Prezenční studium

4 roky

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Předseda :
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.
Člen interní :
prof. RNDr. Petr Dub, CSc.
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D.
prof. RNDr. Pavel Šandera, CSc.
Člen externí :
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (Ústav kondenzovaných látek, PřF Masarykovy univerzity)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (Ústav přístrojové techniky AV ČR, v.v.i.)

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

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

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

2. BIC ve fotonických vlnovodech

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

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

3. Buzení a detekce THz spinových vln pomocí plazmonických struktur

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

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

4. Celodielektrické metapovrchy

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

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

5. Detektory UV záření na bázi nanostruktur GaN/Grafén

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

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

6. Duálně-energiová rentgenová výpočetní tomografie

   Duálně-energiová počítačová tomografie je technika dříve primárně využívaná pouze na synchrotronových zařízeních. V poslední době je ale využívána v lékařských CT zařízeních a v současnosti je její potenciál testován i na laboratorních systémech s vysokým rozlišením. Tato technika využívá dvou energeticky rozdílných rentgenových spekter ke zkoumání a specifickému rozlišení jednotlivých tkání nebo materiálů dle jejich útlumových vlastností. Toto rozlišení je možné i pro materiály, které by nebylo možné oddělit v CT datech při využití standardního měření s jednou energií svazku. Výhodou metody duálně-energiové tomografie je možnost přesného oddělení a klasifikace různých materiálů. Navíc získané informace mohou být využity pro vytváření pseudo-monochromatických snímků, což vede k redukci tomografických artefaktů, např. tvrdnutí svazku. Cílem této práce bude použití a zkoumání možností této techniky na laboratorním CT zařízení se submikronovým rozlišením.

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

7. Elektronová pinzeta a vývoj nových aplikací

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

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

8. In-situ příprava a modifikace dvourozměrných nanostruktur

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

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

9. Kinetika růstu a fázových transformací samouspořádaných molekulárních systémů

   Cílem doktorského studia je studovat kinetiku růstu a fázové transformace v samoupořádaných molekulárních vrstvách a formulovat vhodný model popisující kinetiku růstu. Jedná se experimentální práci v UHV využívající kombinaci technik LEEM, STM a XPS.

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

10. Lokalizovaná plazmonicky zesílená absorpce v režimu silné vazby

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

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

11. 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.

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

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

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

13. 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.

14. Nanofotonika využívající materiály s fázovou přeměnou

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

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

15. Návrh elektronového zdroje pro elektronovou svářečku

    V elektronových svářečkách s malým výkonem se nejčastěji používají jako zdroj elektronů wolframové katody. Jejich životnost je však velmi nízká. Cílem práce bude návrh elektronového zdroje s plošnou katodou s prodlouženou životností.

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

16. Optické levitace nanočástic ve vakuu

    Silně fokusovaný laserový paprsek funguje jako tzv. optická pinzeta, která v prostoru drží světlem mikroskopické objekty (od nanočástic po živé buňky) a umožňuje s nimi manipulovat. Za vývoj a praktické využití této metody získal Arthur Ashkin Nobelovu cenu za fyziku. Dosud byla většina experimentů se silovými účinky světla prováděna v kapalině, nyní s rostoucím zájmem o rozvoj kvantových technologií, se pozornost předních světových laboratoří obrací stále častěji k experimentům, kdy objekty (nanočástice, mikročástice, zdroje jednotlivých fotonů) jsou umístěny ve vysokém vakuu a levitují zde v laserových svazcích (viz obrázek). Objekty jsou zde velmi účinně izolovány od vlivu okolního prostředí a chovají se jako velmi slabě tlumený oscilátor. Jeho energii lze světlem odebírat, a tak se experimentálně přibližovat k makroskopické realizaci mechanického kvantového oscilátoru. Takový objekt pak lze využít jako extrémně citlivý sensor síly (elektrické, magnetické i gravitační), lze prostorově tvarovat potenciál v jakém se jeden nebo více objektů pohybuje a studovat základní procesy vakuových motorů, popřípadě poprvé experimentálně studovat kvantové jevy na úrovni makroskopických kvantových oscilátorů. Hlavním cílem navrhované disertační práce bude experimentální studium pohybu jednoho a více levitujících nanoobjektů ve vakuu, prostorové tvarování světelného pole, ve kterém objekty levitují, a využití experimentální aparatury jako ultracitlivého silového senzoru v různých experimentálních uspořádáních (např. objekt levitující u povrchu vzorku může být použit jako analogie k dnes běžným mikroskopům atomárních sil (AFM) ovšem s mnohem větší citlivostí, místo pN se odhaduje citlivost až zN. Předpokládá se, že doktorand bude realizovat experimenty, analyzovat a interpretovat výsledky v laboratořích a pracovnách Ústavu přístrojové techniky AV ČR (www.isibrno.cz), který rovněž zajistí veškeré materiální podmínky pro práci na období 4 let. Ústav přístrojové techniky AV ČR disponuje téměř dvacetiletou historií v oblasti optických mikromanipulačních technik, spolupracuje s řadou světových laboratoří a v dané oblasti patří mezi světovou špičku (https://www.isibrno.cz/cs/levitacni-fotonika).

    Školitel: Brzobohatý Oto, Mgr., Ph.D.

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

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

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

18. Pokročilé zobrazovací techniky v elektronové mikroskopii

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

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

19. Použití úhlově rozlišeného rozptylu světla z náhodně drsných povrchů pro určování topografických parametrů těchto povrchů

    Obsahem práce je využití úhlově rozlišeného rozptylu (ARS) světla k určování spektrální výkonové hustoty (PSD) a přidružených parametrů topografie náhodně drsných povrchů, a to pomocí skaterometru SM3 nové generace (postaveného v Laboratoři koherenční optiky ÚFI FSI VUT v Brně). Cílem je stanovit metodiku výše zmíněného postupu a studovat možnosti použití známých teorií rozptylu světla pro různé rozsahy velikosti drsnosti náhodně drsných povrchů

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

20. Přechod kov-izolant zkoumaný analytickou elektronovou mikroskopií

    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.

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

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

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

22. Studium nízkoteplotního plazmatu za snížených tlaků pro planetární výzkum

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

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

23. Využití hyperspektrální kamery pro detekci optických emisních spekter meteoritů

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

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

24. Využití plazmonických nanostruktur pro lokální posílení magnetických složek elektromagnetických polí

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

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

25. Využití zobrazovací spektroskopické reflektometrie pro určování optických parametrů neuniformních tenkých vrstev

    Obsahem práce je využití zobrazovacích spektroskopických reflektometrů (postavených v Laboratoři koherenční optiky ÚFI FSI VUT v Brně) k určování optických parametrů tenkých vrstev neuniformních v těchto parametrech, a to pomocí již vyvinutých numerických algoritmů zpracování experimentálních dat získaných těmito reflektometry. Cílem je stanovit metodiku výše uvedeného postupu.

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

26. Výzkum topologických izolátorů pomocí LEIS

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

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

27. Zdroj elektronů pro Ultra Fast TEM

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

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

28. 2D materiály pro suprakondenzátory

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

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

29. 3D epitaxní tisk polovodičů pomocí elektronové pinzety

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

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