikroskopu musí mít dlouhou životnost, konkurovat v tomto směru otvorům vyvrtaným do tenké pevné destičky bude velmi těžké. Co bude třeba udělat pro prodloužení životnosti MEMS clony?

Známka navržená oponentem: A

Důvod odložení zveřejnění

Zveřejnění této práce je odloženo v souladu s ustanovením § 47b zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších předpisů.

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová