Cílem studia je poskytnout ve všech dílčích zaměřeních doktorské vzdělání absolventům vysokoškolského magisterského studia. Vytvořit interdisciplinární přehled současného vývoje, prohloubit teoretické základy ve zvoleném oboru, zvládnout metody vědecké práce, rozvíjet tvůrčí schopnosti a využít je při řešení vědeckého problému, který vyústí ve vypracování disertační práce přinášející vlastní původní přínos v daném oboru.

Absolvent oboru získá znalosti mezioborového charakteru z technických a přírodovědních disciplin na vysoké teoretické úrovni. Pro další samostatnou výzkumnou a vývojovou práci je vybaven vědomostmi zejména z fyziky polovodičů, kvantové elektroniky, matematického modelování a umí samostatně řešit problematikou spojenou s nanotechnologiemi. Uplatnění najde především jako vědecký pracovník základního nebo aplikovaného výzkumu při tvůrčím zavádění a využívání nových perspektivních a ekonomicky výhodných postupů v oblasti elektroniky, elektrotechniky, nedestruktivního testování spolehlivosti a materiálové analýze.

Absolvent oboru získá znalosti mezioborového charakteru z technických a přírodovědních disciplin na vysoké teoretické úrovni. Pro další samostatnou výzkumnou a vývojovou práci je vybaven vědomostmi zejména z fyziky polovodičů, kvantové elektroniky, matematického modelování a umí samostatně řešit problematikou spojenou s nanotechnologiemi. Uplatnění najde především jako vědecký pracovník základního nebo aplikovaného výzkumu při tvůrčím zavádění a využívání nových perspektivních a ekonomicky výhodných postupů v oblasti elektroniky, elektrotechniky, nedestruktivního testování spolehlivosti a materiálové analýze.

prof. RNDr. Pavel Tománek, CSc.

1. Absorpční vlastnosti termického plazmatu

   Významnou roli v mnoha technologických zařízeních využívajících plazmové procesy hraje radiační přenos energie. Experimentální sledování je velmi obtížné, proto se často přistupuje k matematickému modelování. Pro teoretické modelování je nutná znalost absorpčních vlastností plazmatu. Cílem práce je shromáždit atomární a molekulární data, která budou sloužit jako vstupní data pro výpočet koeficientů absorpce vybraných druhů plazmatu. Jedná se o vyhledávání dat v dostupných databázích na Internetu, jejich počítačové zpracování, vytvoření vlastní databáze ve tvaru vstupních souborů pro další počítačové zpracování.

   Školitel: Bartlová Milada, doc. RNDr., Ph.D.

2. Dielektrická spektroskopie materiálů s nízkou permitivitou

   Zmenšování rozměrů v integrovaných obvodech (dnes 32 nm) vede ke zvyšování kapacit mezi vodiči, a ve svém důsledku ke snižování rychlosti přenosu signálu. Limitujícím faktorem pro zvyšování výkonu IC se tak stávají nikoli již vlastnosti samotných polovodičových prvků, ale rychlost přenášení signálu mezi nimi, a tedy kapacit. Jednou z možností pro snižování kapacit mezi vodiči je snižování permitivity dielektrických izolačních vrstev (kapacita je přímo úměrná permitivitě použitého materiálu). Dnes jsou patrné dvě cesty, buď nahrazování polárních vazeb Si-O vazbami méně polárními (Si-F, Si-C) nebo zvyšování porozity (tj. vytváření směsi původního dielektrika se vzduchem). Nově navrhované materiály s nízkou permitivitou přitom nesmějí výrazně omezovat současně používané křemíkové technologie a dále musí být schopny absolvoval všechny výrobní kroky (včetně teplot cca 1100°C). Zpracování tématu si bude vyžadovat experimentální práce při přípravě vzorků, teoretické studium možností dosažení nízkých permitivit i měření elektrických vlastností vytvořených materiálových systémů. K dispozici je vybavení laboratoře dielektrické relaxační spektroskopie na Ústavu fyziky FEKT VUT v Brně s frekvenčním rozsahem cca 10^(-3) - 10^9 Hz, včetně héliového kryostatu pro teplotní interval 10 - 500 K.

   Školitel: Liedermann Karel, doc. Ing., CSc.

3. Dielektrické materiály s vysokou permitivitou

   Materiály s vysokou permitivitou jsou zapotřebí pro nové aplikace, např. v integrovaných obvodech další generace (32 nm) či v kondenzátorech. Ve výrobě kondenzátorů jsou materiály s vysokou permitivitou žádoucí pro dosažení vyšší hustoty energie v kondenzátoru, a tedy ke zmenšování rozměrů. Ve výrobě polovodičových prvků je materiálů s vysokou permitivitou zapotřebí pro zachování hradlové kapacity při zvyšování tloušťky izolační vrstvy, vynuceném nárůstem svodových proudu při jejím ztenčování. Vzhledem k tomu, že hledané materiály s vysokou permitivitou, určené pro použití v křemíkových technologiích, musí být schopny projít jednotlivými výrobními kroky bez poškození, jedná se většinou o oxidy některých kovů (ZrO_2, HfO_2, Al_2O_3, Y_2O_3, La_2O_3, Ta_2O_5). Navíc musí být tyto materiály na křemíku dlouhodobě stabilní. Analogicky u dielektrik pro kondenzátory se musí jednat o látky schopné snést vypalování, tj. v podstatě o keramické materiály. Zpracování tématu si bude vyžadovat experimentální práce při přípravě vzorků, teoretické studium fyzikálních příčin vysoké permitivity i měření elektrických vlastností vybraných materiálů. K dispozici je vybavení laboratoře dielektrické relaxační spektroskopie na Ústavu fyziky FEKT VUT v Brně s frekvenčním rozsahem cca 1E-3 - 1E9 Hz, včetně héliového kryostatu pro teplotní interval 10 - 500 K a řídícího softwaru.

   Školitel: Liedermann Karel, doc. Ing., CSc.

4. Dielektrické vlastnosti rostlinných olejů pro elektrotechniku

   V současné době se zvyšují požadavky na environmentální kompatibilitu izolačních olejů používaných v silnoproudé elektrotechnice, zejména na jejich biodegradabilitu, ovšem při zachování dosavadních standardně požadovaných vlastností, tj. vysoké elektrické pevnosti, vysoké rezistivity, nízké permitivity, dlouhodobé stability a nízké ceny. Těmto požadavkům vyhovují rostlinné oleje (např. ze lnu či řepky olejné), především metylestery či etylestery, někdy i triglyceridy, eventuálně i jejich synteticky vyráběné analogy. Mnohdy lze pro elektroizolační účely použít i obvyklé komerčně dostupné motorové oleje. Předmětem studia budou dielektrické vlastnosti rostlinných olejů, určených pro použití v silnoproudé elektrotechnice. Zvláštní pozornost by měla být věnována jejich vhodnosti při nízkých teplotách a dopadu konkrétní chemické struktury na jejich elektrické vlastnosti. Zpracování tématu si bude vyžadovat experimentální práce při přípravě vzorků, teoretické studium možností dosažení nízkých permitivit i měření elektrických vlastností vytvořených materiálových systémů. K dispozici je vybavení laboratoře dielektrické relaxační spektroskopie na Ústavu fyziky FEKT VUT v Brně s frekvenčním rozsahem cca 10-3 - 109 Hz, včetně héliového kryostatu pro teplotní interval 10 - 500 K.

   Školitel: Liedermann Karel, doc. Ing., CSc.

5. Elektrický transport v nanostrukturách

   V práci se bude vycházet z časopiseckého vyhledání doposud studovaných rozhraní mezi nanostrukturami (QD, QW aj.) a prostředím. Úkolem bude charakterizovat typ transportu přes toto rozhraní (např. rezonanční tunelování, přeskokový mechanizmus, Landauerův mechanizmus aj.) a vytvořit počítačovou simulaci transportu. Cílem je nalezení vztahu I = I(U) s užitím materiálových konstant prostředí a parametrů nanostruktury.

   Školitel: Hruška Pavel, doc. RNDr., CSc.

6. Elektro-ultrazvuková spektroskopie a elektromagnetická emise v pevných látkách

   Cíle disertační práce spočívají ve vytvoření modelu fyzikálního principu elektro-ultrazvukové spektroskopie a v analýze korelace výsledků této metody s metodou elektromagnetické emise. Speciální pozornost bude věnována experimentální studii horninových vzorků.

   Školitel: Sedlák Petr, doc. Ing., Ph.D.

7. Nedestruktivní lokální diagnostika optoelektronických součástek

   Nedestruktivní diagnostika a lokální charakterizace optoelektronických součástek. Studium charakteristik optoelektronických součástek v blízkém poli.

   Školitel: Tománek Pavel, prof. RNDr., CSc.

8. Optimalizace poměru signál-šum u senzorů plynů

   V průběhu řešení bude zkoumána závislost elektrického odporu FET tranzistoru na adsorpci molekul analyzovaných plynů na hradle FET tranzistoru a změna rezonanční frekvence krystalového QCM rezonátoru. V důsledku generačně rekombinačního šumu a šumu typu 1/f je citlivost omezena fluktuacemi výstupního napětí senzoru. Během řešení bude experimentálně sledovaná absolutní citlivost typů senzorů plynných látek a provedena jejich úprava z hlediska optimalizace poměru signál/šum tak, aby se dosáhlo maximální citlivosti.

   Školitel: Grmela Lubomír, prof. Ing., CSc.

9. Optimalizace poměru signál/šum u piezoelektrických senzorů pro detekci biologických látek

   Senzory založené na principu mikrovážek s křemennými krystaly (QCM) mají nanesené sorpční vrstvy s afinitou k molekulám detekované látky. Detekovaná látka (molekuly) reprezentují přírůstek hmotnosti a změnu viskózně elastických vlastností sorpční vrstvy, což vede ke změně rezonanční frekvence. Základem QCM senzorů je piezoelektrický krystal křemene, který osciluje na rezonanční frekvenci definovanou hmotnosti krystalu a ostatními parametry jako je geometrie, teplota atd. Cíle této disertační práce jsou dvojího charakteru: teoretická a experimentální studie fluktuačních procesů v piezoelektrických senzorech a optimalizace návrhu QCM senzorů s ohledem na zisk jejich maximální citlivosti.

   Školitel: Sedlák Petr, doc. Ing., Ph.D.

10. Počítačová fyzika pro nanovědy a nanotechnologie

    Úkolem je studovat energetická spektra nanostruktur a nanoprvků jako jsou kvantové tečky a kvantové dráty a získávat nové poznatky pomocí počítačového řešení Schroedingerovy rovnice se specifikovanými okrajovými podmínkami. Cílem je shrnout dosavadní počítačové postupya předložit jejich zdokonalené modifikace. Předpokládá se využítí toolboxu PDE Matlab a metody konečných elementů FEM rozpracované v Comsolu Multiphysics.

    Školitel: Hruška Pavel, doc. RNDr., CSc.

11. Pokročilé moderní metody pro studium parametrů polovodičových materiálů a součástek

    Při diagnostice defektů v polovodičových materiálech a součástkách je klíčovou otázkou určení základních parametrů sledované struktury, které jsou dále využity pro zjišťování a popis defektů. V současné době existuje k tomuto účelu řada metod, které však dávají často značně rozdílné výsledky. Cílem práce bude výzkum pokročilých moderních metod určování takových parametrů, jako jsou součinitel nárazové ionizace, koncentrační profily příměsí v PN přechodech a dalších. Získané výsledky budou využity pro návrh a ověření vhodných metodik pro měření a vyhodnocení vybraných parametrů konkrétních materiálů (Si, GaAsP) a součástek (křemíkové solární články, polovodičové diody).

    Školitel: Koktavý Pavel, prof. Ing., CSc. Ph.D.

12. Přenos záření v termickém plazmatu

    Radiační přenos energie výrazně ovlivňuje fyzikální procesy probíhající v plazmatu, hraje důležitou roli v mnoha zařízeních využívajících plazmové procesy, např. při tvorbě povrchů specifických vlastností, pro syntézu látek, likvidaci škodlivin, plazmovou metalurgii, apod. Cílem práce je pomocí aproximační metody diskrétních ordinát (SN-aproximace) najít řešení rovnice přenosu záření, získané výsledky pro vyzářenou energii a tok záření pro vybrané druhy plazmatu srovnat s již známými výsledky získanými jinými aproximačními metodami (metodou parciálních charakteristik, difuzní aproximací), diskutovat výhodnost a použitelnost jednotlivých výpočetních metod.

    Školitel: Bartlová Milada, doc. RNDr., Ph.D.

13. RTS šum v tranzistorech MOSFET

    Cílem práce je stanovení parametrů pastí v izolační vrstvě submikronových tranzistorů MOSFET na základě analýzy jejich šumových charakteristik, zejména šumu typu RTS (random telegraph noise). Experimentální část práce spočívá v měření teplotní závislosti šumu pomocí heliového kryostatu a studiu amplitudy a střední doby zachycení a emise jako funkce intenzity pole a koncentrace nosičů náboje v kanálu. Tyto výsledky pak budou použity pro zpřesnění generačně-rekombinačního modelu vzniku šumu a lokalizaci pastí.

    Školitel: Pavelka Jan, doc. Mgr., CSc. Ph.D.

14. Studium elektrických vlastnosti nanokompozitů

    Předmětem výzkumu budou dielektrické vlastnosti nanokompozitů pro elektrické izolace. Nanokompozity jsou založeny na epoxidové pryskyřici, v níž jsou rozptýleny společně mikročástice i nanočástice tvořené oxidem křemičitým SiO_2 i oxidem titaničitým TiO_2. Přítomnost nanočástic o rozměrech řádově 10 - 20 nm příznivě ovlivňuje odolnost nanokompozitů vůči částečným výbojům i vůči elektrickému treeingu, a tím i výšku průrazného napětí i schopnost odolávat degradaci. To pak ve svém důsledku vede k možnosti vyrábět elektrická zařízení (např. vn vypínače) s menšími rozměry a vyšší spolehlivostí. Zpracování tématu bude zahrnovat experimentální práce při přípravě vzorků, teoretické studium souvislostí mezi mikrofyzikální strukturou a elektrickými vlastnostmi i měření elektrických vlastností vybraných materiálů. K dispozici je vybavení laboratoře dielektrické relaxační spektroskopie na Ústavu fyziky FEKT VUT v Brně s frekvenčním rozsahem cca 1E-3 - 1E9 Hz, včetně héliového kryostatu pro teplotní interval 10 - 500 K a softwaru pro řízení měření.

    Školitel: Liedermann Karel, doc. Ing., CSc.

15. Studium elektronického šumu a transportu náboje v Nb2O5 oxidových nanovrstvách

    Cílem práce je studium elektronického šumu a transportu náboje v nanovrstvách pentoxidu niobu. Tenké vrstvy dielektrik s vysokou hodnotou relativní permitivity se využívají např. v integrovaných kondenzátorech pro dynamické paměti, nebo jako hradlový oxid v tenkovrstvových tranzistorech. Základním parametrem pro posouzení kvality a spolehlivosti je velikost zbytkového proudu, který prochází přes oxidovou vrstvu. Měření zbytkového proudu bude provedeno na planárních vzorcích a na vzorcích niob-oxidových kondenzátorů. Bude vyhodnocena korelace mezi velikostí zbytkového proudu a nízkofrekvenčním šumem pro různé hodnoty intenzity elektrického pole. V rámci doktorského studia možnost krátkodobé stáže u firmy AVX Lanškroun.

    Školitel: Sedláková Vlasta, doc. Ing., Ph.D.

16. Studium metod polarizace a rozptylu světla pro diagnostiku biologických tkání

    Studium strukturálních a optických modelů tkání s jednoduchým a vícenásobným rozptylem a s pravidelně a náhodně rozmístěnými rozptylovými centry. Studium polarizačních stavů vpřed a vzad rozptýleného světla.

    Školitel: Tománek Pavel, prof. RNDr., CSc.

17. Studium parametrů trhlin pomocí elektromagnetické a akustické emise

    Při mechanickém zatěžování elektricky nevodivých pevných látek dochází ke vzniku trhlin, který je provázen generací akustického (AE) a elektromagnetického (EME) signálu. Tyto signály lze využít pro sledování vznikajících trhlin, určování některých jejich parametrů, jejich lokalizaci a na základě toho provádět hodnocení míry porušení daného materiálu. Aplikace těchto metod lze využít například ve elektrotechnice, strojírenství a stavebnictví při diagnostice materiálů a konstrukcí nebo v geofyzice při predikci zemětřesení. Cílem práce bude posoudit možnosti určování primárních parametrů vznikajících trhlin a jejich lokalizace jak v klasických materiálech jako je beton nebo žula, tak i v moderních kompozitních materiálech určených pro konstrukční účely. Bude proveden rozbor vzniku a šíření signálů EME a AE ve sledovaných materiálech a vypracovány příslušné modely. Bude navržena a laboratorně ověřena metodika určování vybraných primárních parametrů a lokalizace vznikajících trhlin využitelná v diagnostice daných materiálů.

    Školitel: Koktavý Pavel, prof. Ing., CSc. Ph.D.

18. Transport náboje v oxidových vrstvách studenoemisních katod

    Cílem práce je studium vlastností a chování povrchových oxidových vrstev na ušlechtilých kovech používaných pro přípravu katod se studenou emisí. Používání těchto katod v dnešní době narůstá, poněvadž tyto katody nabízejí v porovnání s klasickými žhavenými katodami celou řadu výhod, mimo jiné podstatně vyšší proudovou hustotu emisních proudů. Kvalita katod se studenou emisí je značně ovlivňována přítomností oxidových vrstev, které se na jejich povrchu vytvářejí během anodické oxidace. V našem výzkumu bychom chtěli prostudovat původ šumu v emisním proudu, zejména v souvislosti se spolehlivostí emise z katod. Výzkum bude dále obsahovat studium různých faktorů ovlivňujících chování katod. Do práce buou zahrnuty studia oxidů ušlechtilých kovů, potenciálně vhodných pro katody se studenou emisí, studia metod k prevenci nárůstu oxidových vrstev samotných a studium možných úprav výrobní technologie.

    Školitel: Grmela Lubomír, prof. Ing., CSc.

19. Transport náboje v Ta2O5 oxidových nanovrstvách s aplikací na tantalové kondenzátory

    Cílem práce je studium transportu náboje v nanovrstvách pentoxidu tantalu, který slouží, mimo jiné, k vytváření dielektrické vrstvy tantalových kondenzátorů. Základním parametrem pro posouzení kvality a spolehlivosti kondenzátoru je velikost zbytkového proudu, který prochází přes oxidovou vrstvu. Měření zbytkového proudu bude provedeno na planárních vzorcích a na vzorcích tantalových kondenzátorů. Budou určeny základní mechanismy transportu náboje v oxidových vrstvách pro různé hodnoty intenzity elektrického pole. V rámci doktorského studia možnost krátkodobé stáže u firmy AVX Lanškroun.

    Školitel: Sedláková Vlasta, doc. Ing., Ph.D.

20. Využití metod umělé inteligence pro charakterizaci zdrojů akustické a elektromagnetické emise v pevných látkách

    Akustická emise je fyzikální jev, kdy v mechanicky nebo teplotně namáhaném materiálu dochází k prudkému uvolnění energie ve formě elastických vln. Signál akustické emise tak obsahuje užitečné informace o chování materiálu při zatížení, čehož se využívá pro sledování stavu nejen stavebních nebo leteckých konstrukcí ale i v materiálovém výzkumu. Důležitým aspektem je identifikace AE událostí souvisejících s tvorbou poruch za účasti silného časově proměnného šumu a jiných vnějších interferencí. Parametry událostí mohou identifikovat zdroje akustické emise, které jsou důležité pro studium chování jednotlivých materiálů. Cílem této práce je navrhnout nové přístupy pro analýzu signálu akustické emise založené na metodách umělé inteligence tak, aby se ulehčila charakterizace zdrojů akustické emise.

    Školitel: Sedlák Petr, doc. Ing., Ph.D.