|
|
Nanostructures for advanced plasmonic applications
Kejík, Lukáš ; Brzobohatý,, Oto (referee) ; Dostálek,, Jakub (referee) ; Šikola, Tomáš (advisor)
Plazmonika, charakterizovaná spojením oscilací volných elektronů v kovech s elektromagnetickými vlnami, se dostala do popředí s pokroky v nanotechnologiích. Tato synergie vede k pozoruhodným vlastnostem objektů v nanoměřítku, vyznačujících se lokalizovaným a zesíleným elektromagnetickým polem. Tyto vlastnosti umožňují širokou škálu aplikací nanostruktur, zahrnujících biodetekci, zesilování emise, získávání solární energie a náhrazování optických komponent. Tato dizertační práce je zaměřena na aplikace plazmonických nanostruktur, primárně na plošné optické komponenty známé jako metapovrchy. Kromě toho zkoumá jejich použití ve fotokatalytických aplikacích, využívajících energetické horké nosiče náboje generované prostřednictvím plazmoniky. Dizertační práce začíná úvodem do teoretických základů plazmoniky, zdůrazněním klíčových parametrů řídících plazmonické vlastnosti a přehledem jejích nejpřesvědčivějších aplikací. Následně obsahuje čtyři experimentální části, které ukazují využití plazmonických nanostruktur pro různé účely, včetně ovládání fáze světla, dynamických metapovrchů, zkoumání efektů vnitřní krystalinity a využití horkých nosičů náboje ve fotoelektrochemických systémech. Tyto studie spojuje využití pokročilých nebo méně konvenčních materiálů, jako je oxid vanadičný nebo dichalkogenidy přechodných kovů, v oblasti plazmoniky a nanotechnologií.
|
|
|
Design and fabrication of tunable dielectric metasurfaces for visible and infrared wavelengths
Kepič, Peter ; Dostálek, Jakub (referee) ; Ligmajer, Filip (advisor)
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.
|
|
|
Fabrication, optimization and in-situ characterization of thermally tunable vanadium dioxide nanostructures
Krpenský, Jan ; Maniš, Jaroslav (referee) ; Konečná, Andrea (advisor)
Oxid vanadičitý (VO2) přilákal v posledních desetiletích zvýšenou pozornost kvůli svému fázovému přechodu kov-izolant na teplotě okolo 68 °C. Tento fázový přechod je provázen změnou krystalové mříže z monoklinické (dielektrikum) na tetragonální (kov), smrštěním krystalové mříže v kovové fázi a výrazným rozdílem mezi transmisivitou v infračervené oblasti mezi oběma fázemi. Avšak výroba VO2 může být náročná kvůli jiným možným stochiometrickým konfiguracím jako je VO, V2O3 nebo V2O5. V posledních letech bylo použito mnoho výrobních technik, u kterých optimalizace výrobního procesu produkuje VxOy v požadované VO2 stochiometrii. V této práci je uvedeno shrnutí tří technik vhodných pro depozici tenkých vrstev VO2 a je popsán proces výroby tenkých vzorků (lamel), které jsou vhodné pro studium v transmisním elektronovém mikroskopu (TEM), pomocí fokusovaného iontového svazku (FIB). Použití TEM se zahříváním uvnitř komory pro charakterizaci VO2 vzorků produkuje cenné informace o mikrostruktuře VO2 pod i nad teplotou přechodu. Navíc dává spektroskopie energiových ztrát elektronů cenný vhled do změn různých stochiometrií VO2 v souvislosti s tloušťkou zkoumaného vzorku, zejména blízko hrany vzorku.
|
|
|
Modelling electron energy-loss spectra of vanadium dioxide nanostructures
Kabát, Jiří ; Křápek, Vlastimil (referee) ; Konečná, Andrea (advisor)
This thesis concerns the characterization of optical modes in vanadium dioxide (VO2) nanostructures, mainly by simulating numerically electron energy loss spectroscopy (EELS) intensity. Among the studied optical modes, there are plasmons, phonons and Mie-type resonances, for which we performed a literature review. VO2 undergoes a phase transition when reaching a temperature of about 67 °C from the insulating phase to the metallic phase. This phase transition is connected to significant changes in optical properties, which offer potential uses in nanophotonics. The main part of the thesis is devoted to numerical simulations, which were firstly performed for thin VO2 slabs and then for VO2 nanoparticles. In simulations of VO2 nanoparticles in the metallic phase, we observed electron energy losses caused by plasmons and localized surface plasmons, which were then characterized and imaged by spacedependent EELS maps. In nanoparticles in the insulating phase, losses caused by phonon excitations and material absorption were observed. A new kind of loss contribution was observed for some geometries, potentially related to the Mie-type resonances.
|
|
|
Arrays of plasmonic nanostructures made of phase-change materials
Kepič, Peter ; Kejík, Lukáš (referee) ; Ligmajer, Filip (advisor)
Kryštálovú štruktúru materiálov s fázovou premenou dokážeme meniť dodaním vonkajšej energie, čo má za následok zmenu ich elektrických alebo magnetických vlastností. Hoci sa tento efekt ovládania plazmonických rezonancií v nanofotonike využíva, dva materiály zvolené v tejto práci — oxid vanadičitý (VO2) a zliatina železa a ródia (FeRh) — neboli zatiaľ dostatočne preskúmané. Plazmonické rezonancie môžu byť charakterizované ako rezonancie electromagnetického poľa v kovovvých nanoštruktúrach. Týmito nanoštruktúrami sme dokonca schopní ovládať svetlo. Na začiatku tejto práce sa venujeme optimalizovaniu procesu elektrónovej litografie pre výrobu 50nm vysokých kovových nanodiskov s priemermi 40–200nm. V druhej časti skúmame optickú odozvu zlatých nanodiskov, aby sme lepšie pochopili povahu plazmonických rezonancií a interakcií medzi nimi. V poslednej časti sa venujeme optimalizácii výroby polykryštalického VO2 a meraniam optických odoziev VO2 a FeRh nanodiskov počas ich fázovej premeny. Pri meraní VO2 nanodiskov v dielektrickej fázi sme pozorovali Mieho rezonancie. Tieto nanodisky sa majú potenciál chovať ako laditeľné plazmonické štruktúry, ktorých Mieho rezonancie v dielektrickej fázy VO2 sa menia na plazmonické rezonancie v kovovej fázy. Počas merania FeRh nanodiskov sme pozorovali plazmonické rezonancie vo viditeľnom spektre. Tieto rezonancie môžu byť použité na zníženie energie potrebnej na prechod FeRh z anti-feromagnetickej do feromagnetickej fázy.
|
|
|
Advanced plasmonic materials for metasurfaces and photochemistry
Ligmajer, Filip ; Vala,, Milan (referee) ; Bauch, Martin (referee) ; Šikola, Tomáš (advisor)
Plazmonika, tedy vědní obor zabývající se interakcí světla s kovovými materiály, nabízí ve spojení s nanotechnologiemi nezvyklé možnosti, jak světlo ovládat a využívat. Výsledkem tohoto spojení může být například zaostřování světla pod difrakční limit, zesilování emise nebo absorbce kvantových zářičů, či extrémně citlivá detekce molekul. Tato práce se zabývá zejména možnostmi využití plazmoniky pro vývoj plošných optických prvků, tzv. metapovrchů, a pro fotokatalytické aplikace založené na plazmonicky generovaných elektronech s vysokou energií, tzv. horkých elektronech. Nejprve jsou vysvětleny teoretické základy plazmoniky a je poskytnut přehled jejích nejvýznamnějších aplikací. Poté jsou představeny tři studie zabývající se využitím plazmonických nanostruktur pro ovládání fáze a polarizace světla, pro vytváření dynamicky laditelných metapovrchů, a pro foto-elektrochemii s horkými elektrony. Společným prvkem těchto studií je pak používání pokročilých, resp. v rámci těchto oblastí netradičních, materiálů, jako např. oxidu vanadičitého nebo dichalkogenidů přechodných kovů.
|
|
|
Fabrication and structuring of a thin vanadium dioxide layer for nanophotonics
Spousta, Jiří ; Musálek, Tomáš (referee) ; Rovenská, Katarína (advisor)
Vanadium dioxide is becoming frequently used in tunable metasurfaces, mainly due to its easily achievable insulator to metal phase-transition, occuring at around 67°C. This thesis deals with the optimization of thin VO2 layer fabrication process and specifically with e-beam evaporation and ion beam-assisted sputtering. The phase change of VO2 layers was optically characterized -- mostly, we measured the thermally-dependent transmissivity of our layers. In ion beam-assisted sputtering, we implemented a new process for yielding thin VO2 layers which uses in situ annealing during the deposition. Layers fabricated with this newly implemented process demonstrate a clear phase transition typical for VO2.
|
|
|
Fabrication and structuring of a thin vanadium dioxide layer for nanophotonics
Spousta, Jiří ; Musálek, Tomáš (referee) ; Rovenská, Katarína (advisor)
Vanadium dioxide is becoming frequently used in tunable metasurfaces, mainly due to its easily achievable insulator to metal phase-transition, occuring at around 67°C. This thesis deals with the optimization of thin VO2 layer fabrication process and specifically with e-beam evaporation and ion beam-assisted sputtering. The phase change of VO2 layers was optically characterized -- mostly, we measured the thermally-dependent transmissivity of our layers. In ion beam-assisted sputtering, we implemented a new process for yielding thin VO2 layers which uses in situ annealing during the deposition. Layers fabricated with this newly implemented process demonstrate a clear phase transition typical for VO2.
|
|
|
Modelling electron energy-loss spectra of vanadium dioxide nanostructures
Kabát, Jiří ; Křápek, Vlastimil (referee) ; Konečná, Andrea (advisor)
This thesis concerns the characterization of optical modes in vanadium dioxide (VO2) nanostructures, mainly by simulating numerically electron energy loss spectroscopy (EELS) intensity. Among the studied optical modes, there are plasmons, phonons and Mie-type resonances, for which we performed a literature review. VO2 undergoes a phase transition when reaching a temperature of about 67 °C from the insulating phase to the metallic phase. This phase transition is connected to significant changes in optical properties, which offer potential uses in nanophotonics. The main part of the thesis is devoted to numerical simulations, which were firstly performed for thin VO2 slabs and then for VO2 nanoparticles. In simulations of VO2 nanoparticles in the metallic phase, we observed electron energy losses caused by plasmons and localized surface plasmons, which were then characterized and imaged by spacedependent EELS maps. In nanoparticles in the insulating phase, losses caused by phonon excitations and material absorption were observed. A new kind of loss contribution was observed for some geometries, potentially related to the Mie-type resonances.
|
|
|
Fabrication, optimization and in-situ characterization of thermally tunable vanadium dioxide nanostructures
Krpenský, Jan ; Maniš, Jaroslav (referee) ; Konečná, Andrea (advisor)
Oxid vanadičitý (VO2) přilákal v posledních desetiletích zvýšenou pozornost kvůli svému fázovému přechodu kov-izolant na teplotě okolo 68 °C. Tento fázový přechod je provázen změnou krystalové mříže z monoklinické (dielektrikum) na tetragonální (kov), smrštěním krystalové mříže v kovové fázi a výrazným rozdílem mezi transmisivitou v infračervené oblasti mezi oběma fázemi. Avšak výroba VO2 může být náročná kvůli jiným možným stochiometrickým konfiguracím jako je VO, V2O3 nebo V2O5. V posledních letech bylo použito mnoho výrobních technik, u kterých optimalizace výrobního procesu produkuje VxOy v požadované VO2 stochiometrii. V této práci je uvedeno shrnutí tří technik vhodných pro depozici tenkých vrstev VO2 a je popsán proces výroby tenkých vzorků (lamel), které jsou vhodné pro studium v transmisním elektronovém mikroskopu (TEM), pomocí fokusovaného iontového svazku (FIB). Použití TEM se zahříváním uvnitř komory pro charakterizaci VO2 vzorků produkuje cenné informace o mikrostruktuře VO2 pod i nad teplotou přechodu. Navíc dává spektroskopie energiových ztrát elektronů cenný vhled do změn různých stochiometrií VO2 v souvislosti s tloušťkou zkoumaného vzorku, zejména blízko hrany vzorku.
|
guest ::
