studijní program

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie

Fakulta: FSIZkratka: D-FIN-PAk. rok: 2021/2022

Typ studijního programu: doktorský

Kód studijního programu: P0719D110004

Udělovaný akademický titul: Ph.D.

Jazyk výuky: čeština

Akreditace: 24.9.2020 - 24.9.2030

Forma studia

Prezenční studium

Standardní doba studia

4 roky

Garant programu

Oborová rada

Oblasti vzdělávání

Oblast Téma Podíl [%]
Fyzika Bez tematického okruhu 100

Cíle studia

Cílem doktorského studia v navrhovaném programu je příprava vysoce vzdělaných odborníků v oblasti fyzikálního inženýrství a nanotechnologií s dostatečnou zahraniční zkušeností, kteří budou schopni vykonávat samostatnou tvůrčí, vědeckou a výzkumnou činnost v akademické či aplikační sféře u nás i v zahraničí. Studium je založeno na vlastní tvůrčí a výzkumné práci doktorandů na úrovni standardně požadované na zahraničních pracovištích v oblastech výzkumu realizovaného na školicím pracovišti a podporovaného národními a mezinárodními projekty. Jedná se tyto oblasti aplikované fyziky: fyzika povrchů a nanostruktur, světelná a částicová optika a mikroskopie, konstrukce fyzikálních přístrojů a zařízení, mikromechanika materiálů.

Profil absolventa

Absolvent má znalosti, dovednosti a kompetence pro vlastní tvůrčí činnost v některé z oblastí, v nichž se realizují výzkumné aktivity školicího pracoviště. Jde o aplikace fyziky zejména v oblasti fyziky povrchů a nanostruktur, dvoudimenzionálních materiálů, nanoelektroniky, nanofotoniky, mikromagnetismu a spintroniky, biofotoniky, pokročilé světelné mikroskopie a spektroskopie, elektronové mikroskopie, laserové nanometrologie a spektroskopie, počítačem řízené rentgenové mikro a nanotomografie, mikro a nanomechaniky, vývoje technologických a analytických zařízení a metod pro mikro/nanotechnologie. K vysoké úrovni vzdělávání přispívá možnost využití personálního a materiálního zázemí poskytovaného výzkumnou infrastrukturou CEITEC a rovněž rozsáhlá spolupráce s významnými zahraničními pracovišti. To garantuje, že absolvent je schopen prezentovat ústně i písemně výsledky své práce a diskutovat o nich v angličtině. Vzhledem k vysokým odborným kompetencím a flexibilitě absolventi nalézají uplatnění jak v oblasti výzkumu na univerzitách a v jiných výzkumných institucích u nás i v zahraničí, tak v high-tech firmách v pozicích výzkumníků, vývojářů, konstruktérů či vedoucích týmů.

Charakteristika profesí

Vzhledem k vysokým odborným kompetencím a flexibilitě absolventi nalézají uplatnění jak v oblasti základního a aplikovaného výzkumu na univerzitách a v jiných výzkumných institucích u nás i v zahraničí, tak v hight-tech firmách v pozicích výzkumníků, vývojářů, konstruktérů či vedoucích týmů.

Podmínky splnění

Viz platné předpisy, Směrnice děkana Pravidla pro organizaci studia na fakultě (doplněk Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně).

Vytváření studijních plánů

Pravidla a podmínky pro tvorbu studijních programů určují:
ŘÁD STUDIJNÍCH PROGRAMŮ VUT,
STANDARDY STUDIJNÍCH PROGRAMŮ VUT,
STUDIJNÍ A ZKUŠEBNÍ ŘÁD VUT,
SMĚRNICE DĚKANA Pravidla pro organizaci studia na fakultě (doplněk Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně),
SMĚRNICE DĚKANA FSI Jednací řád oborových rad doktorských studijních programů FSI VUT v Brně.
Studium v DSP se neuskutečňuje v kreditovém systému. Klasifikační stupně jsou „prospěl“, „neprospěl“, u obhajoby disertační práce je výsledek „obhájil“, „neobhájil“.

Dostupnost pro zdravotně postižené

Na VUT jsou zohledněny potřeby rovného přístupu k vysokoškolskému vzdělávání. V přijímacím řízení ani ve studiu nedochází k přímé či nepřímé diskriminaci z žádných důvodů. Studujícím se specifickými vzdělávacími potřebami (poruchy učení, fyzický a smyslový handicap, chronická somatická onemocnění, poruchy autistického spektra, narušené komunikační schopnosti, psychická onemocnění) je poskytováno poradenství v poradenském centru VUT, které je součástí Institutu celoživotního vzdělávání VUT. Podrobně tuto problematiku řeší Směrnice rektora č. 11/2017 „Uchazeči a studenti se specifickými potřebami na VUT“. Rovněž je vytvořen funkční systém sociálních stipendií, který popisuje Směrnice rektora č. 71/2017 „Ubytovací a sociální stipendium“.

Návaznost na další typy studijních programů

Předkládaný doktorský studijní program představuje nejvyšší stupeň vzdělávání v oblasti fyzikálního inženýrství a nanotechnologií. Navazuje na akademiky zaměřený bakalářský a navazující magisterský studijní program „Fyzikální inženýrství a nanotechnologie“, které jsou uskutečňované na FSI VUT.

Vypsaná témata doktorského studijního programu

  1. Aplikace KPFM v senzorech a solárních článcích na bázi grafenu

    Kelvinova sondová mikroskopie (KPFM) je vynikající nástroj umožňující mapovat rozložení povrchového potenciálu lokálně až s nanometrovým rozlišením. Toho se dá s výhodou využít při studiu rozložení náboje na senzorech nanometrových rozměrů a při studiu p-n rozhraní solárních článků během jejich činnosti. Tato nová informace vedle obvykle studované proudové odezvy senzorů a napěťové odezvy solárních článků umožňuje lépe pochopit probíhající fyzikální procesy a využit této znalosti k odstraňování nedostatků stávajících zařízení a případně k návrhu zařízení s vyšší účinností. V práci bude nutné zvládnout obecné fyzikální principy KPFM, senzorů a solárních článků. Vhodným adeptem je absolvent magisterského studia z oblasti fyziky, elektrotechniky nebo chemie. Cíle: 1) Zvládnutí fyzikálních principů a měření senzorů a solárních článků na bázi grafenu. 2) Osvojení teoretické a praktické stránky KPFM. 3) Mapování rozložení náboje v blízkosti grafenového senzoru a návrh funkčně dokonalejších senzorů. 4) Mapování rozložení potenciálu na rozhraní grafenového-polovodičového solárního článku a návrh článku s vyšší účinností. 5) Adekvátní publikační výstupy a prezentace výsledků na mezinárodnhíc konferencích.

    Školitel: Bartošík Miroslav, doc. Ing., Ph.D.

  2. Buzení a detekce THz spinových vln pomocí plazmonických struktur

    Spinové vlny v THz oblasti přitahují stále větší pozornost v důsledku vysoké grupové rychlosti magnonů (strmá disperzní křivka) a jsou tak atraktivní pro návrh ultrarychlých spintronických zařízení [1]. Pro tyto účely mohou být použity antiferomagnetické materiály jako ortoferity kovů vzácných zemin (RFeO3), které mají zvlášt vysokou (THz) frekvenci spinové rezoznance [2] [3]. Nicméně, v důskedku nedostatku účinných zdrojů a detektorů v této frekvenční oblasti je fyzika THz magnonů nedostatečně zkoumána. Navrhované mezioborové PhD studium kombinující fotoniku a magnetismus se soustřeďuje na buzení a detekci THz spinových vln pomocí blízkých elektromagnetických polí zesílených plazmonickými rezonančními strukturami – anténami. To přináši nové podněty do dané oblasti. Antény budou vyrobeny na površích substrátů, ideálně na páscích nebo magnonických krystalech připravených z RFeO3 tenkých vrstev (např. TmFeO3) pomocí EBL/FIB v CEITECu. Poté budou magnony šířící se podél těchto struktur analyzovány pomocí mikro-spektrofotometru využívajícího Brillouinova světelného rozptylu (BLS) [4] metodou publikovanou v [5] a úspěšně ověřenou v CEITECu [6]. Dále, pro rozšíření detekční oblasti Brillouinovy zóny budou rovněž použity plazmonické rezonanční struktury zajišťující v oblastech zesíleného blízkého pole (tzv. “hot spots”) složky s vysokou hodnostou vlnového vektoru k [7]. V této PhD práci by měly být za účelem buzení a detekce magnonů optimalizovány plazmonické rezonanční struktury a dále laděny disperzní relace pomocí tvaru, rozměrů a periodicity pásků/magnonických krystalů, jakož i vnějšího magnetického pole. Jako podpůrné měření může být pro testování disperzních křivek magnonových polaritonů tenkých vrstev použita THz spektroskopie v časové doméně [3].

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  3. Celodielektrické metapovrchy

    Metapovrchy reprezentují nový druh nanofotonických zařízení, poskytujících nové funkční vlastnosti při jejich výrazné miniaturizaci. Jsou tak perspektivní pro překonání vlastností zajišťovaných klasickámi optickými prvky a zařízeními. Skládají se z nanoelementů s rozměry menšími, než je vlnová délka záření, a to buď kovových nebo dielektrických, které přispívají k utváření celkových optických vlastností pomocí modifikace fáze vyvolané rozptylem záření. Plazmonické metapovrchy, tedy ty tvořené kovovými nanoelementy, mají sníženou účinnost kvůli velkým ohmickým ztrátám v kovových strukturách. Z toho důvodu bude Ph.D. studie zaměřena na prozkoumání možností využití kompletně dielektrických metapovrchů využívajících Mieho rezonance [1] a poskytující nové funkcionality z hlediska manipulace s optickými vlastnostmi a tvarováním optického svazku. Speciální důraz bude kladen na (i) laditelné systémy s překrývajícími se magnetickými a elektrickými dipólovými rezonancemi, což může například vést současně k elektromagneticky indukované průhlednosti a zvýšené Faradayově rotaci [2] a dalším zajímavým jevům. Takovéto laděné systémy mohou najít své uplatnění jako citlivé detektory svého okolí, např. magnetických molekul, a také jako (ii) laditelné chirooptické povrchy [3]. Optické vlastnosti metapovrchů a jimi tvarované svazky budou studovány (i) metodami osvětlení a detekce vzdáleného pole. Navíc ke standardním metodám transmisní/reflexní mikro-spektroskopie bude využita originální metoda kvantitativního fázového zobrazení pomocí koherencí řízeného holografického mikroskopu (CCHM) [4], následována Q4GOM mikroskopií [5]. Touto široce uplatnitelnou technikou, kterou jsme uvedli do oboru metapovrchů, lze kvantitativně zobrazit v reálném čase s rozlišením až jediné nanoantény fáze záření rozptýleného/tvarovaného pomocí rezonátorů/metapovrchů přes celou plochu vzorku. Dále (ii) metoda osvětlení vzdáleného pole s detekcí v blízkém poli bude využita prostřednictvím spektroskopického a-SNOM [6]. Reference: [1] Dielectric Metamaterials: Fundamental, designs, and applications, ed. by I. Brener et al., Elseviere – Woodhead publishing series, 2020. [2] A. Christophi, …, A. B. Khanikaev, Opt. Lett. 43, 8, 2018. [3] I. Zubritskaya, …, A. Dmitriev, Nano Lett. 18, 302−307, 2018. [4] J. Babocký, V. Křápek, ..., T. Šikola, ACS Photonics 4, 1389, 2017. [5] P. Bouchal, P. Dvořák, F. Ligmajer, M. Hrtoň, V. Křápek, ..., T. Šikola, Nano Lett. 19, 1242, 2019. [6] P. Dvořák, ..., T. Šikola, Nano Lett. 13, 2558, 2013.

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  4. Detektory UV záření na bázi nanostruktur GaN/Grafén

    PhD studium bude zaměřeno na řešení komplexních problémů souvisejících s vývojem UV detektorů na základě GaN(Ga)/grafenových nanostruktur. Úvodní část studia bude zaměřena na přípravu Ga a GaN nanostruktur na polykrystalickém i monokrystalickém grafenu nízkoteplotní depoziční metodou. Nízkoteplotní růst nanokrystalů GaN bude realizován v UHV prostředí kombinací PVD technologií, jako je depozice atomů Ga a post-nitridace iontovým svazkem o nízké energií (50 eV) za použití unikátního zdroje iontově-atomárních svazků [1]. Růst GaN bude realizován při mnohem nižších teplotách (T <250 ° C) než u konvenčních technologií (např. MOCVD, 1000 °C). Následně bude studován vztah mezi parametry/funkčními vlastnostmi nanostruktur Ga a GaN a depozičními podmínkami. Komplexní charakterizace nanostruktur Ga (GaN) / grafenu bude prováděna pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM), rastrovací sondové mikroskopie (AFM, EFM, SKFM), Ramanovy spektroskopie, fotoluminiscenční mikrospektroskopie atd. Na závěr bude studována elektrická odezva nanostruktur na UV záření pomocí FET-systémů využívajících tyto optimalizované nanostruktury jako fotocitlivé elementy. Reference: [1] J. Mach, P. Procházka, M. Bartošík, D. Nezval, J. Piastek, J. Hulva, V. Švarc, M. Konečný, and T. Šikola, Nanotechnology, Vol. 28, N. 41 (2017).

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  5. DFT výpočty grafenu a příbuzných 2D materiálů s ohledem na uplatnění v senzorice/biosenzorice

    Vzhledem ke své biokompatibilitě, vysoké pohyblivosti nosičů náboje a značné citlivosti elektronických vlastností na přítomnost už i jednotlivých adsorbovaných i substituovaných atomů a molekul, je grafen vhodným materiálem pro využití v oblasti senzorů a biosenzorů. Výpočty na bázi funkcionálu hustoty (DFT) umožňují z prvních principů určit vliv adsorbantů i substitutů na elektronické vlastnosti grafenu a dalších 2D materiálů, které jsou klíčové pro pochopení fyzikální podstaty fungování těchto zařízení. Předmětem této doktorské práce je studium uvedené problematiky s využitím DFT výpočtů v širším teoretickém kontextu, jakož i výpočetní podpora experimentů prováděných v rámci skupiny. Z tohoto důvodu je tato doktorská práce vhodná pro člověka s dobrým teoretickým zázemím v kvantové mechanice, fyzice pevných látek, a praktickými znalostmi DFT výpočtů a příslušného zpracování dat.

    Školitel: Bartošík Miroslav, doc. Ing., Ph.D.

  6. Elektronová pinzeta a vývoj nových aplikací

    Dizertační práce se bude zabývat vývojem elektronové pinzety, která umožňuje hýbat kapkami eutektických kapalin po povrchu polovodičů. Elektronová pinzeta využívá fokusovaného elektronového svazku a je již testována v mikroskopu UHV-SEM, vyvinutém ve spolupráci s firmou TESCAN. Během řízeného pohybu kapka obsahující zlato může například leptat či jinak modifikovat povrchu polovodičů (germania, křemíku). Disertační práce by se měla věnovat interakci různých eutektických kapek s různými substráty včetně 2D materiálů (grafen apod.). Součásti práce bude optimalizace tohoto procesu včetně jeho sledování v reálném čase pomocí UHV-SEM mikroskopu.

    Školitel: Průša Stanislav, doc. Ing., Ph.D.

  7. Fyzikální modelování turbulentní Rayleigh-Bénardovy konvekce za rotace

    Rotující Rayleigh-Bénardova konvekce (RBC) představuje všeobecně uznávaný fyzikální model pro studium proudění, které je ovlivněné současným působením rotačních a vztlakových sil. Fyzikální systémy, jejichž dynamika je silně ovlivněna těmito silami, zahrnují například nitro obřích planet a rychle rotujících hvězd, vnější konvektivní slupku Země a konvekci v oceánech. Rotace generuje různé režimy v RBC, jež se projevují v efektivitě tepelného přenosu charakterizovaného Nusseltovým číslem a ve struktuře proudění (tvaru velkých koherentních struktur) odlišné od nerotující RBC. V Oberbeck- Boussinesq aproximaci je dynamika rotující RBC s konstantní úhlovou rychlostí popsána třemi podobnostními čísly, Rayleighovým číslem Ra, Prandtlovým číslem Pr a Ekmanovým číslem Ek, které je poměrem viskózní a Coriolisovy síly (klesající Ek koresponduje s rostoucí úhlovou rychlostí). V případě velkorozměrových geofyzikálních a astrofyzikálních systémů jako jsou Země nebo Slunce, uvedená podobnostní čísla dosahují extrémních hodnot, například pro plášť Země se odhadují hodnoty Ra∼1E20–1E30 a Ek∼1E-15. Současné přímé numerické simulace chování rotující RBC jsou z technických důvodů omezeny na rozsahy Ra <~ 1E7 and Ek >~ 1E−6. PhD studium bude zaměřeno na experimentální studium rotující RBC za extrémních hodnot těchto podobnostních čísel v laboratoři Skupiny kryogeniky a supravodivosti, Ústavu přístrojové techniky AV ČR. Naše unikátní RBC aparatura s rotační platformou, s využitím kryogenního heliového plynu o teplotě 5 K jako pracovní tekutiny, umožňuje dosáhnout hodnot podobnostních čísel v rozsahu: 1E6 < Ra < 1E15 a 10-8 < Ek < 10-5. Doktorand bude členem řešitelského kolektivu projektu základního výzkumu GAČR (20-00918S), jenž je řešen ve spolupráci s naší partnerskou laboratoří vedenou prof. L. Skrbkem (MFF UK).

    Školitel: Urban Pavel, Ing., Ph.D.

  8. In-situ mikroskopie a spektroskopie růstu 2D materiálů

    Experimentální studium růstových módů dvojdimensionálních materiálů pomocí elektronové mikroskopie je z mnoha důvodů obtížné. Naše skupina disponuje značným know-how v oblasti použití elektronové mikroskopie v reakčních podmínkách a v reálném čase a zejména špičkovým experimentálním vybavením (LEEM, FTIR v UHV a SEM pro pozorování v extrémních podmínkách). Cílem této disertační práce bude studovat růstové módy 2D materiálů (dichalkogenidy přechodných kovů, prvky IV skupiny atd.) a jejich vlastnosti pomocí pokročilé mikroskopie a spektroskopie v UHV i za vysoké teploty a tlaku.

    Školitel: Kolíbal Miroslav, doc. Ing., Ph.D.

  9. In-situ příprava a modifikace dvourozměrných nanostruktur

    Experimentální studium růstových módů nanostruktur je z mnoha důvodů obtížné. Přes tyto obtíže bylo největších pokroků dosaženo použitím technik umožňujících pozorovat růst nanostruktur v reálném časem (pomocí mikroskopie i spektroskopie). Naše skupina disponuje značným know-how v oblasti použití elektronové mikroskopie s pomalými elektrony v reakčních podmínkách a v reálném čase. V laboratořích CF Nano je nově instalována Fourierova infračervená spektroskopie. Cílem této disertační práce bude studovat růstové módy dvourozměrných nanostruktur (silicén, fosforén, selenidy transitních kovů atd.) pomocí špičkového experimentálního vybavení, dále studium interakce těchto materiálů s elektrony a oxidace.

    Školitel: Kolíbal Miroslav, doc. Ing., Ph.D.

  10. Mapování plasmonických modů

    Lokalizované povrchové plasmony (LSP) buzené v kovových nanočásticích (plasmonické antény) mohou vykazovat různé mody lišící se v energií, rozložení nábojů (dipóly vs multipóly) a radiaci (světlé a temné mody). Jednou z nejefektivnějších metod umožňujících buzení a charakterizaci-mapování těchto modů v jednotlivých anténách je spektroskopie ztrát energie elektronů (EELS) realizovaná pomocí rastrovací transmisní elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením (HR STEM). PhD studium se zaměří na aplikaci HR STEM-EELS pro mapování LSP modu v plasmonických anténách. Pozornost bude věnována zejména výzkumu hybridizovaných modů vázaných anténních struktur anebo silné vazbě mezi mody v plasmonických anténách a excitacemi v jejich okolních prostředích. Těmito excitacemi budou polaritony v kvantových tečkách v okolí antén (viditelná oblast) anebo fonony v absorbujících substrátech-membránách antén (IR – mid IR). V prvním případě experimenty budou realizovány pomocí HR STEM-EELS umístěném v infrastruktuře CEITEC Nano (Titan), v druhém případě pomocí mikroskopu Nion UltraSTEM nacházejícím se v některé ze zahraničních laboratoři (např. Národní laboratoř v Oak Ridge)

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  11. Metody numerického zpracování experimentálních dat pro zobrazovací spektroskopickou reflektometrii v rámci optické charakterizace tenkých pevných vrstev

    Obsahem práce je nalézt efektivní výpočetní algoritmy zpracování velkých souborů experimentálních dat získaných zobrazovacím spektroskopickým reflektometrem (postaveným v Laboratoři koherenční optiky ÚFI FSI VUT v Brně) z neuniformních tenkých vrstev pro určení optických parametrů těchto vrstev. Cílem je realizovat výše zmíněné algoritmy ve formě softwaru.

    Školitel: Ohlídal Miloslav, prof. RNDr., CSc.

  12. Mikro obrábění fotonických struktur femto sekundovým pulzním laserem.

    Mikro obrábění femto sekundovým pulzním laserem je velmi výkonná technologie pro tvorbu fotonických struktur. Jedná se o bez maskovou technologii, která je schopná rychlého prototypování 3D objektů a lze jí produkovat složité mikrosystémy s pokročilými funkcemi. Umožňuje výrobu trojrozměrných fotonických mikrosystémů mnohem snadněji než elektronová litografie. V oblasti mikro optiky se jedná o velmi slibnou technologii, která umožňuje inovativní aplikace. Velmi jednoduše lze s využitím polymerů provést konverzi technologie ze subtraktivní na aditivní. A jako jedna z mála technologií je schopna tvorby vlnovodů přímo v objemu optického prvku. Cílem dizertační práce bude vývoj pracovní stanice obsahující systémy pro progresivní tvarování laserového svazku, které prostorovou a časovou modifikací fs laserového svazku umožní generování 3D fotonických struktur se zaměřením na refrakční a reflexní optiku vysokou rychlostí s detaily pod difrakční limitou. Nedílnou součástí práce bude i nezbytné fyzikální a technické pozadí konstrukce zařízení, optické návrhy zařízení a mikro struktur, měření optických parametrů vyrobených fotonických struktur.

    Školitel: Šerý Mojmír, Ing., Ph.D.

  13. Mikroskopie s využitím geometricko-fázových optických prvků

    Geometricko-fázové optické prvky představují nový nástroj pro komplexní tvarování světla a generování speciálních světelných stavů. Na rozdíl od tradičních refraktivních prvků, geometricko-fázové prvky tvarují světlo pomocí transformace jeho polarizačního stavu. Díky technologii tekutých krystalů, nebo principům plazmoniky, umožňují geometricko-fázové prvky provádět náhlé změny fáze na fyzicky tenkých substrátech. Jejich kompaktní rozměry a unikátní polarizační vlastnosti z nich dělají ideální kandidáty na jednoduše integrovatelné prostorové modulátory světla. Tématem disertační práce je nalezení a ověření potenciálu geometricko-fázových prvků v jednocestné digitální holografii a pokročilé optické mikroskopii

    Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.

  14. Modelování a simulace funkčních vlastností nanostruktur pro  oblast  plazmoniky

    For detailed info please contact the supervisor.

    Školitel: Kalousek Radek, doc. Ing., Ph.D.

  15. Multi-modální minimálně invazivní endoskop pro hloubkové zobrazování mozku

    Metody holografické endoskopie zažívají v poslední době nebývalý rozvoj, umožňují zobrazování hluboko v tkáni živých organismů, včetně mozku se sub-buněčným rozlišením. Laboratoř Komplexní fotoniky (vedená Pro. Tomášem Čižmárem) se zabývá vývojem nejmodernějších endoskopů založených na multi-modových vláknech a jejich aplikacemi pro zobrazení mozku myších modelů in vivo. Tyto minimálně invazivní endoskopy můžou být zavedeny do struktur mozku ležících hluboko pod mozkovou kůrou, jejichž zobrazení není dostupné v podobném rozlišení žádnou jinou metodou. Tato doktorská práce bude zaměřena na rozšíření funkce systému o dvě nové modality: optickou manipulaci buněk pomocí optogenetiky a extracelulární elektrofyziologii. Optogenetika je unikátní nástroj, který umožňuje manipulaci buněčné aktivity světlem. Elektrofyziologická měření jsou zlatým standardem v neurovědách za posledních padesát let. Umožňují záznam potenciálů blízkého pole (local field potentails, LFP) a jednotkovou aktivitu neuronů (multi unit aktivity, MUA). Tyto modality budou implementovány na stejnou tenkou endoskopickou sondu, která slouží i k zobrazování. Implementace elektrofyziologie bude ve spolupráci s Prof. Massimem de Vittorio a Dr. Ferruciem Pisanellem (Instituto Italiano de Technologia). Kandidát/ka bude vyvíjet/modifikovat optické sestavy a software pro řízení experimentu, záznam dat a jejich zpracování (Lab View, Matlab, C++). Zkušenosti s programováním, stavbou optických sestav, mikroskopií, fluorescenční mikroskopií či elektrofyziologií jsou výhodou. Projekt bude realizován na Ústavu přístrojové techniky Akademie věd České Republiky s možností plného úvazku. Doktorand bude součástí projektu Evropské komise „DEEPER: Deep brain photonic tools for cell-type specific targeting of neural diseases“, který je financovaný v rámci schématu Evropské Unie Horizon 2020, výzkum a inovace a právě na ústavu startuje. Toto konsorcium sdružuje světové špičky v oblasti molekulárních fotonických nástrojů, optických technologií, pre-klinickém a klinickém výzkumu a inovativní start-upy ve snaze vyvinout nové nástroje pro odhalení a boj s patologií neurologických onemocnění.

    Školitel: Čižmár Tomáš, prof. Mgr., Ph.D.

  16. Nanofotonika využívající materiály s fázovou přeměnou

    Nanofotonika v sobě zahrnuje celou škálu specificky nanostrukturovaných povrchů, které umožňují řídit chod světelných paprsků, přičemž hrají roli optických komponent ve volném prostoru i těch integrovaných. Zavedení materiálů s fázovou přeměnou do nanofotonických zařízení přináší možnost ladit nebo přepínat vlastností těchto zařízení a proměnit je v aktivní optické prvky. Tato dizertační práce bude zaměřena na začlenění materiálů s fázovou přeměnou (jako VO2, Sb2S3 nebo Ge2Sb2Te5) do různých nanofotonických zařízení, přičemž hlavním cílem je optická kontrola výsledných laditelných optických komponent.

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  17. Nové efekty ve vlnovodných nanofotonických strukturách

    Teoretická analýza nových optických jevů a funkcionalit, kterých lze dosáhnout v moderních nanofotonických vlnovodných strukturách, je nemožná bez využití přiměřených a výkonných numerických nástrojů. Cílem projektu je vývoj takových metod, které budou založeny na rozkladu do vlastních modů. Následně se předpokládá aplikace metod k řešení některých vybraných zajímavých problémů, v úvahu připadají tato témata: nanophotonická pole, která podporují vázané stavy v kontinuu; problémy spojené s kompenzacemi ztrát v plazmonických strukturách; systémy se ziskem a ztrátami, kdy se předpokládá realistický model aktivního prostředí založený na vázaných rovnicích pro inverzní populaci; modulace v hybridních vlnovodech s grafenem.

    Školitel: Petráček Jiří, prof. RNDr., Dr.

  18. Optická charakterizace pokročilých materiálů a nanostruktur

    Nanostruktury mohou díky svým rozměrům srovnatelných s vlnovou délkou použitého světla přímo ovlivnit vlastnosti odražené nebo procházející elektromagnetické vlny. Věda zkoumající interakci elektromagnetické vlny a nanostruktur se nazývá nanofotonika. Ta nachází uplatnění například ve fotovoltaice nebo zesílené optické spektroskopii. Kromě velikosti a tvaru nanostruktur lze také světlo ovlivňovat pomocí jejich materiálových vlastností. V poslední době se řada vědeckých týmu zaměřuje právě na tyto opticky aktivní pokročilé materiály jako jsou například perovskity nebo 2D vrstvy dichalkogenidů přechodných kovů (TMD). Tyto pokročilé materiály lze velmi často opticky charakterizovat pomocí fotoluminiscence (PL), a to především pomocí konfokální optické spektroskopie, pomocí časově rozlišitelné spektroskopie nebo pomocí rastrovací optické mikroskopie v blízkém poli. Všechny tyto experimentální techniky, ale i příslušné numerické simulace (např. FDTD, DFT, BEM) jsou k dispozici na Ústavu fyzikálního inženýrství FSI VUT a budou představovat hlavní nástroje pro řešení zadání doktorského studia.

    Školitel: Kalousek Radek, doc. Ing., Ph.D.

  19. Pokročilá rastrovací sondová mikroskopie funkčních materiálů a nanostruktur

    Tato práce se bude zabývat charakterizací a přípravou pokročilých materiálů a nanostruktur rastrovací sondovou mikroskopií (SPM) kombinovanou s elektronovou mikroskopií (SEM), měřením jejích fyzikálních vlastností (např. katodoluminiscence, optické vlastnosti) s cílem korelovat tato měření s morfologií povrchů (CPEM). Součástí studia bude vývoj pokročilých SPM sond nové generace, které budou využívány jednak pro in situ modifikaci vlastností vzorků (např. přiloženým napětím, dopadajícím světlem nebo přivedeným pracovním médiem do blízkosti povrchu vzorku), jednak k přípravě nanostruktur samotných.

    Školitel: Spousta Jiří, prof. RNDr., Ph.D.

  20. Pokročilé techniky přípravy řezů moderních materiálů pro zobrazování pomocí SEM

    Pozorování řezů vzorků pomocí rastrovací elektronové mikroskopie může poskytnout důležité informace pro výzkum a vývoj materiálů a také pro analýzu poruch. Řez se obvykle připravuje pomocí mechanických metod, jako je leštění nebo mikrotom. Tyto metody jsou časově náročné a vyžadují velmi zkušeného operátora. Mohou zanášet artefakty do měkkých materiálů, deformovat materiál kolem dutin nebo stlačovat vrstvy měkkých a tvrdých materiálů v kompozitních vzorcích. Systém FIB (Focused Ion Beam) se používá hlavně v případě, kdy je předně definováno umístění řezu, jako například v případě tenkých filmů. Velikost výsledného řezu je však omezená a těžké ionty galia ve svazku mohou povrch vzorku poškodit. Plazma FIB poskytuje efektivní řešení pro přípravu velkoplošných řezů, avšak tato technika není vhodná pro citlivé materiály. Současná generace iontových leštiček využívající svazek iontů argonu umožňuje připravit skutečně reprezentativní průřezy vzorků téměř bez artefaktů a zkreslení. Použití širokého iontového paprsku argonu eliminuje problémy spojené s konvenčním leštěním a umožňuje precizní přípravu větších vzorků. Nicméně vyladění leštícího procesu za účelem dosažení perfektního povrchu není triviální. Příprava řezů pomocí ultramikrotomu, laserovým paprskem nebo řezání vodním paprskem je méně známá, může však také přinést zajímavé výsledky. Tato dizertační práce poskytne ucelený přehled standardních a pokročilých metod pro přípravu řezů vzorků. Cílem práce je experimentální srovnání výše uvedených technik pro přípravu řezů vzorků, diskuse o jejich kladech a záporech a objasnění mechanismu poškození vzorků připravených těmito metodami. Vzorky budou charakterizovány pokročilými technikami elektronové mikroskopie, včetně nízkonapěťového STEM s atomovým rozlišením.

    Školitel: Mikmeková Šárka, Ing. Mgr., Ph.D.

  21. Pokročilé zobrazovací techniky v elektronové mikroskopii

    Cílem disertační práce je instrumentální a metodologický vývoj v oblasti rastrovací elektronové mikroskopie (REM), který bude zahrnovat zejména 4D-STEM zobrazování radiačně citlivých vzorků pomocí 2D detektoru schopného přímou detekci prošlých elektronů. Součástí práce bude vývoj metodiky přípravy a zobrazování vzorků citlivých na ozáření elektronovým a iontovým svazkem. V rámci práce bude vytvořen návrh postupů zpracování naměřených 4D dat, což přispěje k vývoji moderních difraktivních technik v elektronové mikroskopii. Metodiky budou aplikovány především na biologické vzorky a jejich kombinace s nanočásticemi, jež hrají důležitou roli v medicíně, farmakologii apod. Projekt bude realizován na Ústavu přístrojové techniky (ÚPT) Akademie věd České Republiky s možností částečného/plného úvazku. Doktorand bude členem několika projektů typu TAČR a GAČR, které v současné době probíhají na ÚPT.

    Školitel: Kryžánek Vladislav, Ing., Ph.D.

  22. Příprava a charakterizace oxidů ferroelektrik s upraveným pásem zakázaných energií pro využití ve fotovoltaice

    Přímá přeměna slunečního záření na elektřinu je velmi elegantní metoda výroby obnovitelné energie šetrné k životnímu prostředí. Toto vědní odvětví je známé jako fotovoltaika (PV). V poslední se době se ferroelektrické (FE) solární články staly velmi populárními mezi různými výzkumnými skupinami po celém světě díky jejich jedinečným vlastnostem, například skutečnosti že napětí naprázdno (VOC) je vyšší než pás zakázaných energií a dále dochází ke spontánní polarizaci, což je příčinou fotovoltaického efektu. Aktuálními problémy FE PV jsou: i) široký pás zakázaných energií (Eg), který se blíží 3 eV pro většinu FE PV, ii) špatná absorpce slunečního světla, iii) krátká životnost generovaných nosičů náboje a iv) nízká pohyblivost nosičů náboje. Cíle této disertační práce jsou: i) zmenšit pás zakázaných energií vybraných FE materiálů, které obvykle mají pás zakázaných energií v rozmezí 2 až 4 eV prostřednictvím dopování. ii) Hybridizace materiálů s organickým singletovým excitonovým štěpením (SF) s anorganickými FE materiály za účelem syntézy epitaxních FE fotovoltaických (PV) vrstev. iii) Výzkum elektrických a optických vlastností získaných FE-PV. iv) Porozumění mechanismu přeměny sluneční energie v zařízeních FE-PV. FE-PV tenké vrstvy budou připravovány pomocí fyzikálních depozičních metod, například magnetronovým naprašováním, pulzní laserovou depozicí a molekulární svazkovou epitaxí. Získané vrstvy budou charakterizovány rtg difrakcí, fotoelektronovou spektroskopií (XPS), rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM), a pomocí rastrovacího transmisního mikroskopu s vysokým rozlišením (HR STEM) a podobně. Navíc budou studovány optické a elektrické vlastnosti materiálu.

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  23. Topologické izolátory a topologické supravodiče

    Topologické izolátory (TI) jsou charakteristické tím, že ačkoli jsou objemovým nevodičem, mají vodivý povrch a představují tak jedinečné vlastnosti kvantového stavu materiálu. Proto jsme nyní svědky enormního zájmu o tyto materiály. Předpokládá se, že materiály TI mají velký potenciál sloužit jako platforma pro spintroniku, a to především kvůli jejich elektronickým stavům ovládaných spinem. Tyto stavy by mohly otevřít nové cesty pro vznik aplikací ve spintronice, kvantových počítačích a magnetoelektrických zařízeních. Kromě toho se předpokládá, že propojení TI se supravodivými vrstvami dá vzniknout dosud nepoznaným fyzikálním jevům - od indukovaných magnetických monopólů po fermiony Majoranova typu. Cílem této disertační práce je i) syntetizovat teoreticky studované topologické izolátory a ii) zkoumat topologické supravodiče, vytvořené hybridizací TI a supravodivých materiálů. Tenké vrstvy TI a supravodičů budou vyráběny pomocí fyzikálních depozičních metod, použitím magnetronového narprašování a pulzní laserové depozice a epitaxní depozicí z molekulárních svazků. Získané vrstvy budou charakterizovány rentgenovou difrakční metodou, rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS), rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM) a HR (S)TEM. Magnetické vlastnosti materiálů budou zkoumány pomocí magnetometru (VSM). Na připravených vzorcích budou rovněž prováděna magneto-transportní měření.

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  24. Topologické mody ve fotonických polích a mřížkách

    Topologie se zabývá veličinami, které se zachovávají při spojitých deformacích. Využití konceptů topologie ve fotonice přineslo překvapivé výsledky, které by mohly umožnit řadu zajímavých aplikací. Výzkum byl inspirován objevem topologických izolátorů, v nichž se elektrony v tzv. topologicky chráněných stavech šíří bez rozptylu i za přítomnosti poruch. Podobně lze vytvořit fotonická topologická pole, vykazující topologicky chráněné stavy světla. Podle dohody se práce zaměří na teoretický výzkum topologických stavů ve vybrané fotonické struktuře; v úvahu přichází např. pole nanočástic nebo plazmonických vlnovodů. Při studiu se předpokládá buďto vývoj vlastních metod nebo využití komerčního software (např. Lumerical, Comsol).

    Školitel: Petráček Jiří, prof. RNDr., Dr.

  25. Transportní vlastnosti 2D materálů

    Práce se zaměří na studium transportních vlastností 2D materiálů (grafén, dichalkogenidy přechodových kovů,...) modifikovaných rozličnými vrstvami adśorbentů. Důraz bude dán na in situ-měření vlastností za dobře definovaných UHV podmínek a následně na jejich využití v sensorických a dalších aplikacích.

    Školitel: Bartošík Miroslav, doc. Ing., Ph.D.

  26. Využití plazmmonických nanostruktur pro lokální posílení magnetických složek elektromagnetických polí

    The study will be aimed at design, fabrication, and characterization of resonant plasmonic nano- and micro-structures (“diabolo” antennas, split ring resonators, etc.) providing a significant local enhancement of magnetic components of electromagnetic fields. The structures with resonant properties particularly in the IR and THz will be studied, with respect to their potential applications in relevant spectroscopic methods.

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  27. Vývoj opto-mechanické sestavy spektroskopie laserem buzeného plazmatu pro in-situ analýzu

    Analytická metoda spektroskopie laserem buzeného plazmatu (z angl. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy - LIBS) je vhodná pro využití v in-situ analýze vzorků, čehož je vhodně využito v průmyslových aplikacích, v tomto případě plastikářský průmysl. Robustnost a univerzalita LIBS instrumentace je vyvážena její neexistujícími komerčními řešeními. Vývoj instrumentace and metodiky pro analýzu vzorků a zpracování dat v definovaných aplikacích jsou úzce spojeny a jsou předmětem této disertační práce. Cílem práce je opto-mechanický návrh jednotlivých částí LIBS systému a jeho sestavení s ohledem na optimalizaci poměru citlivosti a opakovací frekvence. Dále pak související vytvoření metodiky pro klasifikaci polymerů a kvantitativní analýzu stopových těžkých kovů.

    Školitel: Pořízka Pavel, doc. Ing., Ph.D.

  28. Vývoj robotických komponent pro Koherencí řízený holografický mikroskop

    Cílem práce je navrhnout robotické komponenty pro novou verzi Koherencí řízeného holografického mikroskopu. Návrh je nutno založit na principech automatické justáže a manipulace se vzorky, z nich bude odvozena konstrukce komponent a jejich řízení.

    Školitel: Dostál Zbyněk, Ing., Ph.D.

  29. Vývoj tomografického modulu pro Koherencí řízený holografický mikroskop

    Cílem práce je navrhnout tomografický modul pro novou verzi Koherencí řízeného holografického mikroskopu. Návrh je nutno založit na optické simulaci, z které bude odvozena konstrukce modulu a jeho řízení. Také je nutné vytvořit řídící software pro modul.

    Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.

  30. Výzkum topologických izolátorů pomocí LEIS

    Metoda rozptylu nízkoenergiových iontů (LEIS) je hojně používána při studiu složení povrchů pevných látek. Unikátní povrchová citlivost metody slouží pro prvkovou analýzu nejsvrchnější atomové vrstvy zkoumaného materiálu. Topologické izolátory jsou materiály, kde tenká povrchová vrstva vykazuje dobrou vodivost ve dvou směrech paralelních s povrchem, zatímco objem matriálu zůstává nevodivý. Tyto materiálu mají značný potenciál ve spintronice a součástkách pro kvantové výpočetní systémy. Povrchová terminace tedy hraje kritickou roli v definici vlastností topologických izolátorů a může být efektivně studována pomocí metody LEIS v kombinaci s dalšími analytickými a zobrazovacími metodami, jako jsou XPS, SIMS, SEM, AFM and STM. Unikátní LEIS spektrometr (Qtac100, ION-TOF GmbH) je k dispozici v laboratoři pokročilých mikro a nanotechnologií na CEITEC VUT. Je napojen přímo na komplexní aparaturu pro depozici tenkých vrstev a modifikaci povrchů.

    Školitel: Průša Stanislav, doc. Ing., Ph.D.

  31. Zdroj elektronů pro Ultra Fast TEM

    Ultra Fast TEM (U-TEM) umožňuje sledovat dynamické jevy jako jsou fázové změny, tání/krystalizaci materiálů s časovým rozlišení v ns až ps. Dále je pomocí stroboskopického osvětlení (další mod U-TEM) pozorovat vzorky citlivé na expozici elektronovým svazkem. Současné U-TEM mikroskopy používají fotoemisní zdroje či kombinaci standardních zdrojů s velmi rychlými deflektory (RF cavity, …). Nanostrukturní materiály se jeví jako velmi perspektivní pro výrobu elektronových zdrojů U-TEM. Například GaN materiály jsou díky své značné chemické a tepelné odolnosti a nízké hodnotě spínacího napětí 1.25 V/m a vysoké proudové hustotě slibným kandidátem pro tyto účely. Vlastnosti katody do značné míry závisí na formě a tvaru nanostruktur jako jsou například nanotrubky, nanosloupečky a nanokrystaly.

    Školitel: Zlámal Jakub, Ing., Ph.D.

  32. 2D materiály pro suprakondenzátory

    Suprakondenzátory patří k nejperspektivnějším technologiím ukládání energie, neboť nabízejí výjimečné vlastnosti, jako např. ultravysokou hustotu ukládané energie a velmi dlouhou životnost. PhD studium se bude věnovat výzkumu hybridních struktur 2D materiálů založených na tzv. „MXenes“ a černém fosforu (BP) a vhodných pro vysoce výkonné elektrody superkondenzátorů. Zaměří se na (i) komplexní charakterizaci těchto 2D hybridních struktur až do atomární úrovně, což poskytne fundamentální informaci o interakci mezi složkami těchto struktur, a dále na (ii) in situ studium chemické stability a růstových mechanismů těchto materiálů. Ve studium budou použity nejmodernější charakterizační metody nacházející se ve výzkumné infrastruktuře CEITEC Nano, jako např. nízkoenergiová elektronová mikroskopie (LEEM), UHV STM/AFM, rtg. fotoelektronová spektrockopie (XPS), spektroskopie rozptylu nízkoenergiových iontů (LEIS), rastrovací Augerova mikroskopie(SAM), FT-IR spektroskopie a (rastrovací) transmisní elektronová mikroskopie s vysokým rozlišením (HR (S)TEM). Bude rozvíjena spolupráce s Technickou univerzitou v Drážďanech, která bude zabepečovat syntézu vzorků.

    Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.

  33. 3D epitaxní tisk polovodičů pomocí elektronové pinzety

    Dizertační práce se bude zabývat vývojem 3D epitaxního tisku využívajícího kapek eutektických kapalin, jimiž je pohybováno pomocí elektronového svazku (elektronové pinzety) v mikroskopu UHV-SEM, vyvinutém ve spolupráci s firmou TESCAN. Během pohybu je kapka obsahující zlato sycena atomy germania (křemíku), to má za následek epitaxní depozici polovodiče v místech výskytu kapky. Pohyb kapky a tedy i místa „tisku“ polovodiče je tak možno programově řídit. Součásti práce bude optimalizace tohoto procesu včetně jeho sledování v reálném čase pomocí UHV-SEM mikroskopu.

    Školitel: Průša Stanislav, doc. Ing., Ph.D.

Struktura předmětů s uvedením ECTS kreditů (studijní plán)

1. ročník, zimní semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Pov.Uk.Hod. rozsahSk.Ot.
9AIVAb initio výpočty v materiálových vědáchcs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MAVMatematický aparát vlnové optikycs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9ANCMikroskopie a analýza pomocí nabitých částiccs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9NTCNanotechnologiecs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9ONAOrganické nanostruktury na anorganických površíchcs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9RPTRentgenová počítačová tomografiecs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9STHStruktura hmotycs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9SLPÚvod do spektroskopie laserem buzeného plazmatucs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MMMVíceúrovňové modelování materiálůcs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9VKBVybrané kapitoly z biofotonikycs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9VKNVybrané kapitoly z nanofotoniky cs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9TPLVybrané kapitoly z teorie pevných látekcs0DoporučenýdrzkP - 20ano
9ZDNZobrazování a diagnostika nanostrukturcs0DoporučenýdrzkP - 20ano
1. ročník, letní semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Pov.Uk.Hod. rozsahSk.Ot.
9KTDFourierova transformace mřížek a kinematická teorie difrakcecs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MPAMatematika pro aplikacecs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MIAPokročilá světelná mikroskopie - teorie zobrazenícs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9PVPProgramování v Pythoncs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9RF1Rovnice matematické fyziky Ics, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
9MIKSvětelná mikroskopiecs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano
1. ročník, celoroční semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Pov.Uk.Hod. rozsahSk.Ot.
9AJJazyk anglický pro doktorské studiumen0PovinnýdrzkCj - 60ano
9ESMModelování termodynamické stability a fázových transformacícs, en0DoporučenýdrzkP - 20ano