Bachelor's Thesis

Microscopic and spectroscopic analysis of elementary 2D materials

Final Thesis 3.7 MB

Author of thesis: Bc. František Jeřábek

Acad. year: 2022/2023

Supervisor: prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.

Reviewer: Ing. Pavel Procházka, Ph.D.

Abstract:

This work presents an atomic-level mapping of the structures formed upon deposition of phosphorus on a Cu(111) single-crystal under ultra-high vacuum conditions. A comprehensive overview of the current advancements in the synthesis of black and blue phosphorene is provided, encompassing both experimental preparation techniques and predictions of degradation processes. The analysis employs atomically-resolved scanning tunneling microscopy and spectroscopy to examine three distinct structures characterized by varying levels of phosphorus coverage. Remarkably, this investigation succeeds in identifying a large-scale single-layer blue phosphorene. Furthermore, an in-situ examination of the stability of these structures is conducted, revealing the rapid degradation of blue phosphorene even within an ultra-high vacuum environment.

Keywords:

Phosphorene, 2D materials, STM, Cu(111), degradation, UHV.

Date of defence

22.06.2023

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

František Jeřábek si oblíbil rastrovací tunelovací mikroskopii, jejíž aplikaci pro analýzu dvojvrstvy fosforu si nakonec zvolil jako hlavní téma bakalářské práce. František byl iniciativní, velmi brzy se osamostatnil a v součinnosti s Jiřím Davidem vytvořil funkční minitým pracující na zadaném tématu. Chtěl bych vyzdvihnout jeho zapálení pro téma, běžně měřil po večerech a nocích a práci věnoval velké množství času, což je vzhledem k jeho dalším závazkům obdivuhodné. Prokázal schopnosti imterpretovat netriviální výsledky, které měřením získal, a v častým debatách přispěl několika nápady k sestavení pracovních hypotéz, jež pak sám ověřoval. Škoda, že se nepodařilo úspěšně získat i spektroskopická měření, to by však bylo výrazně nad rámec výborné bakalářské práce, kterou se mu podařilo připravit.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
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
Ing. Pavel Procházka, Ph.D.

Bakalářská práce Františka Jeřábka, zabývající se podrobnou STM analýzou vrstvy modrého fosforenu na povrchu měděného krystalu v různých stádiích růstu, je na velmi vysoké úrovni. Je až s podivem, že podrobná analýza tohoto systému v literatuře není prozatím ucelena. Práce je velmi podrobná a přehledně a logicky dělena na tři hlavní části: teorii, popis experimentálních metod a experimenty samotné.

Teoretická část je zaměřená výhradně na popis struktury a různých způsobů výroby vrstvy černého a modrého fosforenu na různých kovových substrátech. Velmi oceňuji úvodní popis struktury, který je pro pochopení výsledků nezbytný. V obou případech bych v obrázku i textu uvítal zmínku o vzdálenostech mezi horní a spodní vrstvou fosforenu, která je důležitá i při interpretaci naměřených dat. Z popisku u obrázku 1.1 mám pocit, že autor popisuje 2D mřížku, ale zahrnuje i atomy ve spodní vrstvě. Autor vhodně zvolil publikace pro popis současného stavu vývoje v dané oblasti, se zaměřením na růst fosforenu na kovových substrátech (popř. oxidu). Některá prohlášení bych v sekci trochu mírnil, popř. byl více specifický (v textu je uvedeno že modrý fosforen je rosten na těchto substrátech s (111) terminací, protože mají rozumně shodnou mřížkovou konstantu, ten rozdíl je ale značný pokud by se srovnal čísly). Srovnání substrátů Au, Ag a Cu pro růst fosforenu je tedy logickou volbou, zajímavé by bylo podrobnější srovnaní vztahu jejich reaktivity k typu růstu. I když byla druhá část teoretické práce (zaměřená právě na popis experimentů s různými substráty) dělena do odstavců podle experimentů, trochu obtížněji se mi zde dařilo soustředit na popis a vyhledávat v obrázcích. Velmi by pomohlo rozdělení této kapitoly do podkapitol, i když chápu, že autor se snažil upozornit na některé nekonzistentní výsledky v publikované literatuře, což oceňuji.

Popis experimentálních metod je také logicky uspořádána. U obrázku 2.1 bych se zaměřil na podstatné věci a měnil barvy, které vyústí v nečitelný text. Pro tuto práci není podstatný poměř šumu FTIR metody. V sekci 2.2.1 už by bylo vhodné zmínit, o jaký substrát se v této práci bude jednat. V sekci 2.2.2, ani v celé práci, jsem se nedozvěděl, na jakou teplotu se cela zahřívala. U popisu tabulky 2.1 bych sjednotil indexy. Určitě bych dodal parametry měření u obrázku 2.4, i když je ilustrativní. Velmi musím ocenit srovnání TEMu s LEEM metodou i obrázek 2.3.

Experimentální část práce ukazuje velké množství velmi zajímavých výsledků. Charakterizací růstu fosforenu na mědi přímo v LEEMu bylo nejdříve Bc. Jiřím Davidem pozorováno, že v závislosti na pokrytí dochází ke třem různým typům růstu. Autor se pak zaměřil na jejich STM charakterizaci. Naměřené výsledky jsou velmi kvalitní a je zřejmé, že se nejednalo a jednoduchý úkol. Při popisu LEEM obrázků není vhodně zvolen pojem kontrast. Obecně by při interpretaci STM výsledků bylo prospěšné používat (třeba i schematické) modely uspořádání atomů. Velmi by to usnadnilo představu STM obrázků a všech měřených struktur. Např. u první struktury mi není jasné, jestli jsou atomy fosforu součástí měděné mřížky, nebo na povrchu. Z profilu na obrázku 3.2 mohu usuzovat, že by mělo jít o jejich součást, ale v teoretické části práce je napsáno, že na Au jsou to adatomy. Sama tato struktura se mi zdá zajímavá. Není mi jasné, jestli se 3 pozorované periodicity objevují současně, nebo při různých teplotách substrátů. Poměrně pozdě v textu jsem se také dozvěděl, že se substrát při depozici zahřívá na 180 °C. V jednom obrázku je uvedeno, že byl substrát zahříván na při 160 °C, tak mi také není jasné zda to nemůže souviset s tímto. U třetí struktury je zajímavá změna difrakce, která není pozorována pomocí STM.

Po formální stránce je práce pečlivě napsána, s drobnými nedostatky jako jsou: špatná vzdálenost v obrázku 3.5b, přehozené označení profilu v popisu obrázku 3.4, chybějící informace k měření obrázku 3.1 a 3.7, nevysvětlení některých zkratek (ARPES, FOV, PES …, seznam zkratek sám o sobě je pečlivě zpracován), znaménka mínus, velikost mezer před jednotkami a několik překlepů (koncentrovaných převážně v popiscích obrázků). Obecně ale tyto drobné nedostatky nijak zvlášť tuto velmi kvalitní bakalářskou práci neovlivňují. Práci hodnotím výborně.
Evaluation criteria Grade
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 B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V úvodu zmiňujete, že grafen v okolí Diracových bodů vykazuje lineární závislost. Proč tomu tak je? A v jakém okolí?
  2. Vysvětlete rozdíl mezi pojmy kontrast a intenzita.
  3. Můžete upřesnit uspořádání povrchových atomů v první struktuře? Na čem závisí periodicita fosforenu?
  4. Uvádíte, že černý fosforen má 4 a modrý 2 atomy na jednotkové buňky. Proč?
  5. Máte nějaký model pro třetí zig-zag strukturu? Jaké periodicitě tedy náleží pozorovaný difrakční obrazec?
Display more

Grade proposed by reviewer: A