Master's Thesis

Optical characterization of advanced nanomaterials with a high lateral resolution

Final Thesis 12.41 MB

Author of thesis: Ing. Petr Liška

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: Ing. Petr Viewegh, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Filip Münz, Ph.D.

Abstract:

Advanced nanomaterials show a significant improvement in certain physical or functional properties compared to conventional materials. Such advanced materials are, for example, lead halide perovskites (LHP). It is a group of hybrid organic-inorganic materials with a direct bandgap exhibiting unique optical properties. The high quantum efficiency of photoluminescence makes nanocrystals or thin films of LHP suitable candidates
for the production of light-emitting diodes, solar cells and LCD displays. Their inexpensive and simple fabrication together with their unique optical properties makes LHP one of the most developed materials of the last decade.
This diploma thesis aims to study the optical properties of CsPbBr3 perovskite nanocrystals using high lateral resolution methods. CsPbBr3 perovskite nanocrystals show intense anti-Stokes photoluminescence. These nanocrystals can emit light with a lower wavelength than that of the light that causes their photoluminescence. The nanocrystals are prepared in two different ways: by evaporation or by crystallization of the precursor in a solution of dimethylformamide. The morphology, photoluminescence properties and chemical composition of individual nanocrystals are studied. Each nanocrystal is studied individually and its size, shape, photoluminescence properties and chemical compounds are determined, which leads to a deeper understanding of the anti-Stokes photoluminescence of perovskite nanocrystals.

Keywords:

lead halide perovskites, CsPbBr3, anti-Stokes photoluminescence, optical characterization, advanced nanomaterials

Date of defence

15.06.2021

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo diskutováno: Hloubkové profily. Sférická kvantová jáma. Student otázky zodpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

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)

Supervisor’s report
Ing. Petr Viewegh, Ph.D.

Studenta Bc. Petra Lišku považuji velmi systematického, vzorného a hlavně pracovitého studenta, který tuto píli projevil i do předložené diplomové práce. Student byl velmi soběstačný, osvojil si velké množství experimentálních technik a všechny zadané úkoly a cíle plnil na výbornou. Z formálního hlediska nelze práci téměř nic vytknout a navíc věřím, že z Bc. Petra Lišky bude vynikající vědec i pedagog, neboť jeho práce má i velmi vysoký pedagogický přínos, což nebývá u diplomových prací zvykem. Celkově je práce na velmi nadstandardní úrovni, a proto ji doporučuji k obhajobě s výslednou známkou 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 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
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Filip Münz, Ph.D.

Práce se dosti podrobně věnuje nanokrystalům perovskitových materiálů (CsPbBr3 z rodiny LHP) studovaných nejen z hlediska luminescence (jak klasické, tak up-konverzi, tedy vyzařování na vyšší energii než budící světlo, což je zásadní motivace pro použití těchto materiálů), ale také topografii pomocí AFM, SEM a prvkovou analýzu na bázi TOF-SIMS a XPS. Poslední jmenované náročné techniky ovšem autor neprováděl sám, výsledky jsou ale rozsáhle komentované, z čehož je vidět, že je autor pouze pasivně nepřevzal. Doplnil tak některé ne zcela úspěšné metody jako použití SNOM, které se nabízelo coby sub-difrakční optické mapování.
Příprava nanokrystalů probíhala buď napařováním nebo z kapalné fáze (kdy vzniká menší množství větších krystalů). Korelace mezi intenzitou či střední frekvencí luminiscence a parametry krystalů (vesměs odvozených od velikosti) je pak zásadním výstupem práce, kvalitativně bylo možné potvrdit shodu s modelem luminiscence kvantových teček pro efektivní hmotnosti elektron-děrových párů. Potenciál pokročilých metod jako jmenovaný SIMS ale možná nebyl zcela využit – přestože absolutní zastoupení jednotlivých prvků není možné snadno odvodit z měřeného signálu (může být ovlivněno mnoha faktory), vysoké prostorové rozlišení umožňuje ověřit, zda stechiometrické poměry jednotlivých krystalů perovskitu jsou ovlivněny velikostí nebo souvisejí s jejich tvarem nebo optickými vlastnostmi (nutno ovšem uvážit, že tato analytická metoda je destruktivní). 

Jazykově je práce sepsána pečlivě bez chyb a překlepů, pouze se některá souvětí vykazují podivné vazby (např. v závěru „principy zůstávají nezodpovězeny“). Grafy a obrázky mají velmi dobrou úroveň, mapy mají měřítka a osy jednotky (tam, kde je to relevantní). Detailní obrazy krystalů z korelovaného AFM-SEM měření jakož i přes 110 citací dává práci potenciál být dobrým výchozím materiálem pro zájemce o studium těchto nanokrystalů.
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 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
Topics for thesis defence:
  1. 1. Co se chápe pod pojmem fononově asistovaný 1-fotonový proces (jstr. 26) – jde o luminiscenční nebo Ramanův rozptyl?
  2. 2. Jaké byly výkony laserů užitých při srovnávání „Stokes“ a „anti-Stokes“ luminiscence? Jak stabilni byla emise (tedy i jaká je reprodukovatelnost naměřených map jako na obr. 4.11 nebo 4.17)?
  3. 3. Na obr. 4.7. se určuje úhel krystalové osy vzhledem k horizontálnímu směru na snímku, tato hodnota ale nemá velký význam, pokud se nevztáhne k orientaci krystalu substrátu (safír). Víme něco o vzájemné orientaci krystalových rovin substrátu a perovskitu?
  4. 4. Jaké prostorové rozlišení bylo podle vás dosaženo pro mapování anti-Stokesovské luminiscence? Jaké je kvantitativní srovnání s mapou „klasické“ luminiscence?
  5. 5. O jaký druh poškození krystalů se může jednat při beam-blankingu zmíněném na str. 62. V odd. 2.1.1. je vyzdvihována tolerance LHP vůči defektům, které jinak zhášejí luminiscenci.
  6. Připomínky: V datech z analýzy prvních depozic byly lumin. spektra fitována dvojicí píků. Místo pozičních map ukazujících změnu polohy těžistě spektra by bylo fyzikálnější mapovat poměr amplitud těchto 2 píků. Je možné, že pozorovaný posun polohy maxima u dalších map se dá také nahradit kombinací 2 píků s měnícími se amplitudami.
Display more

Grade proposed by reviewer: A