Prezenční studium

4 roky

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Předseda :
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.
Člen interní :
prof. RNDr. Petr Dub, CSc.
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D.
prof. RNDr. Pavel Šandera, CSc.
Člen externí :
RNDr. Antonín Fejfar, CSc.
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr.
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D.

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.

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.

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.

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

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“.

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“.

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.

1. Analytická elektronová mikroskopie materiálů a struktur pro nanofotoniku

   Rozvoj nanofotoniky je spojen se zaváděním nových materiálů a struktur. Analytická elektronová mikroskopie představuje vhodný nástroj pro studium těchto materiálů a struktur, kdy umožňuje stanovit jejich prvkové a chemické složení, strukturní vlastnosti včetně krystaličnosti, krystalové mříže a jejích atomárních a mezoskopických poruch, a elektronovou strukturu. V této práci bude analytická elektronová mikroskopie aplikována na některé ze soudobých nanofotonických materiálů a struktur, například materiály s proměnnou fází (oxid vanadičitý, gallium, Sb2S3), aktivních plazmonické antény, hybridní kovově-dielektrické struktury nebo plazmonické antény vykazující plazmonický bleskosvodný jev. Práce může být rovněž zaměřena na rozvoj nových metod analytické elektronové mikroskopie.

   Školitel: Křápek Vlastimil, doc. Mgr., Ph.D.

2. Atomárně tenké optické metapovrchy založené na vysoce kvalitních 2D materiálech

   Rozptylové vlastnosti kovových a polovodičových/dielektrických nanostruktur s vysokým indexem lomu tvoří základ současných optických metapovrchů. Tyto vlastnosti jsou založeny na plasmonických nebo Mieho rezonancích (daných zejména geometrickými rozměry elementů metapovrchů), jež umožňují silnou interakci a přímé řízení fáze a amplitudy rozptýleného záření. Optická odezva takových nanostruktur má zpravidla jednoduchou lineární podobu a je obtížně měnitelná externími stimuly. V důsledku toho je možné použít pro predikci a optimalizaci jejich funkce standardní programy řešící Maxwellovy rovnice. Naproti tomu, 2D materiály tvořené atomárně tenkými vrstvami svázanými van der Waalsovými (vdW) silami vykazují velkou paletu kvantových, kolektivních, topologických, nelineárních a ultrarychlých odezev. Tyto materiály tak otevírají nové možnosti v oblasti metapovrchů. PhD téma se zaměřuje na výzkum a aplikaci fyzikálních principů dotýkajících se styčné oblasti metapovrchů a vdW materiálů. Jako výchozí bod se zaměří na otázku modifikace vlastností 2D vdW materiálů (např. TMDCs) pomocí jejich strukturování s rozměry pod vlnovými délkami pro vytvoření atomárně tenkých metapovrchů. Následně bude zkoumat možnosti dynamického formování svazků pomocí optických prvků založených na 2D metapovrších a umožňujících nové funkční vlastnosti, které nelze dosáhnout objemovými optickými prvky nebo „klasickými“ plazmonickými nebo dielektrickými metapovrchy.

   Školitel: Mach Jindřich, doc. Ing., Ph.D.

3. Bez multipólový korektor optických vad pro rastrovací elektronový mikroskop

   Rotačně symetrické elektromagnetické čočky používané pro zobrazování v elektronové mikroskopii jsou zatíženy vadami zobrazení, které limitují jejich rozlišovací schopnost. V literatuře bylo popsáno několik fyzikálních principů, které umožňují vady elektromagnetických čoček korigovat. Korekce zobrazení lze dosáhnout např. multipólovým elektromagnetickým polem, fázovou destičkou tvořenou pevnou látkou či polem, elektrostatickým zrcadlem a dalšími. Na některých typech elektronových mikroskopů byly korekční systémy úspěšně realizovány (např. hexapólový korektor pro sférickou vadu v transmisním mikroskopu). Disertační práce bude zaměřena na metodiku korekce zobrazovacích vad a návrh nemultipólového korekčního systému pro elektronový mikroskop ve spolupráci s firmou Thermo Fisher Scientific.

   Školitel: Sháněl Ondřej, Ing., Ph.D.

4. BIC v periodických nanofotonických systémech

   Vázané stavy v kontinuu (BIC - bound states in the continuum) představují teoreticky zajímavý způsob lokalizace pole, který odporuje konvenční představě předpokládající energie vázaných stavů pouze vně kontinua volných stavů. BIC nabízejí řadu zajímavých aplikací; např. ve fotonice BIC umožňují výrazně snížit nežádoucí radiační ztráty nových citlivých nanostruktur [1,2]. Studium se zaměří na teoretickou analýzu a fyzikální pochopení BIC v periodických nanofotonických systémech, jako jsou fotonické krystaly nebo metapovrchy. Předpokládá se výzkum struktur, které jsou v současnosti využívány jako pokročilé biosenzory [3]. Student systematicky prozkoumá existenci a vlastnosti BIC ve vybrané třídě takových systémů. Bude provedeno kritické posouzení přínosů BIC ve srovnání s tradičnějšími technikami z hlediska potenciálních aplikací. Výzkum bude založen na silném využití numerické analýzy. [1] K. Koshelev, A. Bogdanov, and Y. Kivshar, “Engineering with Bound States in the Continuum,” Opt. Photonics News, vol. 31, no. 1, p. 38, 2020 [2] S. I. Azzam and A. V. Kildishev, “Photonic Bound States in the Continuum: From Basics to Applications,” Adv. Opt. Mater., vol. 9, no. 1, pp. 16–24, 2021 [3] M. L. Tseng, Y. Jahani, A. Leitis, and H. Altug, “Dielectric Metasurfaces Enabling Advanced Optical Biosensors,” ACS Photonics, vol. 8, no. 1, pp. 47–60, 2021.

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

5. BIC ve fotonických vlnovodech

   Vázané stavy v kontinuu (BIC - bound states in the continuum) představují teoreticky zajímavý způsob lokalizace pole, který odporuje konvenční představě předpokládající energie vázaných stavů pouze vně kontinua volných stavů. BIC nabízejí řadu zajímavých aplikací; např. ve fotonice BIC umožňují výrazně snížit nežádoucí radiační ztráty nových citlivých nanostruktur [1,2]. Přestože první experiment potvrzující existenci fotonického BIC používal systém vázaných vlnovodů [3], jednotlivé vlnovody podporovaly pouze konvenční módy mimo kontinuum zářivých modů. Později byly pozorovány BIC ve vlnovodech s jádrem o nižším indexu lomu, efektivně ale takový vlnovod působil jako konvenční kvantová jáma (tj. lokalizace pole v oblasti s vysokým efektivním indexem lomu). Proto se studium zaměří na teoretický výzkum různých možných alternativních mechanismů, které by mohly umožnit existenci BIC ve vlnovodech. Nejprve budou studovány anizotropií indukované BIC v dielektrických vlnovodech. Následně bude zvažována obecnější třída vlnovodných struktur; zejména se předpokládá zaměření na nanofotonické vlnovodné struktury a provedení systematických parametrických studií, s cílem prozkoumat existenci nových typů BIC. Nakonec bude provedeno kritické posouzení přínosů BIC ve srovnání s klasickými vedenými mody z hlediska jejich potenciálních aplikací v integrované fotonice. [1] K. Koshelev, A. Bogdanov, and Y. Kivshar, “Engineering with Bound States in the Continuum,” Opt. Photonics News, vol. 31, no. 1, p. 38, 2020 [2] S. I. Azzam and A. V. Kildishev, “Photonic Bound States in the Continuum: From Basics to Applications,” Adv. Opt. Mater., vol. 9, no. 1, pp. 16–24, 2021 [3] Y. Plotnik et al., “Experimental observation of optical bound states in the continuum,” Phys. Rev. Lett., vol. 107, no. 18, pp. 28–31, 2011 [4] Y. Yu, et al., “Ultralow-Loss Etchless Lithium Niobate Integrated Photonics at Near-Visible Wavelengths,” Adv. Opt. Mater., vol. 9, no. 19, pp. 1–8, 2021.

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

6. Biosenzory na bázi grafenu a příbuzných 2D materiálů

   Klasické biochemické testy in vitro jsou v současnosti nahrazovány bioelektronickými senzory, které vynikají svou rychlostí, znovupoužitelností a minimálními rozměry. Jedním z nejslibnějších materiálů v této oblasti je grafen, který se vyznačuje vysokou citlivosti na přítomnost adsorbovaných molekul a zároveň je biokompatibilní. Předmětem doktorské práce bude vývoj a výroba biosenzorů na bázi grafenu a příbuzných dvourozměrných materiálů. V práci bude nutné zvládnout obecné fyzikální principy senzorů, problematiků polem řízených tranzistorů s elektrolytickým hradlem a funkcionalizaci pro docílení selektivní reakce senzoru. Vhodným adeptem je absolvent magisterského studia z oblasti fyzikálního inženýrství, elektrotechniky nebo biochemie. Cíle: 1) Zvládnutí fyzikálních principů biosenzorů po teoretické a experimentální stránce. 2) Návrh a výroba senzoru na bázi polem řízeného tranzistoru s elektrolytickým hradlem. 3) Funkcionalizace senzoru pro specifickou biologickou a chemickou reakci. 4) Testování odezvy senzoru na vybranné biologické materiály. 5) Adekvátní publikační výstup a prezentace výsledků na mezinárodní konferenci.

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

7. BLS mikroskopie spinových vln s velkým prostorovým rozlišením

   Magnetické spinové vlny (magnony) jsou předmětem intenzivního výzkumu v důsledku jejich vysokého aplikačního potenciálů v elektronice a komunikačních techologiích budoucího věku. Existuje několik metod, jak detekovat tyto vlny, zejména pak metoda založená na Brillouinově rozptylu světla (BLS), [1]. Tato metoda zajišťuje informace o amplitudě i fázi magnonů a může být realizována v mikroskopickém modu pomocí BLS spektrofotometru [2] a je k dispozici ve výzkumné infratruktuře CEITEC Nano [3]. Nicméně, protože spektrofotometr používí standardní optické prvky, prostorové rozlišení metody nepřekračuje difrakční limit. Doktorská práce se bude zabývat možností, jak tento limit překonat. Zaměří se přitom na využití nanofotonických efektů podobným těm v hrotem zesílené Ramanově spektroskopii (TERS), tedy na tvorbu zesílených blízkých optických polí (tzv. “hot spots”) v okolí speciálních AFM hrotů s rezonančními nanočásticemi (anténami). Současně tyto lokalizované oblasti vysokého elektrického pole zajistí velké hodnoty složek vlnových vektorů (hybnosti) a tak i rozšíření detekovatelného oblasti Brillouionovy zóny [4], [5]. Hlavním předmětem studia bude modifikace AFM modulu pro hrotem zesílenou BLS mikroskopii a testování optimalizovaných hrotů AFM touto technikou. References: [1] T. Sebastian et al., Front. Phys. 3, 35, 2015. [2] K. Vogt et al., Appl. Phys. Lett. 95, 182508, 2009. [3] L. Flajšman etal., Urbánek, Phys. Rev. B 101, 014436, 2020. [4] R. Freeman et al., Phys. Rev. Research 2, 033427 (2020). [5] O. Wojewoda et al, Communications Physics, (2023), https://doi.org/10.1038/s42005-023-01214-z .

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

8. 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.

9. 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: Mach Jindřich, doc. Ing., Ph.D.

10. Energiový filtr elektronového svazku

    Zdroje elektronů využívané v elektronových mikroskopech generují svazek s rozdělením energií, jehož šířka je charakteristická pro daný zdroj. Nízký rozptyl energií je pro mikroskopické techniky výhodný, neboť zejména při nízkých hodnotách urychlovacího napětí je příspěvek chromatické vady významným faktorem limitujícím rozlišovací schopnost. Cílem dizertační práce bude návrh energiového filtru pro elektronový svazek, který umožní zúžení rozdělení energií v elektronovém svazku emitovaném z Schottkyho zdroje a jeho realizace ve spolupráci s firmou TESCAN.

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

11. In-situ SPM-in-SEM charakterizace polovodičových součástek a materiálu

    Průmysl polovodičů je jedním z nejdynamičtěji se rozvíjejících odvětví dnešní doby, a to s ohledem na jeho klíčovou roli jako základního stavebního prvku v moderní elektronice. Důležitost polovodičů spočívá v jejich unikátních elektrických vlastnostech, které jsou nezbytné pro vytváření efektivních a výkonných elektronických zařízení. Vzhledem k rostoucím požadavkům na miniaturizaci a efektivitu elektronických komponent je důkladná znalost a charakterizace vlastností polovodičových materiálů nezbytná. Kromě toho je klíčové důkladně kontrolovat kvalitu výroby a minimalizovat počet vznikajících vad, které by mohly vést k nefunkčnosti elektronických součástek. Využití rastrovací sondové mikroskopie (SPM) spolu s rastrovacím elektronovým mikroskopem (SEM) nabízí širokou škálu možností pro analýzu. SEM umožňuje přesné navádění SPM sondy na specifická místa zájmu, kde lze mimo jiné provádět lokální analýzu mechanických, elektrických nebo magnetických vlastností materiálu. Kombinace obou mikroskopů umožňuje provádět korelativní analýzu, která se stává v současnosti velkým trendem. Cílem doktorské práce je provádět korelativní měření SPM-in-SEM na polovodičových součástkách a materiálech. Hlavním zaměřením bude měření elektrických vlastností pomocí metod lokální vodivostní mikroskopie, mikroskopie elektrostatických sil, Kelvinovy sondové mikroskopie a rastrovací mikroskopie šíření odporu. Důraz bude kladen na využití SPM-in-SEM analýzy při řešení aktuálních výrobních problémů spojených s polovodičovými součástkami a materiály.

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

12. Korektor optických vad pro elektronový mikroskop

    Rotačně symetrické elektromagnetické čočky používané pro zobrazování v elektronové mikroskopii jsou zatíženy vadami zobrazení, které limitují jejich rozlišovací schopnost. V literatuře bylo popsáno několik fyzikálních principů, které umožňují vady elektromagnetických čoček korigovat. Korekce zobrazení lze dosáhnout např. multipolovým elektromagnetickým polem, fázovou destičkou tvořenou pevnou látkou či polem, elektrostatickým zrcadlem a dalšími. Na některých typech elektronových mikroskopů byly korekční systémy úspěšně realizovány (např. hexapolový korektor pro sférickou vadu v transmisním mikroskopu). Dizertační práce bude zaměřena na metodiku korekce zobrazovacích vad a návrh korekčního systému pro elektronový mikroskop ve spolupráci s firmou TESCAN.

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

13. Korelativní analýza materiálů s širokým zakázaným pásem

    Materiály s širokým zakázaným pásem se staly díky novým, pokročilým způsobům výroby objemových krystalů významným směrem technologického vývoje ve výkonové elektronice. Zejména SiC a GaN se stávají významnými souputníky stále dominantního křemíku. Současné know-how materiálových vlastností však není tak vyvinuté jako u křemíku a je zde mnoho nezodpovězených otázek. Student se bude soustředit na analýzu zejména defektů v SiC a GaN metodami korelativní mikroskopie a spektroskopie. Součástí práce bude i využití těchto materiálů k realizaci nového konceptu v elektronice/optoelektronice. Nutnou podmínkou je základní znalost fyziky pevných látek, a principů relevantních spektroskopických technik k analýze těchto materiálů. Výzkum bude probíhat ve spolupráci s Thermo Fisher Scientific, případně Onsemi.

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

14. Korelativní sondová a elektronová mikroskopie pro výzkum nových materiálů

    Polovodičový a bateriový průmysl roste neustále vyšším tempem a tlak na zkvalitňování výrovy současných materiálů i na vývoj nových materiálů a technologických postupů je značný. Při výrobě polovodičů je nutné kontrolovat a minimalizovat množství defektů (poruchy krystalové mříže), které ovlivňují funkci a kvalitu vyráběných elektronických součástek [1]. Výrobci baterií zase hledají způsoby analýzy různých vlastností elektrod a elektrolytů na atomární úrovni [2]. Rastrovací sondová mikroskopie (SPM) a rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) jsou jedny z nevýznamnějších technik využívaných při analýze mechanických, elektrických či magnetických vlastností těchto materiálů. Současným trendem je kombinovat různé měřicí metody a korelativní sondová a elektronová mikroskopie[3] je typickým příkladem. Doktorská práce se bude zabývat korelativním měřením SPM a SEM technikami a výzkumem nových materiálů. Zaměří se především na analýzu elektrických vlastností vzorků metodami vodivostní mikroskopie atomárních sil, mikroskopie elektrostatických sil a Kelvinovy silové mikroskopie, které bude kombinovat s rastrovací elektronovou mikroskopií. Hlavním předmětem studia bude aplikace korelativní mikroskopie k řešení aktuálních problémů spojených s výrobou polovodičových materiálů a materiálů pro výrobu nových typů baterií.

    Školitel: Nováček Zdeněk, Ing., Ph.D.

15. Kvantové odhady a adaptivní algoritmy v elektronové mikroskopii a spektroskopii

    Rychlé pokroky v instrumentaci v elektronové mikroskopii a spektroskopii nám umožňují měření s bezprecedentní přesností, která se blíží kvantovým limitům. Abychom tyto nové možnosti plně využili, je třeba vyvíjet efektivní postupy pro získávání a analýzu dat. V tomto projektu bude PhD stududent/studentka teoreticky studovat procesy měření a odhadu v několika mikroskopických a spektroskopických technikách, a bude navrhovat, jak tyto techniky optimalizovat. K tomu bude důležité využití adaptivních algoritmů, které budou brát v úvahu výstupy z předchozích měření.

    Školitel: Konečná Andrea, doc. Ing., Ph.D.

16. Lokalizovaná plazmonicky zesílená absorpce v režimu silné vazby

    PhD projekt se zaměří na efekt silné vazby mezi lokalizovanými povrchovými plazmony v anténách a fonony v rezonančně absorbujících nekovových prostředích, následně pak na využití těchto znalostí pro nalezení a aplikaci obecných principů prostorově lokalizované plazmově zesílené absorbce. Tento problém bude řešen pro široké elektromagnetické spektrum sahající od blízké IR do střední IR a ověřen v nových typech nechlazených mikrobolometrů s anténami vykazujícími zvýšenou citlivost a prostorové rozlišení. V důsledku obecného průběhu indexu lomu poblž absorbčních píků/pásů materiálů, výstupy a závěry tohoto projektu najdou uplatnění i v jiných spektrálních oblastech, nezávisle na fyzikálním mechanismu rezonanční absorbce. To umožní provádět výzkum zajímavých jevů, které jsou kromě lokálního ohřevu materiálů rovněž využitelné v oblasti detekce infračerveného zaření a světla, konverze energie, (bio)senzorů, kvantových technologií, aj.

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

17. 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.

18. Modelování a simulace funkčních vlastností nanostruktur pro oblast plazmoniky

    Téma dizertační práce je zaměřeno na teoretický popis optické odezvy kovových nanostruktur a metapovrchů pro aplikace v plazmonice a nanofotonice. Použité výpočetní postupy budou reprezentovány analytickými metodami (např. optické vlastnosti vrstevnatých systémů při osvitu monochromatickou rovinnou vlnou, rozklad optické odezvy nanočástice do normálních či kvazinormálních módů, využití matematického aparátu difrakční optiky) i numerickými metodami užitím dostupných programů (např. metoda konečných diferencí v časové doméně, metoda konečných prvků ve frekvenční doméně, rigorózní analýza spřažených vln) nebo pomocí vlastních výpočetních algoritmů. Výsledky budou sloužit pro kvalitativní i kvantitativní intepretaci experimentálních dat.

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

19. Nanofotonika pro kvantové technologie

    Cílem doktroské práce je využít unikátní funkční vlastnosti nanofotonických zařízení ve specifickcých oblastech kvantových technologií. Nejprve budou blízká optická pole generovaná kovovými nebo dielektrickými nano/mikroanténami pro zesílení účinnosti zdrojů jednotlivých fotonů spojených s defekty-barevnými centry v 2D materiálech nebo objemových monokrystalů (např. SiC, diamant). Dále budou navrženy, vyrobeny a testovány celodielektrické nanofotonické metapovrchy zajišťující sběr a transfer těchto fotonů. Výstupy tohoto studia přispějí k pokroku v aktuálním úsilí spojeném s v kvantově optickými eperimenty probíhajícími v mikro/nano měřítku.

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

20. Návrh a výroba laditelných metapovrchů pro netradiční optické prvky

    Disertační práce se zaměří na návrh a výrobu laditelných dielektrických metapovrchů pro nekonvenční optické prvky ve viditelné a infračervené oblasti vlnových délek. Budou zkoumány specifické metody návrhu metapovrchů pomocí optimalizačních algoritmů s multiparametrickými metrikami, jako je například Gerchberg-Saxtonův algoritmus. Budou rovněž zkoumány různé výrobní postupy a možnosti optického přepínání vyrobených metapovrchů a aktivního řízení jejich funkce. Hlavním cílem této práce je vyrobit plně charakterizované ověřené prototypy laditelných metapovrchů, které by mohly nalézt uplatnění při tvarování výkonných optických svazků nebo při přenosu a zpracování optických signálů v komunikačních technologiích.

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

21. Návrh a zhotovení fotonických mikroobvodů

    Fotonické mikroobvody jsou jedním ze základních a nutných prvků pokročilé integrace systémů klasické i kvantové komunikace. Ke zhotovení těchto mikro-technologických prvků se využívají pokročilé technologie, kterými jsou elektronová litografie, UV litografie a dvou-fotonová litografie, na které navazují komplementární technologie nanášení tenkých vrstev a technologie kontrolovaného mokrého a suchého leptání na nanometrové úrovni. Cílem doktorské práce bude navržení a zhotovení mikroobvodů, které umožní optickou interakci mezi prvky klasických i kvantových optomechanických systémů, např. ion-nanočástice nebo nanočástice-nanočástice. Součástí práce doktoranda bude i ověření funkčnosti zhotovených systémů v experimentech realizovaných na ÚPT nebo spolupracujících institucích.

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

22. Nové metody v elektronových a světelných spektro-mikroskopiích

    Cílem dizertační práce bude studium nízkoenergiových excitací za pomocí inovativních metod elektronové a světelné mikroskopie a spektroskopie. Bude se jednat o metody jako povrchově zesílená světelná spektroskopie, spektroskopie energiových ztrát elektronů, fotony vybuzená mikroskopie blízkého pole, optická mikroskopie v blízkém poli a podobně. Student/studentka bude především vyvíjet teoretický popis interakce elektronů nebo fotonů s excitacemi v nanostrukturách a molekulách včetně různých způsobů detekce signálu. Úkolem bude také vyvinout nové metody zpracování a interpretace experimentálních dat.

    Školitel: Konečná Andrea, doc. Ing., Ph.D.

23. Optimalizace dvoufotonového stereolitografu

    Dvoufotonový stereolitograf je pokročilá elektro-opto-mechanická aparatura sloužící k zápisu mikro- a nanostruktur do fotorezistu s detaily o velikostech v desítkách až stovkách nanometrů. Hlavními výzvami této technologie jsou rychlost, přesnost a stabilita optického zápisu požadovaného motivu. Doktorand se ve své práci bude tematicky věnovat možnostem modifikací optické cesty stávajícího systému (IQnano3D, IQS nano, s.r.o.) pomocí integrace pasivních a aktivních difraktivních optických prvků, které umožní precizní tvarování a modulaci zápisového laserového svazku. Zejména bude studovat a optimalizovat funkci akusto-optických modulátorů a deflektorů, difrakčních optických elementů a prostorových modulátorů světla. Cílem disertační práce bude zvýšení zápisové rychlosti a potlačení strukturních artefaktů. Funkčnost připravených řešení a modifikací optické soustavy bude ověřena zápisem pokročilých fotonických struktur a proměření jejich vlastností.

    Školitel: Jákl Petr, Ing., Ph.D.

24. Plazmonika neušlechtilých kovů

    Tradičními plazmonickými materiály jsou zlato a stříbro. Zejména v UV oblasti, ale nejen tam, je však nutné hledat jejich možné alternativy, například mezi neušlechtilými kovy. Uchazeč bude zkoumat možnosti využití neušlechtilých kovů (např. hliníku, gallia, bismutu, olova, india, cínu) či jejich sloučenin (např. core-shell struktur gallia a oxidu galia, oxidu vanadičitého) v plazmonice a připravovat nanostruktury z vybraných materiálů a charakterizovat jejich funkční vlastnosti v oblasti plazmoniky pomocí analytické transmisní elektronové mikroskopie.

    Školitel: Křápek Vlastimil, doc. Mgr., Ph.D.

25. Růst organických polovodičů na slabě interagujících substrátech

    Cílem doktorského studia je popsat a optimalizovat růst organických polovodičů na grafenu s cílem vytvořit grafenový varistor.

    Školitel: Čechal Jan, prof. Ing., Ph.D.

26. Spektroskopie laserem buzeného plazmatu v podmínkách nízkého tlaku a vakua

    Spektroskopie plazmatu za nízkých tlaků umožňuje pozorování spektrálních čar v oblasti vakuové ultrafialové oblasti spektra (VUV) mnoha prvků, mezi než patří např. uhlík, síra, křemík nebo bor. Laserová spektroskopie v oblasti VUV pak může být použitá ke studiu a simulaci plazmatu v podmínkách planet a vesmírných těles, tedy pro analýzu měsíčních nebo marsovských hornin. Součástí práce je charakterizace plazmatu i pomocí dalších metod, k nimž patří Thomsonův rozptyl nebo interferometrické techniky, pro nezávislou evaluaci parametrů plazmatu a zlepšení bezkalibračních metod laserové spektroskopie. Samotná práce pak také zahrnuje optomechanický vývoj VUV spektrometru a další nezbytné aparatury pro analýzu vzorků v podmínkách vakua a VUV spektrální oblasti. Hlavní cíle disertační práce pak míří na prozkoumání možností v analýzu materiálů v oblasti VUV, charakteristika laserem buzeného plazmatu v podmínkách nízkého tlaku a vakua.

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

27. Strojově naučené meziatomové potenciály pro pokročilé materiály

    Strojové učení je jedním z nejvíce fascinujících nástrojů, které se v nedávných letech uplatnily v materiálových vědách. Stalo se velmi populární a velmi rychle se vyvíjí. Jedno z jeho nových a slibných využití je generování spolehlivých a účinných meziatomových potenciálů. Toto PhD téma bude zahrnovat generování strojově naučených potenciálů, jejich testování pomocí DFT (teorie funkcionálu hustoty) a následnou aplikaci na vybrané skupiny materiálů.

    Školitel: Černý Miroslav, prof. Mgr., Ph.D.

28. Studium časoprostorového vývoje laserem buzeného plazmatu

    Laserová ablace materiálu je základním stavebním kamenem chemické analýzy, kterou využívá několik technik analytické chemie. Spektroskopická studie charakteristického záření plazmatu poskytuje kvalitativní a kvantitativní informaci o složení materiálu. Standardní analýza vychází pouze ze zpracování detekovaného optického signálu. Samotný proces ablace je pak pouze na okraji zájmu a nedostává se mu náležité pozornosti. Avšak, pouze úplné pochopení komplexnosti, kterou interakce laserového záření s materiálem skrývá, může vést k dalšímu zlepšení zpracování dat. Tato práce bude zaměřena na studium vývoje laserem buzeného plazmatu v čase a prostoru, jeho optickém zobrazování a určování jeho termodynamických vlastností. Výstupy této práce budou dále použity v další optimalizaci ablace materiálů (vč. Biologických tkání), optomechanicky (sběrná optika) a algoritmů pro standardizaci signálu.

    Školitel: Kaiser Jozef, prof. Ing., Ph.D.

29. Studium nízkoteplotního plazmatu za snížených tlaků pro planetární výzkum

    Přístrojová instrumentace spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) umožňuje analýzu vzorků mimo laboratoř. Pro svoji robustnost a analytický výkon je metoda LIBS využívána v průmyslových provozech a jiných aplikacích. Mezi tyto patří i geologický průzkum planety Mars a připravované mise na Měsíc. Dosažené výsledky odpovídají kvalitě laserové ablace a parametrům laserem buzeného plazmatu. Toto je mimo jiné ovlivněno okolní atmosférou a jejím tlakem. Hlavním cílem této disertační práce je návrh experimentální sestavy pro analýzu v atmosféře (např. CO2) za snížených tlaků (nižší než 1 mbar) a současně studium parametrů laserem buzeného plazmatu (teplota, hustota, rychlost rozpínání).

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

30. Vliv rotace a teplotní modulace na turbulentní Rayleighovu‐Bénardovu konvekci

    Rayleighova-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, konvekci v atmosféře a oceánech. Rotace generuje různé režimy v RBC, jež se projevují v efektivitě tepelného přenosu (Nusseltovo číslo) a struktuře proudění (tvaru velkých koherentních struktur) odlišných od nerotující RBC. V Oberbeckově‐ Boussinesqově 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 and Ek~1E-15. Současné limity přímých numerických simulací chování rotující RBC jsou, v důsledku limitovaného rozlišení numerických modelů, omezeny na rozsahy Ra <~ 1E7 and Ek >~ 1E−6. Doktorské studium bude zaměřeno na experimentální výzkum rotující RBC v laboratoři Skupiny kryogeniky a supravodivosti, Ústavu přístrojové techniky AV ČR. Laboratoř disponuje unikátní RBC aparaturou s rotační platformou, která s využitím kryogenního heliového plynu (5 K) jako pracovní tekutiny, umožňuje dosáhnout extremních hodnot a širokého rozsahu uvedených čísel: 1E6 < Ra < 1E15 a 10-8 < Ek < 10-5. Výzvou práce bude studium chování rotující RBC s periodiky proměnnou modulací okrajových teplot v širokém rozsahu frekvencí f a amplitud modulace A, kde bude nezbytný systematicý přístup vzhledem k celkem pěti proměnným kontrolním parametrům (Ra, Pr, Ek, f, A). Analýza takto získaných unikátních dat může vést k hlubšímu pochopení vývoje komplexních systémů, jako je počasí a klima na Zemi či jiných planetách, jež jsou formovány v důsledku periodického ohřevu a ochlazování při rotaci planety kolem vlastní osy a oběhu kolem mateřské hvězdy.

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

31. Využití analytických spektroskopických metod pro chemickou analýzou

    Chemická analýza se dostává na vysokou úroveň při samotném použití jednotlivých analytických technik. Současným trendem se pak stává spojení více technik, nejlépe v rámci jednoho přístroje, a využití jejich výhod. Takovou synergií je spojení laserových spektroskopických metod, jmenovitě spektroskopie laserem buzeného plazmatu (laser-induced breakdown spectroscopy – LIBS) a Ramanovské spektroskopie. Tyto metody umožňují provést prvkovou, respektive molekulovou analýzu vzorku. Jejich předností je navíc možnost provést mapování povrchu vzorku s vysokým prostorovým rozlišením (počet měření na jednotku plochy). Spojení těchto metod je dále výhodné z pohledu možnosti sdíleného využití spektroskopického zařízení. V současnosti je však toto spojení stále spíše unikátní a implementace obou metod má tedy potenciál v chemické analýze s uplatněním bez ohledu na obor aplikace (geologie až biologie). Sestavená metodika bude sloužit jako nové paradigma v chemické analýze.

    Školitel: Kaiser Jozef, prof. Ing., Ph.D.

32. Využití hyperspektrální kamery pro detekci optických emisních spekter meteoritů

    Průzkum vesmíru je v současné době na vzestupu zájmu, což reflektuje konstrukce různých zařízení pro meziplanetární analýzy. Předmětem této disertační práce je optomechanický návrh kompaktní hyperspektrální kamery jako payload v CubeSat. Toto zahrnuje testování na zjednodušeném modelu a pilotní ověření technické proveditelnosti při analýze charakteristických dat, spekter vybraných prvků.

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

33. Využití plazmonických 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.

34. Vývoj a aplikace ultrarychlé elektronové mikroskopie

    Prvním z cílů práce bude experimentální vývoj (ultra)rychlého rastrovacího elektronového mikroskopu. Vysokého časového rozlišení bude dosaženo pomocí synchronizace krátkých elektronových pulsů s optickou excitací vzorku. Elektronové pulzy budou vytvářeny buď s využitím ultrarychlého laseru a fotoemise, nebo pomocí rychlých elektrostatických blankerů. Student/studentka se bude zabývat také aplikacemi ultrarychlé rastrovací elektronové mikroskopie v zobrazování s vysokým prostorových i časovým rozlišením. Zaměří se zejména na zobrazování fázových přechodů, magnetických domén nebo optických polí.

    Školitel: Konečná Andrea, doc. Ing., Ph.D.

35. Vývoj instrumentace spektroskopie laserem buzeného plazmatu v atmosférických podmínkách Měsíce

    Spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) dostává nové technologické výzvy s ohledem na in-situ geologický průzkum nebeských těles, kdy poskytuje podrobnou analýzu na úrovni prvkového složení. Technika LIBS již prokázala své schopnosti jako užitečné zatížení na marsovských roverech a předpokládá se její využití i na těch měsíčních. Metoda LIBS představuje ideální techniku pro dálkovou (bezkontaktní) prvkovou analýzu s nízkými nároky na přípravu vzorku před analýzou. Cílem této práce je vyvinout přístroj LIBS a navrhnout potřebné technické řešení, které bude splňovat nároky na kosmickou způsobilost, aby odolal drsným podmínkám na Měsíci. Sekundární cíle se týkají dalšího testování metody LIBS pro analýzu měsíčního regolitu v simulovaných podmínkách.

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

36. 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.

37. 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.

38. 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.