Prezenční studium

4 roky

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

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

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

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

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

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

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

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

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

1. kolo (podání přihlášek od 01.04.2026 do 31.05.2026)

1. Biosenzory na bázi grafenu a příbuzných 2D materiálů

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

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

2. Integrované fotonické struktury s vázanými stavy v kontinuu

   Vázané stavy v kontinuu (BIC - bound states in the continuum) představují teoreticky zajímavý způsob lokalizace pole, který odporuje konvenční představě předpokládající energie vázaných stavů pouze vně kontinua volných stavů. BIC nabízejí řadu zajímavých aplikací; např. ve fotonice BIC umožňují výrazně snížit nežádoucí radiační ztráty nových citlivých nanostruktur [1,2]. Studium se zaměří na teoretickou analýzu a fyzikální pochopení BIC v periodických nanofotonických systémech, jako jsou fotonické krystaly nebo metapovrchy. Předpokládá se výzkum struktur, které jsou v současnosti využívány jako pokročilé biosenzory [3]. Student systematicky prozkoumá existenci a vlastnosti BIC ve vybrané třídě takových systémů. Bude provedeno kritické posouzení přínosů BIC ve srovnání s tradičnějšími technikami z hlediska potenciálních aplikací. Výzkum bude založen na silném využití numerické analýzy.

   [1] K. Koshelev, A. Bogdanov, and Y. Kivshar, “Engineering with Bound States in the Continuum,” Opt. Photonics News, vol. 31, no. 1, p. 38, 2020

   [2] S. I. Azzam and A. V. Kildishev, “Photonic Bound States in the Continuum: From Basics to Applications,” Adv. Opt. Mater., vol. 9, no. 1, pp. 16–24, 2021

   [3] M. L. Tseng, Y. Jahani, A. Leitis, and H. Altug, “Dielectric Metasurfaces Enabling Advanced Optical Biosensors,” ACS Photonics, vol. 8, no. 1, pp. 47–60, 2021.

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

3. Kvantově-mechanické výpočty založené na teorii funkcionálu hustoty (DFT) s podporou strojového učení pro 2D materiály

   Grafen je díky své vysoké pohyblivosti nosičů náboje, mimořádné mechanické pevnosti a dvourozměrné struktuře jedním z nejvýznamnějších nanomateriálů současnosti. Jeho nulový pás zakázaných energií však omezuje praktické využití v elektronických aplikacích. Jednou z cest, jak tuto vlastnost cíleně modifikovat, je hydrogenace nebo oxidace grafenu, které umožňují otevírání pásu zakázaných energií, ovlivnění magnetických vlastností a řízení povrchové reaktivity. Hydrogenovaný grafen se tak stává perspektivním materiálem pro tranzistory, senzory i paměťové prvky.

   Studium těchto jevů vyžaduje spolehlivý a přesný výpočetní přístup. Metody teorie funkcionálu hustoty (DFT) umožňují detailní popis elektronové struktury i stability jednotlivých chemických konfigurací. Moderní implementace v programu VASP 6.0 navíc zahrnuje strojově učená silová pole (ML-FF), která výrazně urychlují molekulárně-dynamické simulace při zachování vysoké přesnosti oproti klasickým empirickým potenciálům. Tento přístup umožňuje efektivně modelovat dynamiku hydrogenace grafenu a současně analyzovat elektronové vlastnosti nejstabilnějších struktur.

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

4. Mapování plasmonických modů

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

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

5. Modelování a simulace funkčních vlastností nanostruktur pro oblast plazmoniky

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

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

6. Pokročilé kryogenní technologie pro elektronovou mikroskopii a jejich aplikace ve výzkumu biodegradovatelných materiálů a mikroorganismů

   Tématem práce je využití pokročilých kryogenních technologií vyvinutých na ÚPT pro konverzi standardních elektronových mikroskopů na plnohodnotné kryo-EM systémy a jejich aplikace ve výzkumu ekologických biodegradovatelných materiálů a biotechnologicky významných mikroorganismů. Práce se zaměřuje na experimentální využití realizovaných kryogenních adaptací mikroskopů SEM Magellan, FIB-SEM Helios a přípravného systému ACE 600, včetně kryogenního držáku vzorků s neomezenou rotací pro kryo-elektronovou tomografii.

   Práce zahrnuje vývoj a optimalizaci metodik kryogenní přípravy vzorků, zahrnujících vitrifikaci biodegradovatelných polymerů, bioplastů, mikroorganismů a dalších vzorků měkké hmoty s využitím technik vysokotlakého mrazení (HPF), mražení nárazem (plunge freezing) a mrazového lámání (freeze-fracturing). Mrazové lámání je využito jako klíčová metoda pro odhalování vnitřních struktur materiálů, které při teplotách blízkých 4 K přecházejí do křehkého stavu, což umožňuje tvorbu čistých lomových ploch bez plastické deformace.

   Součástí tématu je studium fyziky vitrifikace, simulace procesů vysokotlakého mrazení a analýza vlivu velmi nízkých teplot na potlačení radiačního poškození vzorků a na stabilitu zobrazení.

   Výstupem práce bude experimentálně ověřená kryogenní instrumentace a metodika přípravy biologických a biodegradovatelných vzorků pro kryo-EM, doplněná o nové poznatky o jejich struktuře získané pokročilými metodami kryogenní elektronové mikroskopie. Tyto výsledky budou využitelné zejména v biomedicíně, kryobiologii a výzkumu biomateriálů a měkké hmoty.

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

7. Přenos knihoven dat mezi LIBS systémy pro aplikaci v geologii

   Spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) je široce využívána v geologických aplikacích pro rychlou analýzu materiálů využitím kompaktních a robustních systémů. Jednou z hlavních překážek její širší praktické aplikace je však omezená přenositelnost spektrálních knihoven a kalibračních modelů mezi různými LIBS systémy. Rozdíly v laserových parametrech, optickém uspořádání, spektrálním rozlišení, detekčních systémech a experimentálních podmínkách vedou k systematickým odchylkám v naměřených datech, které znemožňují přímé sdílení knihoven napříč přístroji.

   Cílem této práce je vyvinout systematický přístup k přenosu LIBS datových knihoven mezi různými analytickými platformami bez nutnosti přímé rekalibrace konkrétního přístroje. Práce bude založena na využití metod strojového učení, zejména technik učení reprezentací, jako jsou autoenkodéry a příbuzné architektury, případně přístupy inspirované doménovou adaptací. Tyto metody umožňují transformaci spektrálních dat do latentního prostoru, který zachovává chemicky relevantní informaci, zatímco potlačuje systematické přístrojové rozdíly.

   Výzkum se zaměří na návrh, trénování a validaci modelů schopných mapovat spektra z různých LIBS systémů do společného, přístrojově nezávislého prostoru. Zvláštní důraz bude kladen na zachování fyzikální interpretovatelnosti výsledků, robustnost vůči variabilitě experimentálních podmínek a dlouhodobou stabilitu modelů. Metodika bude testována na geologických datech zahrnujících různé typy hornin a minerálů, přičemž výkon přenosu bude hodnocen z hlediska klasifikace, kvantitativní analýzy i generalizace na dříve neviděné systémy.

   Výsledkem práce bude obecný rámec pro přenos LIBS spektrálních knihoven nezávislý na analytickém přístroji, který umožní efektivní sdílení dat, snížení nároků na rekalibraci a zvýšení reprodukovatelnosti LIBS analýz v geovědních aplikacích. Tento přístup má potenciál významně přispět k širšímu nasazení LIBS v laboratorních i terénních podmínkách.

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

8. Příprava pokročilých nízkodimenzionálních materiálů pro nanoelektroniku a nanofotoniku

   V posledních desetiletích bylo objeveno mnoho materiálů, které svými elektronickými vlastnostmi výrazně předčí ty současně používané, což bylo i prakticky demonstrováno (přepínání pod 60 mV/dekádu v tranzistorech z 2D materiálů, jednoelektronové tranzistory, topologické polokovy pro vodivé spoje atd.). V naprosté většině případů však byly pro realizaci součástek použity postupy nepoužitelné v průmyslovém měřítku. Výzkum a vývoj pokročilých postupů přípravy materiálů pro elektroniku a nanofotoniku, které umožní následnou výrobu součástek, je tak velkou výzvou.

   Naše skupina disponuje značným know-how v oblasti přípravy nízkodimenzionálních materiálů, včetně následné analýzy. Náplní této disertační práce bude studovat růstové módy pokročilých nízkodimenzionálních materiálů, s důrazem na 2D materiály (dichalkogenidy přechodných kovů, fosfidy atd.) a možnosti přípravy pomocí interkalace do van der Waalsova prostoru, a jejich vlastnosti pomocí pokročilé mikroskopie a spektroskopie, včetně in situ přístupů. Předpokládá se zapojení do vývoje instrumentace a experimentální práce na několika vybraných systémech. Cílem je pochopit růstové módy těchto materiálů, a na tomto základě nalézat vhodné přístupy k jejich přípravě.

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

9. Studium katalytických reakcí v reálném čase

   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.

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

10. 2D nanoelektronika na bázi hydrogenovaného a oxidovaného grafenu

    Grafen díky své mimořádně vysoké pohyblivosti nosičů náboje, možnosti řízení typu a koncentrace nosičů pomocí vnějšího elektrického pole, dlouhé době spinové koherence a nízkému elektronickému šumu představuje mimořádně perspektivní materiál pro aplikace v klasické i kvantové elektronice. Uplatnění nachází ve vysokofrekvenčních tranzistorech, fotodetektorech, chemických a biologických senzorech a potenciálně i v kvantových informačních technologiích.

    Pro praktické využití grafenu v nanoelektronických zařízeních je nezbytné jeho laterální tvarování s nanometrovým rozlišením. Konvenční optická litografie nedosahuje požadovaného prostorového rozlišení, zatímco elektronová litografie může negativně ovlivňovat vlastnosti izolačních substrátů (např. SiO₂ nebo hBN) v důsledku ozáření elektronovým svazkem.

    Cílem disertační práce je experimentálně i teoreticky prozkoumat možnost laterálního tvarování grafenu pomocí lokální anodické oxidace a lokální katodické hydrogenace (LAO/LCH) realizované pomocí mikroskopu atomárních sil (AFM). Tato metoda nabízí potenciál dosažení nanometrového rozlišení při minimálním ovlivnění substrátu a okolní struktury.

    Zvláštní pozornost bude věnována studiu izolačních vlastností hydrogenovaných bariér, jejich strukturální stabilitě a vlivu na transportní charakteristiky grafenových nanozařízení. Klíčovou výzkumnou otázkou je, zda lze pomocí této metody připravit dostatečně izolující a stabilní nanostruktury vhodné pro aplikace v 2D nanoelektronice.

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