|
|
Nanostructures for advanced plasmonic applications
Kejík, Lukáš ; Brzobohatý,, Oto (oponent) ; Dostálek,, Jakub (oponent) ; Šikola, Tomáš (vedoucí práce)
Plasmonics, characterized by the coupling of free electron oscillations in metals with electromagnetic waves, has come to the forefront with advancements in nanotechnology. This synergy results in remarkable properties of nanoscale objects, characterized by confined and enhanced electromagnetic fields. These features pave the way for a wide array of nanostructure applications, spanning biosensing, emission enhancement, solar energy harvesting, and optical component substitution. This dissertation is centered on the application of plasmonic nanostructures, primarily focusing on planar optical components known as metasurfaces. Additionally, it explores their use in photocatalytic applications, harnessing the energetic hot charge carriers generated through plasmonics. The dissertation begins with an introduction to the theoretical foundations of plasmonics, highlighting key parameters governing plasmonic properties and providing an overview of its most compelling applications. Subsequently, it comprises four experimental sections which show the utilization of plasmonic nanostructures for various purposes, including the phase of light control, dynamic metasurfaces, investigations of inner crystallinity effects, and the utilization of hot charge carriers in photoelectrochemical systems. These studies share a common theme of employing advanced or less conventional materials, such as vanadium dioxide or transition metal dichalcogenides, within the realms of plasmonics and nanotechnology.
|
|
|
Design and fabrication of tunable dielectric metasurfaces for visible and infrared wavelengths
Kepič, Peter ; Dostálek, Jakub (oponent) ; Ligmajer, Filip (vedoucí práce)
Metasurfaces are nanostructured surfaces that can be fabricated to specifically manipulate the propagation of light. They represent a revolution in ultrathin optics and nanophotonic circuits. Adding tunable dielectric materials into metasurfaces’ designs enable them to actively control their optical properties after being fabricated. Vanadium dioxide (VO2) is one of the most promising materials that could provide such tunability due to its phase-transition at temperatures around 67°C. Being able to gradually induce VO2 phase-transition also optically, with a light beam being focused to a few hundreds of nanometers, tunable metasurfaces based on VO2 could be gradually tuned with nanoscale resolution. Here, we demonstrate a full transmission phase and amplitude investigation of VO2 nanostructures for metasurfaces operating in the visible part of the electromagnetic spectrum. The investigation of VO2 nanostructures (metasurface building blocks) is mostly done by simulations, which are later supported by experimental results. Moreover, VO2 nanostructures exhibit Mie resonances that are subsequently utilized for a gradually tunable metasurface in the visible. Besides thermal tuning, the fabricated metasurface is also tuned optically, proving the possibility of gradual optical tuning.
|
|
|
Fabrication, optimization and in-situ characterization of thermally tunable vanadium dioxide nanostructures
Krpenský, Jan ; Maniš, Jaroslav (oponent) ; Konečná, Andrea (vedoucí práce)
Vanadium dioxide (VO2) has attracted increasing attention over the past decades due to its metal-insulator phase transition at temperature around 68 °C. This phase change is accompanied by lattice change from monoclinic (dielectric) to tetragonal (metal), lattice shrinking in the metallic state, and stark difference in the infrared transmittance between both phases. However, fabrication of VO2 thin films can be challenging due to other possible stoichiometric configurations, such as VO, V2O3, or V2O5. Many fabrication techniques have been used in recent years, where optimized fabrication process produces VxOy in the desired stoichiometry of VO2. In this Thesis, a summary of three deposition techniques suitable for the deposition of VO2 thin films is made and the process of creating thin samples (lamellae) suitable for study in the transmission electron microscopy (TEM) via focused ion beam (FIB) is described. Utilizing TEM with in-situ heating for characterization of VO2 samples produces valuable information on the microstructure of VO2 both below and above the transition temperature. In addition, electron energy-loss spectroscopy gives precious insight into the changing of different stoichiometries of VO2 in correlation to the thickness of the examined sample, near the sample edge in particular.
|
|
|
Modelování spekter energiových ztrát elektronů nanostruktur oxidu vanadičitého
Kabát, Jiří ; Křápek, Vlastimil (oponent) ; Konečná, Andrea (vedoucí práce)
Tato práce se zabývá charakterizací optických módů v nanostrukturách z oxidu vanadičitého (VO2), zejména jejich studiem za pomoci numerických simulací spektroskopie energiových ztrát elektronů (EELS). Mezi studované optické módy patří plazmony, fonony a Mieho rezonance, pro něž je provedena rešerše. VO2 prodělává fázovou přeměnu při překročení teploty přibližně 67 °C z izolující fáze na kovovou fázi. Tato fázová přeměna je také spjata s velkou změnou optických vlastností nabízející potenciální využití v oboru nanofotoniky. Hlavní část práce je věnována numerickým simulacím, které byly nejprve provedeny pro tenkou vrstvu VO2 a následně pro VO2 nanočástice. V nanočásticích v kovové fázi byly v simulacích pozorovány energiové ztráty elektronů způsobené plazmony a lokalizovanými povrchovými plazmony, jež byly charakterizovány a vykresleny za pomocí prostorově závislých EELS map. V nanočásticích v izolující fázi byly pozorovány ztráty způsobené fononovými excitacemi a také absorpcí. Pro některé geometrie nanočástic se zde však také objevily ztráty, které by potenciálně mohly souviset s excitacemi Mieho rezonancí.
|
|
|
Arrays of plasmonic nanostructures made of phase-change materials
Kepič, Peter ; Kejík, Lukáš (oponent) ; Ligmajer, Filip (vedoucí práce)
The crystal structure of phase-change materials can be reconfigured by external stimuli, which often result in a change of materials electrical or magnetic properties. Although this effect has been already used to modulate plasmonic resonances in nanophotonics, it has not been fully examined for the two materials chosen in this work — vanadium dioxide (VO2) and iron-rhodium alloy (FeRh). Plasmonic resonances can be described as resonances of electromagnetic field in metallic nanostructures. With these nanostructures we are even able to modulate light. In this thesis, we firstly optimized electron beam lithography process for production of metal nanodiscs with 40–200nm diameters. Secondly, we measured an optical response of gold nanodiscs to better understand the nature of their plasmonic resonances and interactions between them. Lastly, we described the optimization of polycrystalline VO2 growth and measured optical responses of VO2 and FeRh nanodiscs during their respective phase transitions. Our observation of Mie’s resonances in the dielectric phase of the VO2 nanodiscs suggests, that they have a potential to act as tunable plasmonic resonators which switch from Mie’s resonances in the dielectric phase into plasmonic resonances in the metallic one. When measuring the FeRh nanodiscs, we observed plasmonic resonances in the visible part of the spectrum. These resonances can be used to facilitate FeRh transition from an anti-ferromagnetic to a ferromagnetic phase, as they could lower the required latent heat.
|
|
|
Advanced plasmonic materials for metasurfaces and photochemistry
Ligmajer, Filip ; Vala,, Milan (oponent) ; Bauch, Martin (oponent) ; Šikola, Tomáš (vedoucí práce)
Plasmonics – the scientific discipline dealing with interaction between light and metallic materials – when coupled with nanotechnology, offers unprecedented possibilities for light control and utilization. The outcome of this combination can be, for example, focusing of light below the diffraction limit, enhancement of emission or absorption of quantum emitters, or extremely sensitive detection of molecules. This thesis deals with possibilities how to utilize plasmonics for flat optical components, so-called metasurfaces, and for photocatalytic applications based on plasmonically generated electrons with high energy, so-called hot electrons. First, the fundamentals of plasmonics are explained and an overview of its most notable applications is provided. Then, three studies are presented, which cover the use of plasmonic nanostructures for the control of light polarization and phase, for creation of dynamically tunable metasurfaces, and for photo-electrochemistry with hot electrons. The common principle of these studies is the use of advanced – or within these fields uncommon – materials, like, for example, vanadium dioxide or transition metal dichalcogenides.
|
|
|
Příprava a strukturování tenké vrstvy oxidu vanadičitého pro nanofotoniku
Spousta, Jiří ; Musálek, Tomáš (oponent) ; Rovenská, Katarína (vedoucí práce)
Oxid vanadičitý je stále častěji používaný materiál pro výrobu laditelných metapovrchů díky své jednoduše dosažitelné fázové přeměně z nevodiče na kov, nastávající okolo 67°C. V této bakalářské práci jsme se zabývali optimalizací přípravy tenké vrstvy VO2 získané dvěma depozičními metodami; napařováním elektronovým svazkem a iontově asistovaným naprašováním. Vrstvy získané napařováním jsme dále pomocí elektronové litografie a leptání reaktivními ionty strukturovali a pozorovali vliv morfologie struktur na jejich optické vlastnosti. Fázovou přeměnu vyrobených vrstev a nanostruktur jsme ověřovali užitím spektroskopických metod, zejména pak měřením transmise vzorků v závislosti na teplotě. Pro iontově asistované naprašování jsme zavedli nový proces získávání tenké vrstvy VO2, který během depozice využívá žíhání in situ. U vrstev deponovaných tímto novým procesem byla úspěšně prokázána fázová přeměna typická pro VO2.
|
|
|
Příprava a strukturování tenké vrstvy oxidu vanadičitého pro nanofotoniku
Spousta, Jiří ; Musálek, Tomáš (oponent) ; Rovenská, Katarína (vedoucí práce)
Oxid vanadičitý je stále častěji používaný materiál pro výrobu laditelných metapovrchů díky své jednoduše dosažitelné fázové přeměně z nevodiče na kov, nastávající okolo 67°C. V této bakalářské práci jsme se zabývali optimalizací přípravy tenké vrstvy VO2 získané dvěma depozičními metodami; napařováním elektronovým svazkem a iontově asistovaným naprašováním. Vrstvy získané napařováním jsme dále pomocí elektronové litografie a leptání reaktivními ionty strukturovali a pozorovali vliv morfologie struktur na jejich optické vlastnosti. Fázovou přeměnu vyrobených vrstev a nanostruktur jsme ověřovali užitím spektroskopických metod, zejména pak měřením transmise vzorků v závislosti na teplotě. Pro iontově asistované naprašování jsme zavedli nový proces získávání tenké vrstvy VO2, který během depozice využívá žíhání in situ. U vrstev deponovaných tímto novým procesem byla úspěšně prokázána fázová přeměna typická pro VO2.
|
|
|
Modelování spekter energiových ztrát elektronů nanostruktur oxidu vanadičitého
Kabát, Jiří ; Křápek, Vlastimil (oponent) ; Konečná, Andrea (vedoucí práce)
Tato práce se zabývá charakterizací optických módů v nanostrukturách z oxidu vanadičitého (VO2), zejména jejich studiem za pomoci numerických simulací spektroskopie energiových ztrát elektronů (EELS). Mezi studované optické módy patří plazmony, fonony a Mieho rezonance, pro něž je provedena rešerše. VO2 prodělává fázovou přeměnu při překročení teploty přibližně 67 °C z izolující fáze na kovovou fázi. Tato fázová přeměna je také spjata s velkou změnou optických vlastností nabízející potenciální využití v oboru nanofotoniky. Hlavní část práce je věnována numerickým simulacím, které byly nejprve provedeny pro tenkou vrstvu VO2 a následně pro VO2 nanočástice. V nanočásticích v kovové fázi byly v simulacích pozorovány energiové ztráty elektronů způsobené plazmony a lokalizovanými povrchovými plazmony, jež byly charakterizovány a vykresleny za pomocí prostorově závislých EELS map. V nanočásticích v izolující fázi byly pozorovány ztráty způsobené fononovými excitacemi a také absorpcí. Pro některé geometrie nanočástic se zde však také objevily ztráty, které by potenciálně mohly souviset s excitacemi Mieho rezonancí.
|
|
|
Fabrication, optimization and in-situ characterization of thermally tunable vanadium dioxide nanostructures
Krpenský, Jan ; Maniš, Jaroslav (oponent) ; Konečná, Andrea (vedoucí práce)
Vanadium dioxide (VO2) has attracted increasing attention over the past decades due to its metal-insulator phase transition at temperature around 68 °C. This phase change is accompanied by lattice change from monoclinic (dielectric) to tetragonal (metal), lattice shrinking in the metallic state, and stark difference in the infrared transmittance between both phases. However, fabrication of VO2 thin films can be challenging due to other possible stoichiometric configurations, such as VO, V2O3, or V2O5. Many fabrication techniques have been used in recent years, where optimized fabrication process produces VxOy in the desired stoichiometry of VO2. In this Thesis, a summary of three deposition techniques suitable for the deposition of VO2 thin films is made and the process of creating thin samples (lamellae) suitable for study in the transmission electron microscopy (TEM) via focused ion beam (FIB) is described. Utilizing TEM with in-situ heating for characterization of VO2 samples produces valuable information on the microstructure of VO2 both below and above the transition temperature. In addition, electron energy-loss spectroscopy gives precious insight into the changing of different stoichiometries of VO2 in correlation to the thickness of the examined sample, near the sample edge in particular.
|
host ::
RSS.