Přístupnostní navigace
E-přihláška
Vyhledávání Vyhledat Zavřít
studijní program
Fakulta: CEITEC VUTZkratka: CEITEC-AMN-EN-PAk. rok: 2025/2026
Typ studijního programu: doktorský
Kód studijního programu: P0588D110003
Udělovaný titul: Ph.D.
Jazyk výuky: angličtina
Akreditace: 26.4.2021 - 26.4.2031
Forma studia
Prezenční studium
Standardní doba studia
4 roky
Garant programu
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.
Oborová rada
Předseda :prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.Místopředseda :prof. Ing. Radimír Vrba, CSc.Člen interní :prof. RNDr. Josef Jančář, CSc.prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.prof. RNDr. Karel Maca, Dr.Člen externí :prof. RNDr. Ludvík Kunz, CSc., dr. h. c.prof. RNDr. Václav Holý, CSc.prof. RNDr. Jiří Pinkas, Ph.D.
Oblasti vzdělávání
Cíle studia
Cílem studia v navrhovaném doktorském studijním programu je výchova odborníků vzdělaných na mezinárodní úrovni v oblasti pokročilých materiálů a nanověd s hlubokým víceoborovým základem z oblastí fyziky, chemie a materiálových věd, pokročilými dovednostmi v technologické oblasti a s přesahem do věd o živé přírodě. Tito odborníci budou připraveni k samostatné tvůrčí vědecké a výzkumné práci v akademické i aplikační sféře kdekoli v tuzemsku i zahraničí. Cílů studia se dosahuje vlastní tvůrčí vědeckou a výzkumnou činností doktorandů vedenou vědeckými pracovníky s mezinárodním kreditem na školicích pracovištích zapojených do uskutečňování programu s využitím výzkumné infrastruktury na světové úrovni. Tato tvůrčí činnost odpovídá výzkumným směrům rozvíjeným v rámci mezinárodních i národních výzkumných projektů v následujících hlavních oblastech: pokročilé nano- a mikro-technologie, pokročilé bio-nano- a bio-mikro-technologie, kvantové technologie a pokročilé materiály a bio-materiály.
Profil absolventa
Absolvent studia má odborné znalosti a dovednosti pro vlastní tvůrčí vědeckou a výzkumnou činnost v oblastech výzkumných aktivit školicích pracovišť. Jde zejména o následující oblasti: ab initio výpočty, příprava a charakterizace pokročilých keramických a polymerních materiálů, kompozitů a biomateriálů, pokročilých nízkodimenzionálních materiálů, nanostruktur vhodných pro nanoelektronické a nanofotonické aplikace, struktur pro nanomagnetismus a spintroniku, molekulárních nanostruktur na površích, epitaxních materiálů a nanostruktur, pokročilé metody charakterizace, analýzy a metrologie nanomateriálů a nanostruktur, magneto-optická a terahertzová spektroskopie, chytré nanonástroje pro materiálové vědy i biomedicínu, experimentální biofotonika, kybernetika pro materiálové vědy, jakož i příslušné aplikace v energetice budoucnosti, elektronice, medicíně a biologii a dalších oblastech. Tyto znalosti, dovednosti a kompetence spočívají na teoretickém víceoborovém základu z oblastí fyziky, chemie a materiálových věd včetně multioborových přesahů. Vysoká úroveň získaných znalostí a dovedností je založena na personálním a laboratorním zázemí světové úrovně poskytovaném školicími pracovišti – vysokoškolským ústavem CEITEC VUT a Ústavem fyziky materiálů AV ČR, pracovním kontaktem s řadou hostujících profesorů, výzkumnou infrastrukturou CEITEC Nano, účastí ve významných vědeckých projektech a spoluprací s významnými zahraničními vědeckými i aplikačními pracovišti. Je rovněž vyžadována minimálně tříměsíční stáž studenta na zahraničním vědeckovýzkumném pracovišti. Absolvent je tím připraven komunikovat i publikovat svou práci v angličtině na mezinárodním fóru. Během studia si teoreticky i prakticky osvojí rovněž další významné aspekty vědecké práce – etická témata, praxi financování vědy a vedení výzkumu a další dovednosti z oblasti soft skills. Díky tomuto souhrnu odborných i měkkých dovedností naleznou absolventi programu uplatnění ve vědě a výzkumu na tuzemských i zahraničních akademických a výzkumných institucích, a rovněž v high-tech společnostech na pozicích vedoucích týmů, výzkumníků, vývojových pracovníků, konstruktérů a programátorů.
Charakteristika profesí
Vzhledem ke kvalitě školitelů na CEITEC VUT, mezi něž patří i tři držitelé ERC, koordinátoři mezinárodních grantů, jeden z nejcitovanějších chemiků světa (M. Pumera) a řada dalších citovaných kvalitních školitelů jako garantů odborných kompetencí studentů jsou absolventi výborně připraveni k uplatnění ve vědě a výzkumu na tuzemských i zahraničních akademických a výzkumných institucích, a rovněž v high-tech společnostech na pozicích vedoucích týmů, výzkumníků, vývojových pracovníků, konstruktérů a programátorů.
Podmínky splnění
Studentům jsou doporučeny následující studijní předměty: DS112 - Ab initio predikce mechanických a magnetických vlastností pevných látek DS101 - Anorganická materiálová chemie DS202 - Biokeramické materiály a biokompozity DS102 - Diagnostika a měření funkčních vlastností nanostruktur DS103 - Experimentální biofotonika FDAD18 - Fyzika detekce a detektory DS104 - Fyzikální základy deformace pevných látek DS105 - Greenovy funkce v moderní fyzice kondenzovaných látek DS215 - Kapitoly z pokročilých nekovových materiálů DS204 - Koloidy, povrchy a katalýza DS114 - Laserová spektroskopie DS106 - Mikro- a nano-počítačová tomografie DS207 - Mikromechanika deformace a lomu pokročilých materiálů DS107 - Mikrotechnologie DS108 - Nanofotonika DS208 - Neoxidová keramika DS216 - Pokročilá lomová mechanika DS116A - Pokročilá témata v nanotechnologiích DS201A - Pokročilé kapitoly z fyziky polymerů DS210 - Pokročilé syntézy nanočásticových keramických materiálů DS211A - Polymery v medicíně DS113 - Principy nanověd a nanotechnologií F6530 - Spektroskopické metody DS213 - Technologie pokročilé keramiky DS129A - Úvod do molekulárního magnetismu DS115A - Vědy o površích DS214 - Vysokoteplotní procesy v anorganických materiálech kurzy měkkých dovedností: DS446 - Friday CEITEC BUT seminar S4002 - Zákon, etika a filozofie vědy jazykový kurz: DS444 - Akademická angličtina pro doktorské studium Studijní povinnosti: 1. Na začátku každého akademického roku v termínu stanoveném ředitelem CEITEC VUT se koná hodnocení studia doktorandů v souladu s čl. 35 Studijního a zkušebního řádu VUT: - Školitel písemně hodnotí plnění studijních povinností doktoranda na základě zprávy o výsledcích činnosti, kterou písemně vypracovává doktorand. - Doktorand dále veřejně referuje o svém studiu, výsledcích řešení tvůrčích úkolů a o přípravě disertační práce před komisí tvořenou ředitelem CEITEC VUT, předsedou oborové rady, příslušným koordinátorem vědeckého programu, příslušným vedoucím výzkumné skupiny a školitelem, případně jimi stanovenými zástupci. Komise na základě předložených písemných materiálů, doktorandovy prezentace a následné diskuse posoudí výsledky dosavadního studia a soulad s individuálním studijním plánem a případně navrhne úpravy výše stipendia. - Hodnocení doktoranda je projednáno oborovou radou a podepsáno ředitelem CEITEC VUT do konce kalendářního roku. O výsledku je informován doktorand, školitel a vedoucí výzkumné skupiny. 2. Podmínky pro postup do vyššího ročníku studia jsou následující: - pro postup do druhého ročníku je nutno do konce prvního roku studia úspěšně ukončit alespoň dva předměty zapsané v individuálním studijním plánu (do tohoto minima se započítávají pouze odborné předměty, nikoli předměty měkkých dovedností, kurz anglického jazyka apod.), - pro postup do třetího ročníku je nutno do konce druhého roku studia úspěšně ukončit všechny zapsané předměty a přihlásit se ke státní doktorské zkoušce, - pro postup do čtvrtého ročníku studia je třeba do konce třetího roku studia úspěšně složit státní doktorkou zkoušku a dosáhnout výsledků tvůrčí (vědecké a odborné) činnosti publikovaných či přijatých k publikaci ve významném časopise. Nejsou-li tyto podmínky splněny, projedná oborová rada návrh na ukončení studia doktoranda (čl. 35 odst. 4 studijního řádu). Pokud oborová rada doporučí studium ukončit (také dojde-li k neplnění požadavků podle čl. 50 Studijního a zkušebního řádu VUT) ředitel CEITEC VUT o ukončení studia rozhodne. O výjimkách rozhoduje s přihlédnutím ke stanovisku oborové rady a školitele ředitel CEITEC VUT, a to na základě zdůvodněné žádosti doktoranda. 4. Doktorandi v prezenční i kombinované formě studia se zapisují do dalšího roku studia na studijním oddělení v prvním týdnu měsíce září. Od pátého roku studia včetně je studium možné pouze v kombinované formě. Individuální studijní plán: Určuje průběh studia doktoranda ve studijním programu a obsahuje zejména: - identifikační údaje doktoranda a studijního programu, - obsahové zaměření jeho samostatné vědecké, výzkumné, vývojové činnosti a jeho vlastní vzdělávací činnosti s ohledem na téma disertační práce, - přehled studijních předmětů, které je doktorand povinen absolvovat, - popis předpokládané účasti na speciálních kurzech, letních školách, přednáškách apod., - popis náplně pedagogické praxe, - předpokládané místo studijního pobytu v zahraničí, - časové rozvržení studia (termíny ukončení předmětů, termín přihlášení ke státní doktorské zkoušce a jejího složení, termín odevzdání disertace). Studijní předměty: Doktorand po dohodě se školitelem a podle jeho pokynů zpravidla zapisuje alespoň: - dva studijní předměty z obecného teoretického základu oboru disertační práce a další dva studijní předměty související s tématem disertační práce (s ohledem na stávající znalosti doktoranda tak, aby se jeho obecné znalosti rozšířily a jeho orientace v oblastech výzkumu prohloubila). - jeden předmět měkkých dovedností a odborných znalostí (v prvním ročníku povinně předmět „Friday CEITEC BUT seminar“, který dává doktorandovi potřebné vstupní znalosti a dovednosti ke studiu), - pokročilý kurz akademické angličtiny na úrovni B2-C1 Přednostně se přitom volí předměty obsažené v této akreditační žádosti (viz seznam doporučených předmětů výše), poté lze (po dohodě s příslušným garantujícím pracovištěm) zvolit i studijní předměty z analogické nabídky některé fakulty VUT či jiné univerzity v ČR nebo v zahraničí. V odůvodněných případech lze zapsat maximálně jeden předmět magisterského studia. V případě studia uskutečňovaného v angličtině si doktorand zapisuje pokročilý kurz českého jazyka. Minimální počet zapsaných předmětů včetně cizího jazyka je šest. Studijní předměty se zapisují v takové časové struktuře, aby vznikl dobrý předpoklad splnění studijních povinností. Nabídka studijních předmětů je doplňována přednáškami významných českých a zahraničních odborníků v rámci pravidelně pořádaných seminářů. Státní doktorská zkouška: Doktorand se může přihlásit ke státní doktorské zkoušce poté, co úspěšně ukončí studium všech předmětů zapsaných v individuálním studijním plánu. Přihlašuje se tím, že platným způsobem odevzdá pojednání ke státní doktorské zkoušce podle čl. 38 Studijního a zkušebního řádu VUT. Toto pojednání obsahuje zejména kriticky zhodnocený stav poznání v oblasti disertační práce, vymezení jejích cílů, přehled dosavadních výsledků práce a charakteristiku metod řešení zvolených pro dosažení zbývajících cílů. Pověřený člen zkušební komise připraví stanovisko k tomuto pojednání. U státní doktorské zkoušky doktorand prokazuje znalosti v oboru disertační práce a ve studijní oblasti (s ohledem na absolvované studijní předměty). Součástí státní doktorské zkoušky je rovněž diskuse související s tématem disertační práce, o stavu rozpracovanosti disertace, již dosažených výsledcích práce a metodice práce. Obhajoba disertační práce: Doktorand se může přihlásit k obhajobě disertační práce po vykonání státní doktorské zkoušky a poté, co byly výsledky jeho práce publikovány (případně přijaty k publikaci) alespoň v 1 článku v mezinárodním časopise s impaktním faktorem, přičemž publikace se musí týkat tématu disertační práce a doktorand musí být autorem s prokazatelně významným přínosem (např. autor teoretické části publikace).
Vytváření studijních plánů
Pravidla a podmínky pro tvorbu studijních programů určují: ŘÁD STUDIJNÍCH PROGRAMŮ VUT https://www.vutbr.cz/uredni-deska/vnitrni-predpisy-a-dokumenty/vnitrni-predpisy-vut-rad-studijnich-programu-vut-d146765 STANDARDY STUDIJNÍCH PROGRAMŮ VUT – Směrnice č. 69/2017 https://www.vutbr.cz/uredni-deska/vnitrni-predpisy-a-dokumenty/smernice-69-2017-standardy-studijnich-programu-vut-d154567 STUDIJNÍ A ZKUŠEBNÍ ŘÁD VUT https://www.vutbr.cz/uredni-deska/vnitrni-predpisy-a-dokumenty/archiv-vnitrni-predpisy-vut-studijni-a-zkusebni-rad-vut-d149085 SMĚRNICE REKTORA Č. 66/2017 Pravidla pro organizaci studia na Středoevropském technologickém institutu VUT (doplněk Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně) https://www.vutbr.cz/uredni-deska/vnitrni-predpisy-a-dokumenty/smernice-c-66-2017-pravidla-pro-organizaci-studia-na-stredoevropskem-technologickem-institutu-vut-d153408 SMĚRNICE ŘEDITELE STI VUT v BRNĚ Jednací řád oborové rady doktorského studijního programu Návrh směrnice je v příloze žádosti o akreditaci. Směrnice platná pro současný studijní program uskutečňovaný ve spolupráci s MU v Brně je zde: https://www.ceitec.cz/jednaci-rad-oborove-rady-pdf/f34897 Studium v DSP se neuskutečňuje v kreditovém systému. Klasifikační stupně jsou „prospěl“, „neprospěl“. Studium se řídí individuálním studijním plánem: 1. Individuální studijní plán zpracovává na začátku doktorského studia doktorand společně se školitelem v informačním systému Apollo. Individuální studijní plán schválený studentem, školitelem a vedoucím příslušné výzkumné skupiny (případně vedoucím školicího pracoviště) je prostřednictvím studijního oddělení předložen nejpozději do 30 dnů ode dne zápisu studenta ke studiu řediteli CEITEC VUT, který jej po projednání v oborové radě schvaluje. Celá schvalovací procedura musí být ukončena do 80 dnů od zahájení studia. O jejím výsledku je doktorand i školitel informován. Originál individuálního studijního plánu archivuje studijní oddělení, kopii na vyžádání obdrží doktorand a jeho školitel. 2. Tento studijní plán obsahuje zejména: identifikační údaje doktoranda a studijního programu, obsahové zaměření jeho samostatné vědecké, výzkumné, vývojové činnosti a jeho vlastní vzdělávací činnosti s ohledem na téma disertační práce, přehled studijních předmětů, které je doktorand povinen absolvovat, popis předpokládané účasti na speciálních kurzech, letních školách, přednáškách apod., popis náplně pedagogické praxe, předpokládané místo studijního pobytu v zahraničí, časové rozvržení studia (termíny ukončení předmětů, termín přihlášení ke státní doktorské zkoušce a jejího složení, termín odevzdání disertace). 3. Studijní předměty si doktorand volí po dohodě se školitelem a s ohledem na vybrané téma studia a jeho oborové začlenění zejména z nabídky studijních předmětů akreditovaného doktorského studijního programu. Po dohodě s příslušným garantujícím pracovištěm lze zvolit i studijní předměty z analogické nabídky některé fakulty VUT či jiné univerzity v ČR nebo v zahraničí. V odůvodněných případech lze zapsat maximálně jeden předmět magisterského studia. Doktorand zpravidla zapisuje dva studijní předměty z obecného teoretického základu oboru disertační práce, dva studijní předměty související s tématem disertační práce, jeden předmět měkkých dovedností a odborných znalostí a pokročilý kurz akademické angličtiny. Minimální počet zapsaných předmětů včetně cizího jazyka je šest. 4. Termíny zkoušek je třeba stanovit s ohledem na podmínky postupu do vyšších ročníků: nejméně dvě zkoušky ze studijních předmětů je nutno složit během prvního roku studia (do tohoto minima se započítávají pouze odborné předměty, nikoli předměty měkkých dovedností, kurz anglického jazyka apod.), zkoušky ze všech studijních předmětů je nutno složit a ke státní zkoušce se přihlásit během druhého roku studia, státní doktorskou zkoušku je třeba úspěšně složit během třetího roku studia. 5. Výuka studijních předmětů obvykle probíhá formou konzultací. Pokud si studijní předmět zapíše pět a více studentů, doporučuje se uskutečňovat výuku formou přednášek. V tomto případě výuka probíhá obvykle v rozsahu dvou výukových hodin (2x 50 minut) týdně po dobu deseti týdnů dle „Časového plánu výuky“ příslušného akademického roku. 6. Součástí individuálního studijního plánu doktoranda v prezenční formě studia je pedagogická praxe, která probíhá pod vedením školitele nebo jiného zkušeného pedagoga školicího pracoviště a která slouží k upevnění znalostí doktoranda a k rozvoji jeho prezentačních schopností. Pedagogická praxe se zpravidla uskutečňuje po dobu 4 semestrů v rozsahu průměrně 4 hodiny týdně. 7. Výjimky z výše uvedených zásad pro sestavení individuálního studijního plánu jsou možné v odůvodněných případech.
Návaznost na další typy studijních programů
Studijní program představuje nejvyšší stupeň vzdělávání v oblasti překryvu fyziky, chemie, materiálového inženýrství a nanověd a jejich aplikací. Proto navazuje zejména na akademicky zaměřené navazující magisterské studijní programy „Chemie, technologie a vlastnosti materiálů“, „Chemie pro medicínské aplikace“, „Fyzikální inženýrství a nanotechnologie“ a „Biomedicínské inženýrství a bioinformatika“ a na studijní obor „Materiálové inženýrství“ navazujícího magisterského studijního programu „Aplikované vědy v inženýrství", které jsou uskutečňovány na fakultách VUT.
Vypsaná témata doktorského studijního programu
Recyklace a výroba plastů v současné době dosahuje svého vrcholu. Zároveň dnešní legislativa vyžaduje rychlý proces zpracování bez přítomnosti toxických kovů. Zejména nyní hledá plastikářský průmysl nová řešení v oblasti analytické chemie s dostatečnou a rychlou materiálovou analýzou. Spektroskopie laserem buzeného plazmatu je intenzivně využívána v mnohých odvětvích průmyslu. Pro svou odolnost a přístrojovou variabilnost je tato metoda předurčena pro přímou implementaci do výrobních procesů a dokonce i pro zařazení do výrobních linek. Cílem této práce je návrh zařízení LIBS, metodologie pro klasifikaci jednotlivých materiálů z plastů a zejména pro detekci toxických látek
Školitel: Pořízka Pavel, doc. Ing., Ph.D.
Téma se zaměřuje na optimalizaci kvantitativní analýzy chování buněk s vysokou přesností pro měření reakcí buněk na experimentální léčbu s aplikacemi ve výzkumu rakoviny. Téma zahrnuje buněčnou kulturu, přípravu vzorků pro mikroskopii, časosběrnou akvizici, zpracování obrazu, analýzu dat a interpretaci. Požadavky: znalost základů optiky, buněčné biologie, mikroskopie, programování, schopnost pracovat samostatně i v týmu a vysoká motivace.
Školitel: Zicha Daniel, doc. Ing., CSc.
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. References: [1] J. van de Groep et al., Exciton resonance tuning of an atomically thin lens, Nature Photonics 14, 426–430 (2020).
Školitel: Šikola Tomáš, prof. RNDr., CSc.
Zajímá vás elektronika a nano/mikrotechnologie, a zároveň vás fascinuje lidský mozek a máte motivaci zlepšit lékařskou praxi? Tento projekt v oblasti neuromodulačních technologií oslovuje právě vás. Bezdrátová stimulační zařízení poháněná infračervenými vlnovými délkami světla mohou umožnit minimálně invazivní řešení bez drátů a implantovaných baterií. Tento projekt zahrnuje výrobu a testování světlem poháněné neuromodulátory s důrazem na maximalizaci účinnosti a současně snižování velikosti zařízení. Projekt zahrnuje mikro a nanofabrikaci se zaměřením na polovodičové materiály a elektroniku, a zároveň zahrnuje pokročilá elektrochemická a fotoelektrochemická měření. Spolupráce s neurovědci a účast na studiích na zvířatech je představována jako důležitý aspekt projektu. Student se může naučit pracovat s nově vyvinutými bezobratlými modely pro stimulaci. tj hmyz nebo kroužkovce.
Školitel: Glowacki Eric Daniel, prof., Ph.D.
Zajímá vás elektrochemie a biomedicínské inženýrství, a zároveň vás fascinuje lidský mozek a máte motivaci zlepšit lékařskou praxi? Tento projekt v oblasti neuromodulačních technologií oslovuje právě vás. Hledáme talentované studenty, kteří jsou motivováni zkoumat nové elektronické metody pro řešení problémů ve fundamentální biologii a aplikované medicíně v rámci nového projektu GAČR EXPRO "Ortogonální neuromodulace". Toto interdisciplinární téma zahrnuje fyzikální chemii a elektrochemii, fyziologii, buněčnou biologii a neurovědy. Spolupráce s neurovědci a účast na studiích se zvířaty je považována za důležitou součást projektu.
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.
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 .
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].
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.
Pulsed Electron Paramagnetic Resonance (EPR) methods are intensively used to investigated structure and dynamics of complex macromolecules containing unpaired electrons. Among these methods Pulsed Electron-Electron Double Resonance (PELDOR) also known as Double Electron-Electron Resonance (DEER) has emerged as a powerful technique to determine relative orientation and distance between macromolecular structural units on nanometre scale. For successful applications of pulsed EPR methods it is important to have tools enabling transformation of measured signals into structural information. The goal of this PhD project is to develop new effective computational procedures and computer programs for the processing of measured pulsed EPR data in order to extract structural and dynamical information from experiments. This goal also includes application of the developed computational methods to real experimental data obtained on the molecules tagged with spin labels. For more details please contact Petr Neugebauer.
Školitel: Neugebauer Petr, doc. Dr. Ing., Ph.D.
Uchazeč bude vyškolen v oblasti přeměny dusíku na amoniak, 3D tisku, syntézy, charakterizace a modifikace 2D materiálů. Kandidát se naučí používat různé technologie 3D tisku k dosažení požadovaného designu elektrokatalyzátoru. Naučí se připravovat vysoce výkonná zařízení. Supervisor je Highly Cited Researcher. Více na www.pumera.org, více info o skupině na www.energy.ceitec.cz . Součástí PhD je zaškolení na high tech přístroje, viz www.nano.ceitec.cz
Školitel: Pumera Martin, prof. RNDr., Ph.D.
Doktorské studium se zaměří na charakterizaci materiálů van der waalsovského typu a měření jejich funkčních vlastností. Bude se týkat zejména nových druhů těchto materiálů jako jsou ”MXeny“, jejich multivrstvy s TMD a rovněž i 2D perovskitů. Hlavním experimentálním nástrojem bude elektronová mikroskopie, především nově vyvinutý 4D STEM s fokusovaným iontovým zdrojem (FIB) pro přípravu a in situ analýzu lamel uvedených materiálů a rovněž HR (S)TEM pro získání informací na atomární úrovni. To zabezpečí zkoumání struktury (elektronová difrakce), kompozice (EDS, EELS) a vybraných funkčních vlastností (např. lokalizované povrchové polaritony a jejich vazba s excitony) těchto perspektivních materiálů.
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: Bábor Petr, doc. Ing., Ph.D.
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, doc. Ing., Ph.D.
Téma dizertační páce je zaměřeno na experimentální popis ternárních soustav La-Ni-M v celém koncentračním rozsahu při různých teplotách. Tyto slitiny jsou perspektivní materiály pro tvorbu hydridů fázi a jejich potenciální využití v oblasti hydrogen storage materials. Uchovávání vodíku v pevné fázi má vysoký aplikační potenciál v oblasti energetiky a dopravy. Vzorky slitin budou připraveny pomocí plazmové tavičky a následně dlouhodobě žíhány v ampulích z křemenného skla. Připravené vzorky budou charakterizovány pomocí kombinace statických a dynamických analytických metod, především skenovací elektronové mikroskopie SEM, rentgenové práškové difrakce XRD a termické analýzy DSC/DTA. Na základě získaných dat bude následně zkonstruován experimentální ternární fázový diagram. Z vybraných vzorků bude vytvořen prášek a bude testována jejich reaktivita s vodíkem a studována kinetika adsorpce a desorpce vodíku. Cílem teoretické části práce je modelování fázových rovnovah a fázových diagramů pomocí metody CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams) implementované v programech Pandat a ThermoCalc. Výsledkem teoretické části práce bude predikovaný fázový diagram s co nejlepší shodou se získanými experimentálními a literárními daty. Vzorky slitin budou připraveny pomocí plazmové tavičky a následně dlouhodobě žíhány v ampulích z křemenného skla. Připravené vzorky budou charakterizovány pomocí kombinace statických a dynamických analytických metod, především skenovací elektronové mikroskopie SEM, rentgenové práškové difrakce XRD a termické analýzy DSC/DTA. Na základě získaných dat bude následně zkonstruován experimentální ternární fázový diagram. Z vybraných vzorků bude vytvořen prášek a bude testována jejich reaktivita s vodíkem a studována kinetika adsorpce a desorpce vodíku. Cílem teoretické části práce je modelování fázových rovnovah a fázových diagramů pomocí metody CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams) implementované v programech Pandat a ThermoCalc. Výsledkem teoretické části práce bude predikovaný fázový diagram s co nejlepší shodou se získanými experimentálními a literárními daty.
Školitel: Zobač Ondřej, Mgr., Ph.D.
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]. Projekt bude zaměřen na teoretickou analýzu a fyzikální pochopení činnosti fotonických vlnovodných struktur umožňujících šíření zvoleného typu BIC. Předpokládá se návrh a následný systematický výzkum struktur, která by měly být vlnovodnou obdobou mřížky zkoumané v práci [3] a podporovat tzv. symetrií chráněný BIC. Budou provedeny simulace a potvrzena existence předpokládaného BIC. V návaznosti bude zkoumáno chování tohoto stavu a optimalizovány parametry struktur s cílem dosáhnout požadovaných vlastností. [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
Školitel: Petráček Jiří, prof. RNDr., Dr.
Generativní modely jsou modely strojového učení, které se používají k učení pravděpodobnostního rozdělení dat. Pokud je základní rozdělení správně popsáno, lze jej snadno vzorkovat a získat tak nová data nebo vypočítat (fyzikální) veličiny. V poslední době se objevilo mnoho nových architektur (např. pro generování z textu na obraz) s výjimečnými výkony. V souladu s tím existuje mnoho vědeckých aplikací od kosmologie až po systémy fyziky pevných látek. V této práci budeme zkoumat potenciál těchto modelů pro spektroskopická data. Důraz bude kladen na tzv. energy-based modely, které čerpají inspiraci z fyziky.
Vývoj moderních materiálů, zahrnující povlaky a vrstvy, vyžaduje nové a rozvíjející se trendy v oblasti analytické chemie. Ve srovnání s ostatními analytickými metodami umožňuje spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) rozlišení jednotlivých vrstev na základě přesné hloubky ablačního kráteru. Přesný počet dopadů laserového svazku pro detekci hloubky se liší v závislosti na analyzovaném materiálu. Avšak závislost počtu laserových pulzů na hloubce ablačního kráteru není v odborné literatuře dosud popsána. Cílem této práce je nalézt a popsat ucelenou metodiku pro studium hloubkového profilování s využitím počítačové tomografie a standardních metalografických metod. Komplexní studie bude následně využita pro kalibraci LIBS analýzy. Výstupem se stane ucelená metodologie aplikovatelná napříč technickými odvětvími.
Toto doktorské téma si klade za cíl vytvořit komplexní experimentální a teoretický rámec pro pochopení dynamiky spinových vln ve feromagnetických/supravodivých (F/S) hybridních strukturách. Budou studovány inovativní metody pro excitaci, manipulaci a detekci spinových vln, které přesahují možnosti tradičních magnonických technik. Bude vyvinut multidisciplinární teoretický přístup, který propojí mikromagnetické simulace metodou konečných prvků s pokročilými fenomenologickými modely založenými na Landau-Lifshitz-Gilbertově rovnici pro dipólově-výměnné spinové vlny a Londonových rovnicích nebo Ginzburg-Landauově modelu pro supravodivost. Tento přístup umožní návrh F/S hybridních struktur s přesně definovanými funkčními vlastnostmi. Výzkum se zaměří na využití magnetických rozptylových polí ze supravodivých vzorů k usměrňování a vedení spinových vln v homogenních feromagnetických vrstvách. Cíle práce zahrnují teoretické a numerické zkoumání nereciprokých magnonických součástek, a struktur s proměnlivým indexem lomu pro kontrolu síření spinových vln. Experimentální část práce bude zahrnovat testování prototypů zařízení při mikrovlnných frekvencích až do 50 GHz, v magnetických polích až do 9 T a při nízkých teplotách až do 1,6 K. Výsledky by měly významně přispět k rozvoji oblastí mikrovlnného magnetismu, supravodivosti a nově vznikající oblasti magnonických kvantových technologií.
Školitel: Urbánek Michal, Ing., Ph.D.
Hydrogely jsou v současné době nejslibnějšími materiály pro vlhké hojení chronických ran, nicméně kromě fyzikálních parametrů musí mít i ideální biologické vlastnosti, které nejenom zabrání rychlé eliminaci patogenů, ale také akcelerují hojení rány, včetně jejího prokrvení. Práce se zaměří na aditiva, která by mohla nahradit nadužívaná antibiotika způsobující bakteriální rezistenci a dále pak na látky urychlující hojení, vyrovnávající se s hypoxií rány a nedostatečným prokrvením poškozené tkáně.
Školitel: Vojtová Lucy, doc. Ing., Ph.D.
Metoda rozptylu nízkoenergiových iontů (Low Energy Ion Scattering - LEIS) se využívá při studiu prvkového složení povrchů pevných látek. Unikátní povrchová citlivost metody slouží pro analýzu nejsvrchnější atomové vrstvy zkoumaného materiálu. Jde o nízkoenergiovou variantu slavných experimentů Rutherforda s rozptylem alfa částic na zlatých fóliích. Citlivost metody souvisí především s procesy výměny náboje mezi projektilem a atomy na povrchu vzorku. Pouze malá část projektilů opouští povrch vzorku v ionizovaném stavu. Tato iontová frakce je pro danou kombinaci projektilu a atomu charakteristická a reflektuje dobu interakce. Míra neutralizace se vyjadřuje pomocí tzv. charakteristické rychlosti. Numerická hodnota charakteristické rychlosti je ovlivněna také chemickým uspořádáním povrchu vzorku. Tento projekt bude zkoumat výměny náboje mezi projektily He+ a Ne+ a různými povrchy a tenkými vrstvami. Primární kinetická energie projektilů bude volena v rozmezí 0.5 keV až 7.0 keV. Získané výsledky výrazným způsobem rozšíří aplikační možnosti kvantifikace pomocí metody LEIS. Experimenty budou prováděny na dedikovaném LEIS spektrometru s vysokým rozlišením Qtac100 (ION TOF GmbH) na Ceitec BUT a na partnerských institucích jako je TU Wien, Twente University. Velice efektivním nástrojem pro studium výměny náboje je LEIS spectrometer s energiovým analyzátorem založeným na měření doby letu (Time of Flight - ToF), který umožňuje v jednom experiment porovnávat mezi sebou intenzity ionizované a neutralizované části detekovaného signálu. Proto je v rámci studia navržena stáž ve vědecké skupině profesora Daniela Primetzhofer na Uppsala University ve Švédsku. Reference například: • S. Průša, P. Procházka, P. Bábor, T. Šikola, R. ter Veen, M. Fartmann, T. Grehl, P. Brüner, D. Roth, P. Bauer, H.H. Brongersma, Highly Sensitive Detection of Surface and Intercalated Impurities in Graphene by LEIS, Langmuir 31 (35) (2015) 9628–9635, https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b01935 • S. Průša, M.R. Linford, E. Vaníčkova, P. Bábík, J.W. Pinder, T. Šikola, H. H. Brongersma, A Practical Guide to Interpreting Low Energy Ion Scattering (LEIS) Spectra, Appl. Surf. Sci. (2023) 158793, https://doi.org/10.1016/j. apsusc.2023.158793 • D. Goebl, R.C. Monreal, D. Valdés, D. Primetzhofer, P. Bauer, Calculation of Auger-neutralization probabilities for He+ -ions in LEIS, Nucl. Instrum. Meth. B 269 (2011), https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.11.042
Školitel: Průša Stanislav, doc. Ing., Ph.D.
Experimentální studium růstových módů vrstvených 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, UHV SEM 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. Předpokládá se zapojení do vývoje instrumentace a experimentální práce na několika vybraných systémech.
Školitel: Kolíbal Miroslav, prof. Ing., Ph.D.
Navrhovaný PhD projekt cílí na syntézu a charakterizaci magneticky aktivních komplexů přechodných kovů, specificky železnaté komplexy se změnou spinových stavů a dále kobaltnaté komplexy nebo komplexy lanthanoidů vykazujích vlastnosti Jednomolekulových magnetů. Tyto koordinašní sloučeniny vykazují magnetickou bi- nebo multistabilitu což je činní velmi vhodnými z pohledu aplikace. Původně byly tyto materiály uvažovány pro aplikace pro zpracování a ukládání dat, ale jejich potenciál se od té doby rozrostl do možnosti elektronového přenosu. Toto zahrnuje studium dielektrické permitivity and elektrické vodivosti skrz makroskopický vzorek, deponované povrchy and jednotlivé molekuly integrované do testovacích zařízení. Tento projekt se speciálně zabývá začleněním fotoaktivních částí do molekulové struktury ligandů, umožňujích přepínání různých magnetických stavů světlem. Doktorské studium se zaměří na pokročilou organickou chemii a na techniky přípravy koordinačních sloučenin jak jednojaderných tak i vícejaderných. Nově připravené komplexy budou charakterizovány analytickými a spektrálními technikami. Magnetické vlastnosti boudou studovány pomocí HFEPR&FIRMS a MPMS SQUID magnetometrie. Dále komplexy vykazující nejzajímavější magnetickou bistabilitu budou deponovány na povrchy pomocí sublimace nebo mokré litografie.
Školitel: Šalitroš Ivan, doc. Ing., Ph.D.
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.
Rozptyl nízkoenergiových iontů (Low Energy Ion Scattering - LEIS) je analytická metoda s extrémní povrchovou citlivostí, která se používá k analýze povrchů pevných látek. Jediným prvkem, který nelze přímo pomocí rozptylu iontů inertních plynů detekovat je vodík. Hydroxylové skupiny (-OH) často terminují povrch pevných látek, především skleněných materiálů. Výroba displejů a obrazovek (flat panel displays - FPDs) pro mobilní zařízení a elektroniku představuje velice důležitou a perspektivní technologii. Terminace -OH skupinami výrazným způsobem ovlivňují navazující technologické kroky při výrobě FPDs i samotný výkon vyrobených FPDs, především rozlišení. Charakterizace pokrytí povrchů -OH skupinami klasickými metodami je limitována, nebo zcela vyloučena díky požadavku na vysokou povrchovou citlivost analýzy. Ve spolupráci s Brigham Young University (USA) a Corning corporation (USA) byla vyvinuta nová technika značení -OH skupin a jejich následné kvantifikace (a tag-and-count approach). Její první úspěšné výsledky byly publikovány v časopise Applied Surface Science (více informací naleznete v článku). Skupiny -OH jsou selektivně označeny atomy Zn během ALD deposice (Atomic Layer Deposition) a následně je jejich povrchová koncentrace určena pomocí HS-LEIS analýzy. Předkládané téma PhD studia nabízí zapojení studenta ve všech fázích tag-and-count procesu (příprava povrchů v BYU a analýza pomocí Qtac100 LEIS spektrometru v laboratořích Ceitec VUT a rozvíjí započatou spolupráci našich institucí. Reference například: • Tahereh G. Avval, Stanislav Průša, Cody V. Cushman, Grant T. Hodges, Sarah Fearn, Seong H. Kim, Jan Čechal, Elena Vaníčkova, Pavel Bábík, Tomáš Šikola, Hidde H. Brongersma, Matthew R. Linford, A tag-and-count approach for quantifying surface silanol densities on fused silica based on atomic layer deposition and high-sensitivity low-energy ion scattering, Applied Surface Science 607 (2023), https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154551 • S. Průša, P. Procházka, P. Bábor, T. Šikola, R. ter Veen, M. Fartmann, T. Grehl, P. Brüner, D. Roth, P. Bauer, H.H. Brongersma, Highly Sensitive Detection of Surface and Intercalated Impurities in Graphene by LEIS, Langmuir 31 (35) (2015) 9628–9635, https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b01935 • S. Průša, M.R. Linford, E. Vaníčkova, P. Bábík, J.W. Pinder, T. Šikola, H. H. Brongersma, A Practical Guide to Interpreting Low Energy Ion Scattering (LEIS) Spectra, Appl. Surf. Sci. (2023) 158793, https://doi.org/10.1016/j. apsusc.2023.158793
Použití Kvantových materiálů pro přípravu superkapacitorů. Kandidát získá zkušenost s kvantovými materiály, různými technologiemi přípravy kvantových nanomateriálů, jejich charakterizaci, a přípravě superkapacitorů s vysokou účinností. Supervisor je Highly Cited Researcher. Více na www.pumera.org, více info o skupině na www.energy.ceitec.cz . Součástí PhD je zaškolení na high tech přístroje, viz www.nano.ceitec.cz
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.
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. Reference: Břínek L. et al., ACS Photonics 5 (11), 4378-4385, 2018.
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)
Přítomnost vnitřních rozhraní je důležitá pro funkční vlastnosti materiálů i pro vlastnosti nanočástic. Rozhraní mohou sloužit jako bariéry pro skluz dislokací nebo samy o sobě zprostředkovávat plastickou deformaci. Kromě toho mohou vnitřní rozhraní ovlivnit tvar a symetrii nanočástic. Hranice dvojčat jsou rozhraní, která mají speciální symetrii a zpravidla nízkou energii. U materiálů s nekubickou symetrií (Mg, Ti, Ni-Ti atd.), kde může docházet ke vzniku dvojčat v důsledku plastické deformace, růstu krystalů nebo fázové přeměny, je známé velké množství typů dvojčat. Tento proces je však často spontánní a vývoj metod pro jeho řízení je důležitým a stále nevyřešeným problémem. Tento projekt je věnován počítačovým simulacím procesu dvojčatění s cílem vyvinout metody, jak dosáhnout iniciace a následného růstu vybraného typu dvojčat v nekubických kovových materiálech.
Školitel: Ostapovets Andriy, Ph.D., Mgr.
Projekt cílí na přesnou rekonstrukci pozadí obrazu a segmentaci buněk pomocí umělé inteligence. Kvantitativní fázové zobrazování má specifické požadavky a standardní přístupy vyvinuté pro fluorescenční nebo jiné kontrastní techniky světelné mikroskopie nejsou přímo použitelné. Umělá inteligence bude využita při rozkladu obrazu a opravená nezpracovaná data se nakonec použijí pro dosažení maximální přesnosti fázových měření.
Teoretická analýza nových optických jevů a funkcionalit, kterých lze dosáhnout v moderních nanofotonických strukturách, je nemožná bez využití přiměřených a výkonných numerických nástrojů. Je však zajímavé, že numerické metody založené na principu rozkladu pole do spektra vlastních modů (EME – eigenmode expansion), a tak umožňující hluboké fyzikální pochopení řešené problematiky, jsou často přehlíženy. Cílem projektu je proto vývoj a aplikace nových variant EME, které budou vhodné ke studiu vybraných zajímavých problémů současné nanofotoniky; 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.
For detailed info please contact the supervisor.
Školitel: Kalousek Radek, doc. Ing., Ph.D.
Nitridy Ga, Al a In jsou klíčové materiály pro elektroniku a optoelektroniku, avšak jejich účinnost je silně ovlivněna přenosem náboje na atomární úrovni a interakcemi defektů. Naše výzkumná skupina vyvinula inovativní empirický model, který umožňuje konzistentní popis iontové a kovalentní vazby mezi atomy, což poskytuje nový pohled na tyto komplexní materiály. Tento doktorský projekt je založen na využití počítačových simulací pomocí molekulární statiky a dynamiky ke studiu přenosu náboje a strukturních vlastností okolo defektů v III-nitridech. Ve druhé fázi projektu bude tento přístup aplikován na analýzu klíčových rozhraní mezi III-nitridy a křemíkem, která jsou nezbytná pro integraci těchto polovodičů s existujícími technologiemi. Získané poznatky budou přímo propojeny s probíhajícím experimentálním projektem zaměřeným na optimalizaci epitaxního růstu. Tento výzkum nabízí příležitost pracovat na pomezí počítačového modelování a reálných aplikací a přispět tak k optimalizaci aplikací založených na III-nitridech.
Školitel: Gröger Roman, doc. Ing., Ph.D. et Ph.D.
Cílem doktorského projektu je vyvinout nová teranostika – multifunkční magnetické nanoplatformy kombinující přenos léčiv, magnetickou hypertermii a buněčné zobrazování. Navrhovaná práce kombinuje základní materiálový výzkum v oblasti designu malých molekul a nanočástic se špičkovými nanobiotechnologiemi a biomedicínskými aplikacemi s cílem vyvinout inovativní základ pro funkční nádorovou terapii. Uchazeč bude školen s ohledem na mezioborový rámec a získá odborné znalosti v oblasti syntézy a charakterizace molekulárních a nanomateriálových vzorků s podporou počítačového modelování a biologického testování.
Cílem doktorské práce je využít unikátní funkční vlastnosti nanofotonických zařízení [1] ve specifických oblastech kvantových technologií, např. v kvantových informačních metodách. Nejprve budou aplikována 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 monokrystalech (např. SiC, diamant). Dále budou navrženy, vyrobeny a testovány celodielektrické nanofotonické metapovrchy zajišťující sběr a transfer těchto fotonů [2], [3]. Výstupy tohoto studia přispějí k pokroku v aktuálním úsilí spojeném s v kvantově optickými eperimenty probíhajícími v mikro/nano měřítku. References: [1] L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-optics, Cambridge, 2006 [2] Hui-Hsin Hsiao, Small methods, 1, 2017, 1600064 [3] M. Radulaski et al., Scalable Quantum Photonics with Single Color Centers in Silicon Carbide, Nano Lett., vol. 17, no. 3, pp. 1782–1786, 2017
Toto doktorské téma si klade za cíl vyvinout a prozkoumat nanomagnonická zařízení využívající ultratenké vrstvy CoFeB s kolmo orientovanou magnetickou anizotropií (PMA) jako platformu pro miniaturizované a energeticky efektivní spintronické aplikace. Zaměření bude na využití napětím řízené magnetické anizotropie (VCMA) k dosažení přesné a dynamické kontroly spinových vln, což umožní rekonfigurovatelné magnonické obvody bez potřeby vnějších magnetických polí. Výzkum bude zaměřen na výrobu a charakterizaci tenkých vrstev CoFeB, s důrazem na optimalizaci efektů PMA a VCMA prostřednictvím pečlivého inženýringu materiálů a návrhu rozhraní. Propagace a manipulace se spinovými vlnami v nanoskopických vlnovodech bude analyzována pomocí kombinace mikromagnetických simulací a experimentálních technik, včetně Brillouinova rozptylu světla (BLS) a spintronických experimentů. Klíčovými cíli jsou demonstrace napětím laditelných spinovlnových filtrů, logických hradel a nerecipročních zařízení, která využívají silný efekt VCMA na rozhraních CoFeB/MgO. Dále bude výzkum zkoumat energeticky efektivní mechanismy pro buzení spinových vln a řízení jejich útlumu, což je zásadní pro škálovatelnost magnonických zařízení. Očekává se, že výsledky významně přispějí k rozvoji oblasti nanomagnonik tím, že nabídnou cestu k vysoce integrovaným a nízkoenergetickým magnonickým obvodům vhodným pro technologie přesahující současné CMOS.
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.
Atmosférický plasmatický nástřik a vysokorychlostní nástřik plamenem náleží do skupiny technologií žárového nástřiku, které se široce používají k výrobě funkčních keramických, cermetových a kovových povlaků v nejrůznějších odvětvích průmyslu, a kde kvalita takt připravených povlaků podstatně zvyšuje životnost a zajišťuje spolehlivost povlakovaných komponent v provozu. Obě tyto techniky nabízejí možnost nastavení nepřeberného množství parametrů spojených s materiálem substrátu, materiálem a podáváním prášků, zdroji tepla, přenosu tepla, trajektorií a rychlostí roztavených nebo částečně natavených částic prášků apod., které mají zásadní roli na výsledné kvalitě povlaku. Vzhledem k požadavku na reprodukovatelnou přípravu povlaků je rovněž podstatné se zaměřit na diagnostické systémy procesu žárových nástřiků, které umožní nejen sledovat, ale i řídit celý proces nanášení povlaků včetně vztahu k jejich výsledným vlastnostem. V současnosti dostupné diagnostické systémy jsou často omezeny pouze na měření teploty a rychlosti roztavených částic, které jsou rovněž limitovány velikostí použitých částic prášku. Proto se toto téma zaměřuje na vývoj pokročilejšího diagnostického systému a vlastní výzkum, který pomůže lépe pochopit vztah mezi těmito technologiemi přípravy povlaků, měřenými a zpracovávanými daty z rozdílných senzorů a výslednými vlastnostmi povlaků. Pro vlastní charakterizaci tak například budou využity metody Optické emisní spektroskopie případně Laserové absorpční spektroskopie, které by měli umožnit měření nejen fyzikálních parametrů plazmatu, ale i vlastnosti nanášených částic. Uchazeč si během studia prohloubí znalosti v oblasti návrhu těchto elektronických systémů, programování a zpracování dat, dále se naučí využívat moderní výrobní technologie a charakterizační techniky. Toto téma cílí pouze na vysoce motivované uchazeče s dosavadními vynikajícími výsledky v oblastech elektroniky, fyziky, strojírenství inženýrství a/nebo materiálových věd a inženýrství se schopností pracovat ve výzkumném týmu.
Školitel: Čelko Ladislav, doc. Ing., Ph.D.
Väčšina technických výrobkov vystavených vysokým teplotám a agresívnemu prostrediu je náchylná na zlyhanie v dôsledku tepelných šokov, ktoré spôsobujú degradáciu systému a komponentov a prípadné zlyhanie počas tepelných cyklov. Úprava povrchu nanesením rôznych typov povlakov sa používa v priemyselných odvetviach na zlepšenie účinnosti systému. Tepelné bariérové povlaky (TBC) sa v poslednom čase stali jednou z hlavných priorít priemyselných odvetví zameraných na vysoké teploty. Záujem o používanie nových TBC rastie v dôsledku potreby zvýšiť účinnosť plynových turbínových motorov a systémov na výrobu energie. Nové a moderné TBC boli vyvinuté s cieľom vyriešiť problémy spojené s tradičnými TBC a zároveň zvýšiť ich účinnosť. Nové a moderné TBC sa rozdeľujú do niekoľkých kategórií vrátane TBC s novými materiálmi, ako sú perovskitová a pyrochlorová štruktúra, materiály s vysokou entropiou a nové štruktúry. Jedným z najvýznamnejších nových materiálov, ktoré môžu zmeniť vlastnosti (najmä tepelnú vodivosť) a životnosť TBC povlakov je vysoko-entropická keramika. V posledných rokoch sa pokročilo v oblasti vývoja vysoko entropických materiálov, ktoré majú bezkonkurenčné vlastnosti, akými sú napr. nízka tepelná vodivosť, vysoká tepelná stabilita, nízky CTE, korózna odolnosť a vysoká tvrdosť. Najmä účinky deformácie mriežky a vysokej entropie vedú k nárastu rozptylu fonónov, čo vedie k nízkej tepelnej vodivosti v HEA v porovnaní s jednozložkovými zlúčeninami. Spomedzi vlastností možno nízku tepelnú vodivosť sprevádzanú rozptylom fonónov s rôznymi atómami považovať za jednu z najvýznamnejších vlastností materiálov s vysokou entropiou, vďaka ktorej sú vhodné ako enviromentálne a tepelné bariérové povlaky. Navrhovaná štúdia sa zameria na prípravu a charakterizáciu vysoko-entropickej keramiky a povlakových systémov na báze fluoritu a pyrochlóru pre použitie v extrémnych prostrediach. Je pozoruhodné, že vývoj vysoko-entropických keramických vrstiev s cieľom navrhnúť nový vysoko-entropický keramický materiál s vynikajúcimi vlastnosťami pre praktickú aplikáciu v povlakoch má mimoriadny význam. Tieto kategórie oxidových materiálov majú vo všeobecnosti vysokú teplotu topenia, vysokú tvrdosť a nízku tepelnú vodivosť. Preto sú vhodnými kandidátmi na vysokoteplotné povlaky, najmä na tepelné bariérové povlaky. Kľúčové slová: Vysoko entropická keramika, Tepelná bariéra, Horúca korózia, Vysoká teplota
Budou zkoumány a vyvíjeny algoritmy pro rekonstrukci 3D rozložení indexu lomu nebarvených vzorků z dat získaných holografickým kvantitativním fázovým zobrazením s nekoherentním zdrojem světla pomocí Telight Q-Phase mikroskopu. Algoritmy budou cíleny na vysoce rozptylující vzorky biologické povahy a rekonstrukce v reálném čase. Výsledky budou pilotně testovány na trojrozměrných biologických vzorcích obvyklých zejména v nádorovém výzkumu a digitální histopatologii. Požadavky: znalost základů optiky, buněčné biologie, mikroskopie, programování, schopnost pracovat samostatně i v týmu a vysoká motivace.
Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.
Magnetické materiály představují vysoce laditelnou platformu pro konstrukci adaptivních optických a magnonických prvků. Kromě toho lze parametry uspořádání v komplexních materiálech s magnetickým fázovým přechodem řídit pomocí různých řídicích sil, jako je teplota, magnetické a elektrické pole, napětí, spinově polarizované proudy a optické pulsy. Ph.D. kandidát prozkoumá metamagnetický fázový přechod prvního řádu v materiálech, které byly vystaveny silnému prostorovému omezení a optickým podnětům a navrhne nové funkční systémy kombinací jednotlivých struktur s dobře kontrolovanými vlastnostmi do 2D a 3D polí.
Školitel: Uhlíř Vojtěch, Ing., Ph.D.
Implementace antiferomagnetických materiálů ve spintronických zařízeních by umožnila zvýšit operační rychlosti až do terahertzové oblasti a zmenšit velikost zařízení na nanometrové měřítko díky absenci magnetických rozptylových polí. Dizertační práce se zaměří na zkoumání základních fyzikálních mechanismů pro ovládání antiferomagnetických konfigurací pomocí elektrického proudu. Příslušné jevy souvisejí se spin-orbitálními momenty vytvářenými spinovým Hallovým jevem, případně s fragmentací antiferomagnetických domén pulzy elektrického proudu nebo laseru. Modelové platformy budou zahrnovat antiferomagnetické a ferimagnetické materiály.
SiC má v polovodičových aplikacích oproti křemíku několik výhod: SiC má 10x vyšší průrazné dielektrické pole, 2x vyšší rychlost nasycení elektronů, 3x vyšší energetický pásový odstup a 3x vyšší tepelnou vodivost. Nevýhodou je cena a dostupnost SiC desek. Proto je zapotřebí klíčových zlepšení a inovací v oblasti leštění povrchu SiC, které je vzhledem k jeho vysoké tvrdosti a chemické a tepelné stabilitě velmi obtížné. Jednou ze slibných technik používaných při vývoji leštění SiC je plazmové leptání. Cílem této práce je prohloubit porozumění interakci různých plazmatu s povrchem SiC a navrhnout optimalizované postupy pro průmyslové aplikace. Doktorand tak bude úzce spolupracovat s českou pobočkou ONSEMI v Rožnově. Reaktivní iontové leptání (RIE) SiC se bude skoumat v radiofrekvenčním (RF) indukčně vázaném plazmatu (ICP), ve kterém může být na zpracovávanou SiC desku přivedeno RF nebo LF (nízkofrekvenční) napětí. Procesy leptání a leštění budou ovlivněny volbou pracovních plynů (např. Ar, kyslík, SF6) a změnami rozdělovací funkce energií iontů. Základní výzkum interakce iontů s povrchem SiC bude využívat také leptání reaktivním iontovým svazkem (RIBE), při kterém je energie iontů přesně definována jejich urychlovacím napětím a je také možné měnit úhel dopadu iontů nakláněním substrátu. Povrchové vlastnosti budou analyzovány s ohledem na drsnost a hloubku poškozené vrstvy např. pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM), elipsometrie, optické Ramanovy nebo fluorescenční mikroskopie, analýzou složení povrchu a krystalinity. Kvalita povrchu bude také testována pomocí epitaxiálního růstu SiC.
Školitel: Zajíčková Lenka, doc. Mgr., Ph.D.
Plazmová úprava a plazmochemická depozice jsou vysoce účinné technologie pro modifikaci polymerních povrchů, protože tyto procesy využívají vysoce reaktivní prostředí plazmatu, které umožňuje nízké teploty zpracování. Tyto technologie jsou suché, a proto patří k ekologickým alternativám chemické modifikace povrchů, která vyžaduje velké množství kapalných chemikálií. Složitost interakcí mezi plazmatem a povrchem však brání celkovému pochopení a optimalizaci procesů. Cílem práce je zlepšit znalostní základnu pro plazmovou úpravu polymerů plazmovými tryskami za atmosférického tlaku. Jedním z úkolů bude pochopení faktorů ovlivňujících pevnost adhezních spojů plazmou upravených polymerů, jako je polypropylen, kombinací několika metod charakterizace povrchu. Další úkoly se týkají plazmové aktivace hybridních polymerních kompozitů a hydrogelů.
Nedávný vývin technologií pro detekci rentgenového záření se pojí s řadou nových aplikací ve sféře výpočetní tomografie. Systémy pro přímou konverzí záření umožňují přesnější lokalizaci detekovaných fotonů a signál na jejich výstupu je přímo úměrný energii dopadajícího záření. Špičkové moderní detektory na bázi čítání fotonů pak navíc umožňují rozlišení jednotlivých dopadajících fotonů a přesný výčet energie každého z nich. Všechny tyto technologie pak mohou být využity ke zrychlení akvizice za udržení nízké úrovně šumu, spektrálnímu zobrazování s vysokým rozlišením a kvantitativním tomografickým metodám. Tyto pokročilé detektory však byly vyvinuty teprve nedávno, a proto vyžadují další vývoj a výzkum z hlediska jejich využití. Cílem tohoto tématu je studovat možnosti těchto metod v metrologii a průmyslové tomografii, kde je potřeba dbát především na přesnost měření rozměrů analyzovaných vzorků, což je zaručeno kalibrací detektorů podle široce uznávaných norem a předpisů.
Školitel: Zikmund Tomáš, doc. Ing., Ph.D.
Rentgenová počítačová tomografie (CT) je jednou z nejvýznamnějších metod pro 3D vizualizaci a inspekci. Tato nedestruktivní metoda poskytuje zejména dostatečné rozlišení a kontrast pro vyhodnocení jakýchkoliv mikrostrukturních vlastností a to se schopností rozlišit struktury i pod jeden mikron. Kompletní informace o jakémkoli biologickém vzorku, lze pak snadno získat nedestruktivním způsobem a umožnit tak vizualizaci a kvantifikaci buněčných vlastností a intracelulárních prostorů, což otevírá cestu pro virtuální histologii, zobrazování živých buněk a korelativní mikroskopii. Tato práce se zabývá praktickou implementací laboratorních CT systémů s vysokým rozlišením pro zobrazování a především 3D charakterizaci biologických struktur, a to na základě vývoje specializovaných metodik pro přípravu vzorků a jejich následné CT měření, spolu s testováním a hodnocením možností pokročilých CT technik jako je zobrazování ve fázovém kontrastu nebo duálně-energiové CT pro dané aplikace.
Rychlý pokrok v aditivní výrobě revolučně změnil výrobu složitých porézních struktur z kovů, keramiky a polymerů. Integrací hybridních výrobních technologií můžeme dosáhnout bezprecedentní kontroly nad topografií, čímž otevíráme nové možnosti pro vysoce funkční buněčné materiály. V rámci tohoto doktorského projektu budete mít příležitost osvojit si a dále rozvíjet nejmodernější výrobní technologie buněčných materiálů za účelem zlepšení jejich mechanických, chemických, optických, magnetických a biologických vlastností. Budete pracovat ve špičkových laboratořích CEITEC-VUT, kde budete využívat pokročilou infrastrukturu k výzkumu a posouvání stávajících limitů buněčných materiálů pro širokou škálu potenciálních aplikací. Hledáme vysoce motivovaného kandidáta s proaktivním přístupem, silnou vědeckou zvědavostí a základem v profesních, metodologických a etických výzkumných přístupech. Pokud máte vášeň pro inovace a touhu přispět k průlomovým objevům v oblasti buněčných materiálů, neváhejte se přihlásit.
Školitel: Montufar Jimenez Edgar Benjamin, M.Sc., Ph.D.
Přechod kov-izolant (PKI) je fázový přechod hmoty mezi stavy s vysokou a nízkou vodivostí, obvykle spojený se silnými korelacemi mezi elektrony. Materiály vykazující PKI jsou slibnými kandidáty pro aplikace spojené s rychlým optickým spínáním nebo novými optickými prvky. Zatímco mechanismus PKI v objemových materiálech je uspokojivě popsán, mnohem méně je známo o roli hranic domén, atomárních defektů, nebo rozhraní v nanostrukturách. Dizertační práce bude zaměřena na využití teplotně závislé analytické elektronové mikroskopie k získání hlubokého vhledu do souvislostí mezi teplotou, lokální krystalovou strukturou a elektronovou strukturou pro PKI ve specifickém materiálu, například oxidu vanadičitém.
Školitel: Křápek Vlastimil, doc. Mgr., Ph.D.
Množství dat, která generují současné nejmodernější systémy spektroskopie laserem buzeného plazmatu, neustále roste. Data mají běžně miliony objektů (spekter) a tisíce proměnných (vlnových délek). Tento nárůst v objemu dat ovlivňuje kapacitu a možnosti ukládání dat, jejich sdílení a zpracování. Zefektivnění těchto procesů je pak možné např. snížením dimenze samotných surových dat. Toho budiž dosaženo filtrováním nepotřebné, nadpočetné informace a šumu z analyticky významné informace. V této práci budou aplikovány pokročilé nelineární matematické algoritmy. Základním parametrem nově vytvářených algoritmů zpracování dat je pak robustnost. Výstupy této práce budou využity ve zpracování dat napříč aplikacemi, z nichž nejstěžejnější je víceprvkové mapování povrchu vzorků.
Rentgenová počítačová tomografie se začíná řadit mezi zobrazovací metody běžně používané v oblastech výzkumu vývojové biologie a ostatních biologických oborů. MikroCT sken nativního vzorku zobrazí pouze mineralizovanou kostní tkáň. V případě, že je potřeba zobrazit i okolní měkké tkáně se musí vzorek nabarvit v roztocích prvků s vysokým protonovým číslem. Spojení skenů nativního a nabarveného vzorku umožní přeskočení časově velmi náročného procesu manuální segmentace mineralizovaných kostí v nabarveném datasetu, tento přístup nabídne novou, rychlejší metodu analýzy komplexních biologických vzorků. Součástí této práce bude optimalizace metod barvení měkkých tkání a ko-registrace nativního a barveného datasetu.
Školitel: Kaiser Jozef, prof. Ing., Ph.D.
The topic is focused on development of numerical methods for rigorous simulation of electromagnetic wave propagation in arbitrary inhomogeneous media. Namely, we assume investigation of the techniques based on the expansion into plane waves and/or eigenmodes in combination with perturbation techniques. Developed techniques will applied to modeling of light scattering by selected biological samples. Requirements: - knowledge in fields of electrodynamics and optics corresponding to undergraduate courses - basic ability to write computer code, preferably in Matlab.
Cílem práce je vyvinout rychlé nástroje pro zpracování silových dat z měření pomocí rastrovací mikroskopie SPM (Scanning Probe Microscopy) na površích z oblasti živých věd a léḱařství. Vyvíjené postupy se budou zaměřovat na klasifikaci křivek pomocí metod strojového učení, získávání informace o kvalitě měřených dat a následném předání této informace kontroléru mikroskopu a získání odhadů elektrických a mechanických parametrů povrchu se známou nejistotou měření. Po výpočetní stránce bude také rozvíjena některá z metod umožňujících zrychlení fitování dat, kromě využití strojového učení například pomocí hradlových polí FPGA či grafických karet. Výsledným cílem je kombinace těchto metod do autonomního SPM určeného pro využití v lékařství a živých vědách, ve spolupráci s dalšími partnery evropského projektu MSCA-Doctoral Network “Autonomous Scanning Probe Microscopy for Life Sciences and Medicine powered by Artificial Intelligence (SPM4.0)” Uchazeč se zaměří na tyto oblasti: • Vývoj metod strojového učení a fitování dat reprezentujících křivky síla-vzdálenost a síla-vzdálenost-proud získané pomocí SPM. • Vývoj souvisejících algoritmů pro volně šiřitelný program Gwyddion určený pro analýzu SPM dat (http://gwyddion.net) • Integrace algoritmů do autonomních mikroskopů vyvíjených v projektu SPM4.0. • Spolupráce na cílech projektu SPM4.0 v rámci společného výzkumu s ostatními doktorandy, školení organizovaných projektem a stážích v partnerských institucích. Kandidát bude podpořen tříletou pracovní smlouvou v Českém Metrologickém Institutu, pokrytou z prostředků projektu Horizon Europe MSCA-Doctoral Network “Autonomous Scanning Probe Microscopy for Life Sciences and Medicine powered by Artificial Intelligence (SPM4.0)”. Projekt je financován Evropskou unií (GA: 101168976) a celkem zahrnuje 16 PhD. studentů v 10 evropských výzkumných institucích a firmách. Uchazeč musí splňovat podmínky programu MSCA Doctoral Network, další detaily jsou uvedeny zde.
Školitel: Klapetek Petr, Mgr., Ph.D.
Cílem doktorského studia je připravit uspořádané soubory molekulárních magnetů/qubitů na povrchu grafenu a popsat způsob externího ovlivnění magnetické interakce mezi nimi. Jedná se experimentální práci v UHV, která je podpořena probíhajícím projektem GAČR. (Plná anotace je k dispozici v anglické verzi)
Školitel: Čechal Jan, prof. Ing., Ph.D.
Proces samouspořádání chirálních molekul na površích představuje zásadní aspekt v enantioselektivní katalýze a chirální separaci. Přestože některé chirální systémy byly již v literatuře popsány, samotný proces uspořádání, transformace vrstev a dynamika molekul na povrchu zůstávají neprozkoumané. Cílem této dizertační práce je studium a pochopení molekulární difuze, adsorpční kinetiky a mechanizmů vedoucích k tvorbě homochirálních domén. Molekulární systémy budou studovány v podmínkách ultravysokého vakua (UHV) unikátní kombinací charakterizačních metod zahrnující převážně nízkoenergiovou elektronovou mikroskopii (LEEM), rastrovací tunelovou mikroskopii (STM) a rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii (XPS).
Školitel: Procházka Pavel, Ing., Ph.D.
Dizertační práce se zaměří na nalezení efektivních cest k ovládání magnetických konfigurací bez aplikovaných magnetických polí pomocí femtosekundových laserových stimulů. Zúčastněné fyzikální jevy jsou spojeny s ultrarychlou spinovou dynamikou a souvisejícím přenosem energie a momentu hybnosti mezi spinem, elektrony a mřížkou. Navrhovaný experimentální přístup bude využívat magnetické heterostruktury ke generování kolektivních magnetických excitací. Postupným cílem by byla implementace systému pro transportní měření spinových proudů v geometrii laterálního spinového ventilu. Projekt předpokládá předchozí zkušenosti s optickými sestavami.
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.
Spektroskopie elektronové paramagnetické rezonance (EPR) má mnoho využití v chemii, fyzice, biologii, materiálové vědě a medicíně. Ve srovnání s nukleární magnetickou rezonancí (NMR) je však využití EPR v aplikovaných vědách méně rozšířené, částečně proto, že interpretace a analytická práce potřebná pro porozumění výsledkům sady pozorování vyžaduje spektroskopistu s odborným zázemím v této technice. Tento doktorský projekt bude využívat současné algoritmy strojového učení (SU) k automatizaci spektrální analýzy pomocí počítačově simulovaných spekter jako trénovací sady a ověření konceptů jejich aplikace na reálná data získaná v laboratoři. To pomůže přiblížit silné vlastnosti EPR jako charakterizační a diagnostické techniky dalším komunitám uvnitř i vně akademické sféry tím, že vytvoří automatizovaný nástroj pro spektrální analýzu. Rozsáhlá škála možných EPR experimentů zapříčiňuje, že je nepraktické nebo dokonce nemožné pokrýt všechny možné režimy měření a aplikace. Student se tedy zaměří na metodu spinového zachycení, která využívá EPR v režimu kontinuálního vlnění k identifikaci radikálů v katalytických reakcích. Existuje rozsáhlá online databáze pro přiřazování radikálů k jejich spektrálním parametrům získaným za pomoci EPR a tento proces přiřazování bude také automatizován. Po úspěchu v této aplikaci může být pracovní postup adaptován na použití v jiných problémech spektrálního fitování. Cíle, kterých má být dosaženo: - Seznámit se se současnými poznatky, porozumět teorii a aplikacím EPR spektroskopie. - Identifikovat rozsah všech relevantních parametrů EPR pro běžná činidla a adukty sloužící ke spinovému zachycení a vyvinout algoritmus pro vytvoření trénovací sady pro algoritmus SU. - Vybrat a vytrénovat SU algoritmus s jedním, dvěma a případně více druhy aduktů s proměnlivou koncentrací za účelem automatizace fitování experimentálních dat. - Použít online databázi (https://tools.niehs.nih.gov/stdb/index.cfm) pro umožnění automatické identifikace radikálů na základě výsledků fitování. - Vyvinout nástroj s uživatelským rozhraním, aby bylo řešení dostupné komunitě prostřednictvím otevřených úložišť. - Připravit odborné články s popsanými a diskutovanými výsledky, které budou zaslány do recenzovaných časopisů. Klíčová slova: Elektronová paramagnetická rezonance (EPR), strojové učení (SU), spinové zachycení, radikál, katalýza. Literature: [1] WEIL, John A. a James R. BOLTON. Electron paramagnetic resonance: elementary theory and practical applications. 2nd edition. Hoboken: Wiley-Interscience, 2007. ISBN 978-0-471-75496-1. [2] Jeschke, G. (2019). Quo vadis EPR? Journal of Magnetic Resonance, 306, 36–41. https://doi.org/10.1016/J.JMR.2019.07.008 [3] Biller, J. R., & McPeak, J. E. (2021). EPR Everywhere. Applied Magnetic Resonance 2021 52:8, 52(8), 1113–1139. https://doi.org/10.1007/S00723-020-01304-Z [4] Roessler, M. M., Salvadori, E. (2018). Principles and applications of EPR spectroscopy in the chemical sciences. Chemical Society Reviews, 47(8), 2534–2553. https://doi.org/10.1039/C6CS00565A
Zatímco aditivní výroba polymerů je stále populárnější pro designové studie, rychlé prototypování a výrobu nekritických náhradních dílů, její použití ve strukturálně zatížených součástech je stále vzácné. Jedním z důvodů může být skepse inženýrů, kvůli nedostatku znalostí ohledně očekávané životnosti a spolehlivosti, stejně jako znalostí mechanismů porušení. Předložená práce bude proto zaměřena na únavové poškození aditivně vyráběných polymerních materiálů, experimentální testování těchto materiálů a také na numerické modelování únavového poškození a šíření únavových trhlin v těchto materiálech. Tato práce bude řešena v úzké spolupráci s PCCL- Polymer Competence Center v Leobenu.
Školitel: Hutař Pavel, prof. Ing., Ph.D.
V současné době dochází k velkému rozvoji nanomateriálů, které nachází využití v průmyslu. S jejich masovým využitím se zvyšuje riziko průniku do životního prostředí, a proto je nutné monitorovat jejich vliv na různé ekosystémy. Spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) je optická emisní metoda vhodná mimo jiné pro prvkové mapování povrchu velkých vzorků. Informace o biodistribuci a bioakumulaci materiálu v organismu je velmi důležitá pro správné vyhodnocení jeho toxického efektu. Metoda LIBS dokáže s dostatečným rozlišením detekovat kontaminanty v rostlinách. Cílem této práce je stanovení bioakumulace a translokace vybraných nanomateriálů v rostlinách.
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.
Hořčíkové a titanové slitiny jsou důležitými strukturálními materiály ve špičkových aplikacích, jakými jsou letecký/kosmický nebo medicínský průmysl. Tyto materiály vykazují velmi výhodnou kombinaci nízké hustoty, mechanické pevnosti, korozní odolnosti a biokompatibility. Při současném rychlém rozvoji aditivních technologií, je nutné navrhovat materiály s vlastnostmi specificky navrženými pro konkrétní aplikace. Z toho důvodu je nezbytné kompletně porozumět procesům, které řídí chování materiálů. Hořčíkové a titanové slitiny mají hexagonální (HCP) krystalovou strukturu. Toto uspořádání atomů způsobuje existenci komplexních mechanismů plastické deformace, které obsahují skluz a dvojčatění. Výzkum těchto mechanismů je složitý, protože se odehrávají v širokém intervalu časových a rozměrových měřítek od úrovně atomů až po velikost materiálových zrn. Dizertační práce se bude zabývat výzkumem plastického skluzu a dvojčatění při komplexním zatěžování na mikroúrovni. Na základě tohoto výzkumu budou navrženy způsoby kontroly těchto procesů pro dosažení požadovaných makroskopických mechanických vlastností. Analýza bude založena na kombinaci teoretického a experimentálního přístupu. Teoretická část bude obsahovat simulace pomocí metody konečných prvků kombinované s pokročilými teoriemi plasticity a experimenty budou založeny na nanoindentačních technikách, které jsou schopné vytvořit komplexní napěťový stav.
Školitel: Šiška Filip, Dr. Ing., Ph.D.
Demineralizace tvrdých tkání (zubů a kostí) je proces, při kterém jsou z hydroxyapatitové matrice tkáně uvolňovány minerální ionty (především vápník a fosfát). K tomu může docházet přirozeně v důsledku onemocnění (zubní kaz a osteoporóza) a úrazu nebo uměle např. vlivem kyselých roztoků. Demineralizace je také spojena s akumulací těžkých kovů v tvrdých tkáních. Tato práce bude zaměřena na analýzu demineralizovaných zubů a kostí pomocí spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS). Studium tkání s různými zdroji demineralizace, jako jsou těžké kovy, zubní kaz nebo umělé roztoky, a metodika pro včasnou detekci osteoporózy budou hlavními cíli této práce.
Doktorská práce se bude zabývat výzkumem v oblasti plynných katalytických reakcí pomocí analytických metod schopných monitorovat průběh reakce v reálném čase. Reakce budou studovány různými analytickými metodami, jako jsou UHV-SEM, E-SEM, MS, SIMS s cílem lépe porozumět mechanismu katalýzy na různých typech povrchů (krystaly, nanočástice) a v širokém rozsahu reakčních tlaků. V první fázi bude studována oxidace oxidu uhelnatého a následně další oxidační či redukční reakce důležité v technické praxi. Součástí práce bude i vývoj nových metod a zařízení umožňující pozorování v reálném čase a při různých experimentálních podmínkách.
Holografické kvantitativní fázové zobrazení s nekoherentním zdrojem světla (HiQPI) je unikátní zobrazovací technika vyvinutá naší skupinou. Umožňuje získávat vysoce kvalitní kvantitativní fázové obrazy vzorků, například živých buněk, a to i v případě, když jsou ponořeny do rozptylujícího prostředí. Velkou výzvou pro kvantitativní fázové zobrazování je dosažení superrozlišení, neboť přístupy obvyklé v mikroskopii nejsou aplikovatelné. Nedávné výpočty, simulace i experimenty a ukázaly, že v HiQPI je možné dosáhnout subdifrakčního rozlišení (superrozlišení) díky částečně koherentnímu osvětlení, což je v holografické mikroskopii unikátní. Neprozkoumaná zůstává i oblast aplikace kvantové Fisherovy informace umožňující prolomit klasický limit rozlišení v případě speciálních typů objektů. Student prozkoumá různé techniky k dosažení superrozlišení a jejich využitelnost v HiQPI. Součástí řešení tématu bude teoretický rozbor každé metody, návrh jejího provedení v HiQPI a v neposlední řadě také experimentální ověření na mikroskopu Q-Phase. Nejúspěšnější technika superrozlišení pak bude aplikována na experiment se živými buňkami.
Elektronová konfigurace přechodných kovů, která se vyznačuje neúplnou vrstvou elektronového obalu a ochotou darovat kationty, umožňuje přípravu koordinačních komplexů, které jsou reprezentovány poměrně širokým rozsahem oxidačních stavů s jedinečnými chemickými a fyzikálními vlastnostmi, jež mají velký potenciál v nových ekologicky šetrných a ekonomicky přijatelných energetických aplikacích. Téma disertační práce je zaměřeno na vývoj nových protokolů zelené chemie, mechanochemie a/nebo práškové metalurgie pro syntézu vybraných koordinačních komplexů na bázi přechodných kovů a studium jejich interakce s různými prostředími, charakterizaci jejich vlastností, jakož i jejich zhutňování a slinování do formy prekurzorů nebo targetů využívaných tenkovrstvými technologiemi. V průběhu studia bude mít uchazeč možnost pracovat na vývoji nových protokolů chemických syntéz a osvojit si řadu moderních technologií charakterizace a výroby materiálů. Přihláška je určena pouze pro vysoce motivované kandidáty schopné pracovat v kolektivu s dosavadními vynikajícími výsledky a ambicemi v pokroku v oblasti chemie, materiálových věd a strojírenství.
Dynamická nukleární polarizace (DNP) je jev, který významně zesiluje citlivost NMR (stokrát a vice). Existuje několik mechanismů DNP, přičemž všechny vychází z přenosu polarizace spinu elektronu (pocházející ze speciálního polarizačního činidla) na jádro. Tento process je do značné míry závislý na relaxaci spinu elektronu polarizačního činidla. Kvůli technologickým limitům se nicméně dynamika spinu polarizačních činidel studuje jen zřídka při frekvencích nad 100 GHz, repsketive 263, 329 a 394 GHz, což odpovídá frekvencím jádra v NMR při 400, 500 a 600 MHz. Vlastnosti relaxace spinů jsou obvykle studovány pulsními metodami. Stávající úroveň mikrovlnných zdrojů při THz frekvencích bohužel neumožňuje, především z hlediska výstupního výkonu, implementaci pulsních technik v širokém pásmu frekvencí. Z tohoto důvodu je spektroskopie rapidně skenovací elektronové spinové rezonance (RS-EPR) jediná možná technika pro studium dynamiky spinů při THz frekvencích. V tomto projetu bude PhD student (i) vyvíjet a implementovat techniku vysokofrekvenčních měření ve spektrometru vysokofrekvenční EPR ve vysokém magnetickém poli a (ii) studovat procesy relaxace spinů různých polarizačních činidel DNP v širokém pásmu frekvencí a teplotním rozpětí.
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.
Cílem doktorského studia je připravit 2D metalo-organické sítě na grafenu a získat tak hybridní materiál potenciálně vykazující netriviální topologické vlastnosti. Pro více informací, prosím, kontaktujte Jana Čechala.
Pro splnění narůstajících požadavků na výkon laseru, kvalitu optického svazku, účinnost, rozměry a hmotnost je nezbytné optimalizovat design aktivního prostředí laseru. Díky nedávnému technologickému pokroku v polykrystalické keramice se otevřela cesta k nové architektuře aktivního prostředí laseru, která byla dříve u monokrystalů nedosažitelná. Cílem tohoto Ph.D. tématu bude vyvinout keramické kompozitní struktury optické kvality založené na yttrito-hlinitém granátu dopovaného prvky vzácných zemin. Pro přípravu laserových keramik budou použity pokročilé tvarovací a slinovací technologie založené na koloidním tvarování včetně 3D keramického tisku a slinovaní za zvýšeného tlaku. Keramiky budou hodnoceny z hlediska efektivnosti a využitelnosti v zamýšlených laserových aplikacích.
Školitel: Trunec Martin, prof. Ing., Dr.
Vodík je velmi perspektivním a ekologickým palivem, které může přinést významné ekonomické a environmentální výhody. Hlavní překážkou pro budoucnost vodíkové technologie je však bezpečné a efektivní ukládání vodíku (HS). Ukazuje se, že jednou z možností je HS v pevné fázi kovových materiálů (HSM). Avšak dosud zkoumané HSM nemají vlastnosti vhodné pro ukládání vodíku při teplotách a tlacích vyžadovaných pro technické aplikace. Hlavní téma této práce je proto studium HS vlastností nových modelových slitin s potenciálem sorpce vodíku za pokojových teplot a nízkých tlaků. Jedním z možných způsobů ovlivnění HS vlastností je změna stavu struktury a chemického složení HSM. Výsledky by mohly ukázat nový směr vývoje HSM.
Školitel: Král Lubomír, Ing., Ph.D.
Tato disertační práce zkoumá synergii mezi umělou inteligencí (AI) a multirozměrovou robotikou s cílem pokročit ve vývoji robotických systémů schopných fungovat na různých měřítkách, od nano až po makro. Výzkum využívá algoritmy řízené AI pro přesné řízení, plánování pohybu a adaptaci v dynamických prostředích, což umožňuje robotům vykonávat složité úkoly s vysokou efektivitou a přesností. Zvláštní důraz je kladen na integraci strojového učení s technologiemi robotické výroby, navigace a manipulace za účelem řešení výzev v oblasti škálovatelnosti, koordinace a funkčnosti. Spojením robotiky, AI a materiálového inženýrství tento interdisciplinární výzkum přispívá k vývoji transformačních technologií v oblastech, jako jsou biomedicínské aplikace, pokročilá výroba a monitorování životního prostředí. Závěry práce významně rozšiřují schopnosti multirozměrových robotických systémů prostřednictvím inteligentního návrhu a provozu.
Tato disertační práce zkoumá využití umělé inteligence (AI) k urychlení objevování a návrhu pokročilých materiálů. Pomocí algoritmů strojového učení a přístupů založených na datech si výzkum klade za cíl predikovat vlastnosti materiálů, optimalizovat jejich složení a identifikovat nové kandidáty pro specifické aplikace. Studie integruje počítačové modelování s experimentálním ověřováním za účelem řešení výzev v oblasti výkonu materiálů, udržitelnosti a nákladové efektivity. Tento interdisciplinární rámec propojuje AI, materiálové inženýrství a chemii, čímž nabízí inovativní cesty pro vývoj materiálů nové generace pro energetiku, zdravotnictví a environmentální technologie. Závěry práce významně přispívají k pokroku v oblasti objevování materiálů prostřednictvím metod založených na umělé inteligenci.
This thesis investigates the application of Artificial Intelligence (AI) to revolutionize the design, optimization, and functionality of sensors, with a specific focus on gas sensors and biosensors. AI-driven algorithms are utilized to analyze sensor data, enhance sensitivity, and improve selectivity by predicting material performance and optimizing sensor architectures. The research integrates machine learning with sensor fabrication and signal processing to address challenges such as miniaturization, real-time monitoring, and multi-analyte detection. By bridging AI, materials science, and sensor technology, this work advances the development of intelligent sensing systems for applications in healthcare, environmental monitoring, and industrial processes. The findings contribute significantly to the evolution of next-generation sensors through AI-enhanced methodologies.
Tato disertační práce se zabývá integrací umělé inteligence (AI) za účelem revoluce v technologii baterií se zaměřením na zlepšení výkonu, životnosti a udržitelnosti. Pokročilé algoritmy strojového učení jsou využívány k modelování chování baterií, predikci degradace a optimalizaci nabíjecích strategií. Díky využití poznatků založených na datech se výzkum zaměřuje na klíčové výzvy v návrhu baterií, včetně zlepšení energetické hustoty, bezpečnosti a výběru materiálů. Tento interdisciplinární přístup propojuje AI a elektrochemii, čímž poskytuje inovativní řešení pro systémy ukládání energie nové generace. Práce významně přispívá k vývoji chytřejších a efektivnějších baterií pro aplikace sahající od spotřební elektroniky přes elektromobily až po obnovitelné zdroje energie.
Rentgenové snímání nabízí možnost nedestruktivně vizualizovat vnitřní strukturu měřeného vzorku. Často se používá k určení přítomnosti a morfologie vad (inkluze, póry, trhliny atd.) ve vzorcích v mnoha odvětvích. Umělá inteligence a konkrétně hluboké učení představují v současnosti nejvýkonější metody v různých oblastech analýzy obrazů, včetně detekce defektů. Nicméně, často vzniká problém s omezeným množstvím či nízkou kvalitou anotovaných obrazových dat. V tomto projektu budou vyvinuty pokročilé strategie trénování a weakly-supervised či unsupervised techniky pro tvorbu robustních modelů hlubokého učení pro detekci defektů v průmyslovém rentgenovém snímání. Tyto modely budou nakonec validovány na mnoha skutečných aplikacích rentgenové deteckce defektů.
Príprava prášku je dôležitou fázou výroby povlakov tepelným striekaním s požadovanými vlastnosťami, pretože zloženie prášku, distribúcia častíc, tvar, hustota a mechanická odolnosť zohrávajú kľúčovú úlohu v mikroštruktúre povlaku a jeho tepelno-mechanických vlastnostiach. Kľúčovou vlastnosťou prášku na tepelné striekanie je tekutosť, ktorú možno upraviť prostredníctvom morfológie, veľkosti a distribúcie častíc. Dobrá tekutosť prášku sa dá dosiahnuť vhodným spracovaním prášku, ktoré môže zahŕňať mechanické mletie a metódy sušenia rozprašovaním, ktoré výrazne ovplyvňujú kvalitu a vlastnosti prášku. Preto chýbajú hĺbkové a systematické štúdie o vzťahu medzi technológiou spracovania prášku, jeho tekutosťou a striekateľnosťou a výslednou mikroštruktúrou a funkčnými vlastnosťami tepelne striekaných povlakov. Cieľom tejto dizertačnej práce je preskúmať možnosti kombinácie technológií spracovania práškov prostredníctvom mechanického mletia a sušenia rozprašovaním na výrobu pokročilých keramických práškov na báze oxidov vzácnych zemín, ktoré budú vhodné na následné tepelné striekanie funkčných povlakov. Špecifické zameranie štúdie je venované pochopeniu vzťahu medzi chemickým zložením prášku, morfológiou, mikroštruktúrou a jeho tekutosťou, čo je podporené vývojom príslušných prístupov na charakterizáciu tohto vzťahu. Cieľom práce bude aj skúmanie ďalších vlastností povlakov ako napr. zmáčanlivosť povrchu, tepelná a elektrickú vodivosť, izolácia, odolnosť proti korózii a odolnosť proti opotrebovaniu. Kľúčové slová: Chemická príprava, mechanické mletie, sušenie rozprašovaním, tepelné striekanie, vlastnosti povlakov
Školitel: Tkachenko Serhii, Ph.D.
Netriviální topologické stavy jsou obzvláště zajímavé vzhledem k jejich potenciálu pro vysokoteplotní supravodivost a tvorbu robustních kvantových stavů. Obsahem tohoto doktorského projektu je charakterizace strukturních, elektronických a topologických vlastností 2D organokovovových sítí obsahujících těžké kovy se silnou spin-orbitální interakcí. Tyto systémy budou zkoumány pomocí kvantově mechanických výpočtů založených na teorii funkcionálu hustoty (DFT), která je implementována v programech VASP a FHI-aims. Výsledky budou následně zpracovány Wannierovou orbitální analýzou a metodou těsné vazby pro charakterizaci topologických vlastností těchto systémů.
Vzhledem k blížícímu se nástupu kvantových počítačů ve velmi blízké budoucnosti se do popředí zájmu široké vědecké komunity dostává otázka uplatnění těchto nových výpočetních platforem v oblasti teoretických výpočtů v materiálové vědě. Primárním tématem navrhované dizertační práce budou teoretické výpočty materiálů za použití stávajících kvantových počítačů a jejich simulátorů. Sekundárním tématem bude rozvoj softwarových nástrojů vhodných pro nastupující kvantové výpočetní technologie a systémy.
Školitel: Friák Martin, Mgr., Ph.D.
Metoda spektroskopie laserem buzeného plazmatu, patřící do skupiny technik atomové emisní spektroskopie, je v posledních letech označována za jednu z nejvíce expandujících spektroskopických technik zejména v oblasti biologického a medicínského výzkumu. Jedná se o kvazidestruktivní analytickou metodu s rozsáhlými možnostmi prvkové analýzy, která je schopná detekovat makrobiogenní a mikrobiogenní prvky, které tvoří danou živočišnou tkáň. Náplní disertační práce je kompletní a netriviální optimalizace parametrů měření měkkých tkání u techniky spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) spolu se zpracováním a vyhodnocením získaných dat. Dále implementace ideální metodologie pro měkké tkáně na modelových vzorcích orgánů laboratorních myší. Hlavním předmětem výzkumu budou hlodavčí orgány, např. polycystické myší ledviny v různých vývojových stádiích. Výsledky z LIBS analýz budou doplňovány komplementárními analytickými technikami, jako je ICP-OES, LA-ICP-MS nebo standartní optickou mikroskopií (histologie).
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.
Amfifilní blokové kopolymery představují perspektivní skupinu biomateriálů pro cílené uvolňování léčiv, neboť díky své hydrofilně-hydrofobní struktuře umožňují účinnou enkapsulaci bioaktivních látek různé povahy a jejich řízené uvolňování. Vedle fyzikálně-chemických parametrů hraje v jejich účinnosti klíčovou roli i mechanismus interakce mezi polymerem a léčivem, který ovlivňuje stabilitu, velikost i biologickou dostupnost výsledné formulace. Práce se proto zaměří na detailní popis těchto interakcí a studium stechiometrie a kinetiky asociace/disociace systému polymer–léčivo, jakož i na komplexní charakterizaci celého systému z hlediska stability a řízeného uvolňování, s cílem navrhnout a optimalizovat tyto polymerní systémy.
Doktorská práce se bude zabývat především výzkumem a vývojem nových analytických přístupů v oblasti hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů (Secondary ion mass spectrometry – SIMS) a elektronové mikroskopie pro studium nanostruktur a jejich schopnosti moderovat katalytické reakce (CO oxidace, CO2 hydrogenace a podobně). Práce bude zaměřena na vývoj nových experimentálních postupů schopných monitorovat složení povrhu a nanostruktur při reakcích v reálním čase.
Interakce elektronového svazku s polovodičem produkuje vázané páry elektron-díra, které mají rozdílnou dobu života v bezdefektním materiálu a v blízkosti defektů. Skenování povrchu elektronovým svazkem a měření proudu indukovaného elektronovým svazkem (EBIC) poskytuje podrobné 2D mapy, kde tmavší oblasti označují místa defektů. Cílem tohoto projektu je revoluční modifikace stávající technologie s využitím vodivého AFM hrotu umístěného v bezprostřední blízkosti elektronového svazku, který umožňuje sběr EBIC proudu s vyšším rozlišením. Jeho teoretická část popíše interakci elektronového svazku se vzorkem, účinnost sběru náboje bodovými kontakty kov-polovodič, a přizpůsobení těchto principů pro samosnímající sondy pracující na rezonanční frekvenci. V rámci práce v inovativním aplikačním týmu společnosti NenoVision student převede teoretické koncepty a nové konstrukční principy do praktických řešení. Projekt také zahrnuje aplikace technik strojového učení, které mohou automaticky identifikovat a klasifikovat specifické typy vad, čímž vzniká komplexní systém, který mění možnosti kontroly kvality a analýzy poruch polovodičů.
Cílem této práce je vyvinout senzor magnetického pole, který bude integrován do systému pro vyhýbání se překážkám pro bezpečný provoz s více vrtulníky. Provoz mimo vizuální linii viditelnosti vyžaduje spolehlivou detekci překážek. Tato práce se zaměřuje zejména na detekci vysokonapěťových vedení. Senzor bude navržen tak, aby byl adaptivní a umožňoval in situ filtrování rozptýlených polí způsobených hnacím ústrojím a elektronickými regulátory otáček (ESC) bezpilotních letounů (UAV). Diplomová práce zahrnuje výrobu nanostrukturovaných polovodičových čipů, které umožňují selektivní detekci signálů z motorů nebo jejich kompenzaci pro detekci vysokonapěťových vedení. * Vyhodnocení indukčních a magneto-rezistivních senzorů a identifikace vhodné platformy * Výroba senzorového čipu, který je schopen kompenzovat rozptýlená pole z ESC * Výroba senzoru, včetně antén na čipu, pro detekci vedení vysokého napětí * Výroba diferenciálního senzorového čipu, který je schopen měřit malé gradienty magnetického pole pro detekci vedení vysokého napětí
Školitel: Detz Hermann, Dr.techn. Ing.
Hlavním cílem práce bude experimentální vývoj ultrarychlého rastrovacího elektronového mikroskopu umožňujícího analýzu vzorků pomocí prostorově a časově modulovaných elektronových pulsů. Elektronové pulzy budou vytvářeny pomocí fotoemise řízené ultrakrátkými laserovými pulsy a jejich dalšího prostorového tvarování bude dosaženo díky interakci s tvarovanými laserovými svazky v kondenzorovém systému mikroskopu. Prvním úkolem studenta/studentky bude modifikovat katodový modul mikroskopu pro zavedení laseru, a takto modifikovaný zdroj testovat. Dalším úkolem bude zavedení laserových pulsů pro excitaci vzorku v komoře a synchronizace mezi elektronovými a laserovými pulsy pro dosažení vysokého časového rozlišení. Student/studentka také vyvine speciální modul pro interakci elektronů a tvarovaných laserových pulsů, který bude integrován v kondenzorovém systému mikroskopu. V modifikovaném mikroskopu budou provedeny experimenty na vzorcích vykazujících dynamické děje (např. fázové přechody) a také budou zkoumány vybrané aplikace tvarovaných elektronových svazků.
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.
Spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) je výkonná analytická technika, která si získává oblibu v polymerním průmyslu při detekci a kvantifikaci stopových prvků. Jedním z problémů při analýze polymerních matric je detekce halogenů a dalších prvků ve stopových množstvích. Bylo prokázáno, že vícepulsní LIBS zlepšuje limity detekce halogenů a dalších stopových prvků v polymerních matricích. Hlavním cílem této práce je využití multipulzní LIBS pro detekci stopových prvků (zejména halogenů) v polymerní matrici. Tento přístup by měl mít oproti jiným analytickým technikám několik výhod; vyžaduje minimální přípravu vzorků různých polymerů, včetně polyethylenu, polypropylenu a polyvinylchloridu. Tato technika má potenciál zlepšit kontrolu kvality polymerů tím, že poskytuje přesnou a spolehlivou detekci stopových prvků, které mohou ovlivnit vlastnosti konečného výrobku.
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 pokročilém optickém zobrazování.
Školitel: Bouchal Petr, Ing., Ph.D.
Použití 2D materiály pro přípravu superkapacitorů. Kandidát získá zkušenost s 2D materiály, různými technologiemi přípravy 2D materiálů, a přípravě superlkapacitorů s vysokou účinností
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.
3D tisk pro přípravu katalyzátorů pro vývoj vodíku. Kandidát získá zkušenost s 3D tiskem, různými technologiemi 3D tisku, a přípravě elektrolyzérů pro vývoj vodíku s vysokou účinností
Použití 3D tisku pro přípravu superkapacitorů. Kandidát získá zkušenost s 3D tiskem, různými technologiemi 3D tisku, a přípravě superlkapacitorů s vysokou účinností
Téma se zabývá 4D tiskem, tedy 3D tiskem kde 4dimenzí je čas a aplikacemi pro biomedicínu. Supervisor je Highly Cited Researcher. Více na www.pumera.org, více info o skupině na www.energy.ceitec.cz . Součástí PhD je zaškolení na high tech přístroje, viz www.nano.ceitec.cz
Studijní plán oboru není zatím pro tento rok vygenerován.