Application of Scanning Probe Microscope in Nanoscience and Nanotechnology

This doctoral thesis is devoted to application of Scanning Probe Microscopy (SPM) in nanoscience and nanotechnologies with the main focus on advanced Atomic Force Microscopy (AFM) techniques, such as conductive AFM (cAFM), Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), and their utilization in graphene research. First, a brief introduction to SPM techniques is provided and followed by a review of recent application of AFM and KPFM in characterization of graphene and graphene-based devices. Further, the doctoral thesis introduces a novel approach to combine AFM with Scanning Electron Microscopy (SEM). The review leads to estimation of main topics of doctoral research. These topics cover a study of electrical communication between separated graphene sheets, electrical properties of hydrogenated graphene and characterization of graphene-metal nanostructures used for biosensing. The work is further focused on a demonstration of correlative AFM/SEM imaging and on a technical realization of advanced techniques on AFM specially designed for integration into SEM. Each topic is discussed and supported by relevant experimental results. Finally, the prospects of future research is outlined.
Tato doktorská práce se zabývá rastrovací sondovou mikroskopií (Scanning Probe Microscopy – SPM) a jejím využitím v nanovědách a nanotechnologiích. Konkrétně je zde kladem důraz především na pokročilé techniky mikroskopie atomárních sil (Atomic Force Microscopy – AFM), jako je Kelvinova silová mikroskopie (Kelvin Probe Force Microscopy – KPFM) a vodivostní AFM. Samotné aplikace těchto technik jsou dále zaměřené zejména na oblast výzkumu grafenu. V práci je nejprve stručně rozebrán princip fungování SPM a následně jsou diskutovány jednotlivé aplikace AFM a KPFM zaměřené na charakterizaci vlastností jak samotného gafenu, tak i zařízeních fungujících na jeho bázi. Dále se práce zabývá možnostmi využití AFM integrovaného v jednom zařízení spolu se rastrovacím elektronovým mikroskopem (Scanning Electron Microscopy - SEM). Z tohoto přehledu vyplývají čtyři hlavní témata doktorského výzkumu, které se věnují studiu přesunu elektrikého náboje mezi grafenovými nanostrukturami, přípravě a charakterizaci hydrogenovaného grafenu a grafen-kovových hybridních struktur s uplatněním v biosensorice. Aspekty jednotlivých témat jsou následně podrobně rozebrány a podpořeny adekvátními experimentálními výsledky. Na závěr jsou nastíněny plány budoucího výzkumu týkajícího se těchto čtyř témat