Přístupnostní navigace
E-přihláška
Vyhledávání Vyhledat Zavřít
studijní program
Fakulta: CEITEC VUTZkratka: CEITEC-AMN-CZ-PAk. rok: 2024/2025
Typ studijního programu: doktorský
Kód studijního programu: P0588D110002
Udělovaný titul: Ph.D.
Jazyk výuky: čeština
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.doc. 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
Rozvoj nanofotoniky je spojen se zaváděním nových materiálů a struktur. Analytická elektronová mikroskopie představuje vhodný nástroj pro studium těchto materiálů a struktur, kdy umožňuje stanovit jejich prvkové a chemické složení, strukturní vlastnosti včetně krystaličnosti, krystalové mříže a jejích atomárních a mezoskopických poruch, a elektronovou strukturu. V této práci bude analytická elektronová mikroskopie aplikována na některé ze soudobých nanofotonických materiálů a struktur, například materiály s proměnnou fází (oxid vanadičitý, gallium, Sb2S3), aktivních plazmonické antény, hybridní kovově-dielektrické struktury nebo plazmonické antény vykazující plazmonický bleskosvodný jev. Práce může být rovněž zaměřena na rozvoj nových metod analytické elektronové mikroskopie.
Školitel: Křápek Vlastimil, doc. Mgr., Ph.D.
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, 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.
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.
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: Zikmund Tomáš, doc. 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, 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.
Toto téma se zabývá velmi aktuální problematikou v materiálových vědách a to sice modifikacemi polymerních materiálů směrem k jejich lepší chemické a mechanické stabilitě a-nebo k jejich povrchovým modifikacím, které rozšíří možnosti využití těchto polymerů v dříve nemyslitelných aplikacích. Jedná se o významně experimentálně zaměřené téma se značným potenciálem inovací, který spočívají ve využití metod atomárních a molekulových depozic materiálů na povrchy polymerních substrátů při nízkých teplotách, následnou charakterizací a testováním v aplikacích. Předpokládá se spolupráce s partnery z průmyslu. Práce vyžaduje pečlivost, samostatnost a důslednost studenta.
Školitel: Macák Jan, Dr. Ing.
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.
Nanočástice a nanočásticové systémy zaujímají mezi nanomateriály mimořádné postavení svým velkým množstvím různorodých využití v technice, biologii a medicíně, a patří mezi nejrychleji se rozvíjející nanotechnologické směry. Fyzikální a chemické vlastnosti nanočástic (nanometrické objemy materiálu) jsou zásadně ovlivnitelné jejich morfologií. S poklesem velikosti částic narůstá vliv volných povrchů, které mohou vstupovat do chemických reakcí (chemická katalýza), uplatňují se rozměrové jevy a vliv tvaru, které mění fyzikální chování (kvantové tečky, superparamagnetické a magnetické nanočástice). Téma navrhované dizertační práce je zaměřeno na strukturní a fázovou charakterizaci nanočástic a nanočásticových systémů metodami elektronové mikroskopie. Získané experimentální výsledky přispějí k pochopení vztahu mezi vlastnostmi a strukturou a budou využité pro optimalizaci přípravy těchto materiálů a jejich funkcionalizaci.
Školitel: Pizúrová Naděžda, RNDr., Ph.D.
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. 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 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 partnerských institucích (TU Wien, Imperial College London and Twente University. Pro ilustraci například: Highly Sensitive Detection of Surface and Intercalated Impurities in Graphene by LEIS. (By S. Prusa and H.H. Brongersma), https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5b01935.
Školitel: Průša Stanislav, doc. Ing., Ph.D.
Cílem práce bude navrhnout a připravit „chytré“ hydrogely reagující na vnější podněty tak, aby byly využitelné pro 4D biotisk s buňkami. Připravené materiály pak mohou být využitelné např. v regenerativní medicíně chrupavek.
Školitel: Chamradová Ivana, 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.
Cílem práce je návrh a příprava antibakteriálního a vysoce adhezivního kostního cementu pro využití v ortopedii i traumatologii. Bude sledován vliv bioaktivních látek na fyzikálně-chemické, mechanické i biologické vlastnosti.
Školitel: Michlovská Lenka, 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.
Materiály s širokým zakázaným pásem se staly díky novým, pokročilým způsobům výroby objemových krystalů významným směrem technologického vývoje ve výkonové elektronice. Zejména SiC a GaN se stávají významnými souputníky stále dominantního křemíku. Současné know-how materiálových vlastností však není tak vyvinuté jako u křemíku a je zde mnoho nezodpovězených otázek. Student se bude soustředit na analýzu zejména defektů v SiC a GaN metodami korelativní mikroskopie a spektroskopie. Součástí práce bude i využití těchto materiálů k realizaci nového konceptu v elektronice/optoelektronice. Nutnou podmínkou je základní znalost fyziky pevných látek, a principů relevantních spektroskopických technik k analýze těchto materiálů. Výzkum bude probíhat ve spolupráci s Thermo Fisher Scientific, případně Onsemi.
Školitel: Kolíbal Miroslav, doc. Ing., Ph.D.
Automatická analýza moderních kompozitních a polymerních materiálů v reálném čase je velice důležitá pro jejich rychlý vývoj a produkci. Cílem této práce je prozkoumat možnosti využití rentgenové výpočetní tomografie (CT) pro kvantifikaci a digitalizaci kompozitních materiálů. Budou testovány limity standardního CT zobrazování pro budoucí použití této modality v in-line systémech. Dále budou simulovány alternativní a rychlé režimy CT zobrazování pro akceleraci celého zobrazovacího procesu. Tyto simulace budou dále využity k vytvoření detailního modelu pro nastavení parametrů experimentů a parametrů tomografické rekonstrukce.
Školitel: Kaiser Jozef, prof. Ing., Ph.D.
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.
Kandidát bude konstruovat mikroroboty poháněné chemikáliemi pro sanaci životního prostředí pomocí polymeru a anorganické chemie.
Šíření únavových trhlin je proces, který je popsán makroskopicky pomocí veličin jako je rozkmit faktoru intenzity napětí, J-integrálu nebo plastické části J-integrálu. Existuje mnoho modelů šíření trhlin na mikroskopické úrovni, které uvažují plastickou deformaci v okolí špice trhliny, ale které se liší v detailech. Pokrok v experimentálních metodách umožňuje přesnější a detailnější experimentální studium těchto procesů a následně jejich přesnější popis i modelování pomocí pokročilých metod molekulární statiky a dynamiky. Cílem práce bude shromáždit co nejvíce detailů o dějích na špici únavové trhliny během jejího růstu, a to jak na povrchu vzorků, tak v jejich objemu. Budou použity moderní metody: digital image correlation (HR DIC) s vysokým rozlišením, electron chanelling contrast imaging (ECCI), electron backscatter diffraction s vysokým rozlišením (HR EBSD), focused ion beam (FIB) pro pozorování dějů na zvolených řezech a pro přípravu TEM lamel. Pozorování budou doplněna simulací mikroskopických dějů pomocí molekulární dynamiky nebo diskrétní dislokační dynamiky. Metody měření budou nejprve ověřeny na čisté mědi jako modelovém materiálu a poté aplikovány na materiály zpevněné oxidickou disperzí (ODS), připravené pomocí aditivních technologií.
Školitel: Kruml Tomáš, prof. Mgr., CSc.
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.
Cílem doktorského studia je příprava a charakterizace molekulárních monovrstev karboxylových kyselin na povrchu stříbrných krystalů, a také jejich využití jako mezivrstvy pro efektivní přenos náboje do následně deponovaných vrstev organického polovodiče. Detailnější popis je k dispozici v anglické verzi.
Školitel: Čechal Jan, prof. Ing., Ph.D.
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
Prismatické dislokační smyčky vznikají v kovech v důsledku radiačního poškození nebo působením velké plastické deformace. Tyto smyčky se pak stávají překážkami pro dislokace potřebné k plastické deformaci a materiál se stává křehkým. Prismatické dislokační smyčky budou studovány za pomoci modelování molekulární dynamikou a také experimentálně s použitím elektronové transmisní mikroskopie.
Školitel: Fikar Jan, Mgr., Ph.D.
Kandidát bude vyvíjet nové nanorobotické systémy pro ochranu titanových implantátů a odstraňování biofilmů. Osvojí si následující dovednosti: výroba nanorobotů, pohonné systémy, SEM, XPS, mikroskopická charakterizace. Práce s biologickými systémy.
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.
Cílem dizertační práce bude studium nízkoenergiových excitací za pomocí inovativních metod elektronové a světelné mikroskopie a spektroskopie. Bude se jednat o metody jako povrchově zesílená světelná spektroskopie, spektroskopie energiových ztrát elektronů, fotony vybuzená mikroskopie blízkého pole, optická mikroskopie v blízkém poli a podobně. Student/studentka bude především vyvíjet teoretický popis interakce elektronů nebo fotonů s excitacemi v nanostrukturách a molekulách včetně různých způsobů detekce signálu. Úkolem bude také vyvinout nové metody zpracování a interpretace experimentálních dat.
Toto téma se zabývá výzkumem a vývojem nízkodimenzionální anorganických nanomateriálů (zejména nanočástic a nanodestiček) s velmi nízkým koeficientem tření, které mají plnit roli pokročilých lubrikantů zejména v náročných strojírenských aplikacích, kde dochází k významnému tření na styčných plochách a ztrátám na vlastnostech materiálů v čase. Nově vyvíjené materiály budou muset kromě excelentních a dlouhodobých lubrikačních vlastností plnit požadavky na vysokou chemickou a mechanickou odolnost, nízkou cenu a vysokou míru ekologičnosti. Jedná se o významně experimentálně zaměřené téma se značným potenciálem inovací. Odpovídající nanomateriály budou vyvíjeny převážně pomocí hydrotermálních technik založených na koloidní chemii, včetně SILAR, micelárních technik a také technik vakuové depozice, jako je depozice atomárních vrstev. Vyvinuté nanostruktury budou použity pro aplikační účely v projektech s partnery, včetně průmyslových partnerů. Práce vyžaduje pečlivost, samostatnost a důslednost studenta.
Nanostruktury mohou díky svým rozměrům srovnatelných s vlnovou délkou použitého světla přímo ovlivnit vlastnosti odražené nebo procházející elektromagnetické vlny. Věda zkoumající interakci elektromagnetické vlny a nanostruktur se nazývá nanofotonika. Ta nachází uplatnění například ve fotovoltaice nebo zesílené optické spektroskopii. Kromě velikosti a tvaru nanostruktur lze také světlo ovlivňovat pomocí jejich materiálových vlastností. V poslední době se řada vědeckých týmu zaměřuje právě na tyto opticky aktivní pokročilé materiály jako jsou například perovskity nebo 2D vrstvy dichalkogenidů přechodných kovů (TMD). Tyto pokročilé materiály lze velmi často opticky charakterizovat pomocí fotoluminiscence (PL), a to především pomocí konfokální optické spektroskopie, pomocí časově rozlišitelné spektroskopie nebo pomocí rastrovací optické mikroskopie v blízkém poli. Všechny tyto experimentální techniky, ale i příslušné numerické simulace (např. FDTD, DFT, BEM) jsou k dispozici na Ústavu fyzikálního inženýrství FSI VUT a budou představovat hlavní nástroje pro řešení zadání doktorského studia.
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.
Plazmonické antény jsou vodivé nanostruktury umožňující zesílit a soustředit světlo v nanoměřítku. Často využívají bleskosvodný jev, tj. místní zesílení elektrického pole u vysoce zakřivených povrchů. Porozumění tomuto jevu je přes jeho velký význam v oblasti plazmoniky převážně intuitivní a ucelený popis jeho základů chybí. Dizertační práce má za cíl takový popis poskytnout. Budou zkoumány následující dílčí jevy přispívající k celkovému zesílení pole: lokalizace povrchové plazmonové vlny, účinek křivosti, účinek rezervoáru náboje a jev plazmonického zesílení v mezeře mezi dvěma interagujícími plazmonickými anténami. Metodika práce se bude opírat o elektromagnetické simulace a experimentální metody pro lokálního charakterizaci pole. Detailní pochopení plazmonického bleskosvodného jevu poskytne vodítko pro návrh plazmonických antén se zvlášť velkým zesílením pole
Tradičními plazmonickými materiály jsou zlato a stříbro. Zejména v UV oblasti, ale nejen tam, je však nutné hledat jejich možné alternativy, například mezi neušlechtilými kovy. Uchazeč bude zkoumat možnosti využití neušlechtilých kovů (např. hliníku, gallia, bismutu, olova, india, cínu) či jejich sloučenin (např. core-shell struktur gallia a oxidu galia, oxidu vanadičitého) v plazmonice a připravovat nanostruktury z vybraných materiálů a charakterizovat jejich funkční vlastnosti v oblasti plazmoniky pomocí analytické transmisní elektronové mikroskopie.
In this study plasmonic resonant nano-and micro-structures (particles, antennas, tips) will be used for enhancement of photoluminescence of nanostructures such as nanodots, nanowires and 2D materials (e.g. metal dichalcogenides: MoS2, WS2,....). In this way single photon sources provided by defects of these structures might be recognized.
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.
Plazmové polymery (PP) deponované v cyklopropylamin/argon vysokofrekvenčním výboji při nízkém tlaku se ukázaly jako vynikající platforma pro imobilizaci biomolekul a zlepšení buněčné adheze a proliferace [E. Machneva a kol. Sens. Actuator B-Chem. 276 (2018) 447,A. Manakhov a kol. Materials & Design 132 (2017) 257, A. Manakhov a kol. Plazmový proces. Polym. 14 (2017) e1600123]. Podobně, plazmové polymery obsahující karboxylové nebo anhydridové skupiny jsou velice vhodné pro biomedicínské aplikace, jak bylo nedávno publikováno např. pro imobilizaci léků nebo krevní plazmy bohaté na krevní destičky [E. Permyakova a kol. Materials & Design 153 (2018) 60, A. Soloviev et al. Polymery 9(12) (2017) 736]. Bohužel podrobné pochopení plazmové polymerace a struktury plazmových polymerů je obtížné, protože jde o komplexní proces suché chemické depozice zahrnující mnoho neutrálních reaktantů vytvořených v plazmatu. Navíc je tento proces při nízkém tlaku ovlivněn kladnými nebo zápornými ionty. Tato práce si klade za cíl porozumět plazmově-chemických procesům v plynné fázi a povrchovými procesy ovlivněnými tokem energie iontů. Potřebné informace budou získány pomocí metod diagnostiky plazmatu (optická emisní spektroskopie, hmotnostní a iontová spektroskopie, analýza energie retardačního pole a měření sondou Octiv VI). Získané informace budou korelovány s chemickou strukturou tenkých vrstev PP, včetně zřídka diskutovaných aspektů, jako jsou zachycené volné radikály, nenasycené vazby a přítomnost nano/mikročástic.
Laserem indukované plazma má zásadní význam pro nespočet aplikací, např. pro charakterizaci materiálů pomocí spektroskopie laserem indukovaného plazmatu (LIBS). Interakce mezi laserem a materiálem a vlastnosti plazmatu při experimentech LIBS za různých okolních podmínek nejsou dosud zcela známy. Cílem této práce je provést rozsáhlý výzkum v oblasti morfologie a vlastností laserem indukovaného plazmatu generovaného za různých okolních i mimozemských podmínek. Dílčím cílem tohoto doktorského projektu je oddělit charakterizaci plazmatu od optických emisních spekter a následně získat robustnější informace o vlastnostech laserem indukovaného plazmatu (jako je homogenita, teplota, elektronová hustota a přítomnost lokální tepelné rovnováhy). K tomu budou použity časově a prostorově rozlišené zobrazovací, rozptylové (např. Thomsonův rozptyl), absorpční a interferometrické techniky. Pomocí informací získaných těmito technikami budou parametry plazmatu určeny nezávisle na optických emisních spektrech a budou vylepšeny bezkalibrační přístupy.
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.
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.
Rozptyl nízkoenergiových iontů (LEIS) je analytická metoda s extrémní citlivostí, která se používá ke kvantitativní analýze povrchů pevných látek. Jediným prvkem, který nelze přímo pomocí rozptylu iontů inertních plynů detekovat je vodík. Výroba displejů a obrazovek (flat panel displays - FPDs) pro mobilní zařízení a elektroniku představuje velice důležitou a perspektivní technologii. Povrch skleněných substrátů je terminován -OH skupinami, které výrazným způsobem ovlivňují navazující 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 nedávno 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 USA a analýza pomocí Qtac100 LEIS spektrometru v laboratořích Ceitec VUT a dále rozvíjí započatou spolupráci našich institucí. Pro tag-and-count: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154551 Pro HS-LEIS například: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.5b01935
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.
V rámci tohoto projektu bude PhD student studovat tvarované elektronové svazky jako revoluční sondy, které povedou k všestrannějším a levnějším elektronovým mikroskopům, a které umožní nové aplikace. Budou zkoumány fázové desky nutné pro přípravu tvarovaných svazků. Budou navrženy laditelné elektronové fázové desky založené na světle a mikroelektronice. Bude provedena optimalizace těchto desek s důrazem na jejich aplikace v zobrazování a spektroskopii.
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.
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.
V poslední dekádě zažily kvantové technologie významný rozvoj což vedlo k revolučnímu posunu aplikace kvantového řízení v odvědvích jako je komunikace a senzory. Molekulární systémy hraní hlavní roli v této revoluci, protože poskytují požadovanou flexibilitu a možnost modifikace jejich elektrických vlastností pomocí substituce ligandů což umožňuje ladit jejich reakce na vnější stimulace jako je třeba magnetické pole. Krystalová struktura molekulárních systémů a především propojení jednotlivých molekul přes vodíkové vazby nebo jiné slabé interakce mají za následek krystalovou strukturu se spin-mřížkovými nebo spin-spinovými interakcemi. Tyto interakce hrají podstatnou roli ve spinové dynamice těchto materiálů a tvoří tak provázané stavy amd spinové excitace. Elektronová spinová rezonance (ESR) je klíčová metoda umožňující studium spinových stavů a jejich interakcí v monokrystalických i polykrystalických vzorcích. Cílem tohoto projektu je charakterizovat několik typů spinových systémů molekulární podstaty jako jsou koordinančí sloučeniny přechodných kovů s aminokyselinami jako ligandy a aplikovat ESR spektroskopii ke studiu kvantového provázání a fázové přeměny ve vysokých frekvencích (až do 1 THz) and vysokých polích (až do 16 T). Tato práce posouvá kupředu ESR metodiku a vylepšuje naše chápání základních kvantových fenoménů v molekulárních systémech.
Školitel: Santana Vinicius Tadeu, Dr.
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)
Kontrola nad tenkými molekulární filmy vytvořených z jednomolekulárních magnetů či kvantových bitů je stěžejní ve vývoji nových elektronických a magnetických zařízení. Jejich chování na površích je stále málo probádaná oblast. Tento PhD projekt bude stavět na již existující komoře vysokého vakua pro termální sublimaci tenkých filmů koordinačních komplexů přechodných kovů a lanthanoidů. Student bude pracovat na celé cestě z objemového matriálů ve formě nasyntetizovaného prášku až po nanostrukturovaný tenký film. Hlavním cílem je být schopen predikovat a vyhodnotit magnetické vlastnosti takto připravených tenkých filmů pomocí nově zkonstruovaného spektrometru vysokofrekvenční elektronové spinové rezonance (HF-ESR). Další povrchově citlivé spektroskopické a mikroskopické metody jako např. rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS), mikroskopie atomárních silm (AFM) či elektronová rastrovací mikroskopie (SEM) budou využity pro studium takto připravených tenkých vrstev. Student bude komunikovat a provádět úkoly v rámci mezinárodní spolupráce s výzkumnými skupinami v USA a Itálii.
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.
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.
Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.
Mezokrystaly jsou uspořádané sestavy (superstruktury) jednotlivých monokrystalů, z nichž každý má často kritické rozměry v řádu nanometrů. Uspořádání, velikost, morfologie a porozita samoorganizovaných mezokrystalů závisí na reakční době, reakční teplotě a především na povaze činidla usměrňujícího strukturu (obvykle polymerní šablony) a kovových prekurzorů. Mezokrystaly na bázi přechodných kovů jsou velmi zajímavé díky svým katalytickým vlastnostem, a to díky volným d orbitalům umožňujícím různé valence a tendenci vytvářet in situ komplexní meziprodukty, které mohou působit jako šablona. Tyto mezokrystaly vykazují vysokou fotokatalytickou aktivitu, zejména při rozkladu nových znečišťujících látek, jako jsou mikroplasty, a antibiotika, a to díky využití jejich velkého povrchu a pórovitosti. Orientovaná rozhraní v mezokrystalech jsou považována za výhodná pro účinný přenos fotogenerovaného náboje, což je slibný fotokatalytický kandidát na podporu separace nosičů náboje. Cílem této doktorské studie je především vyvinout účinné mikrovlnné syntetické cesty k mezokrystalům na bázi jednoho nebo více přechodných kovů a jejich fotokatalytické zkoumání. Doktorand bude rovněž zodpovědný za strukturní a optickou charakterizaci nově vyvinutých mezokrystalů.
Školitel: Ullattil Sanjay Gopal, Ph.D.
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.
Školitel: Čelko Ladislav, doc. Ing., Ph.D.
Znalost spinových relaxací elektronů má zásadní význam pro vývoj a zdokonalování spintronických zařízení, katalytických procesů a také v metodě zvyšování citlivosti nukleární magnetické rezonance (NMR), tzv. technice dynamické jaderné polarizace (DNP). V tomto ohledu doktorand implementuje metody pulzní elektronové spinové rezonance (ESR) do stávajícího špičkového ESR spektrometru FRASCAN (Frequency Rapid Scan) na CEITEC, který pracuje do frekvencí 1 THz, magnetického pole 16 T a teploty až 2 K. Cíl tohoto doktorského tématu lze rozdělit do dvou částí. Nejprve student implementuje vysokofrekvenční pulzní ESR techniku do stávajícího spektrometru FRASCAN vývojem nového (Fabry-Perot rezonátoru) a adaptací stávajících držáků vzorků podporujících multifrekvenční ladění pro měření různých vzorků v kapalné i pevné fázi. Pozornost bude věnována rezonančním frekvencím 263 GHz, 329 GHz, 394 GHz a 459 GHz, které jsou důležité pro studie DNP. Za druhé, úspěšná implementace výše uvedeného umožní provádění multifrekvenčních spinových relaxačních studií T1 a T2 organických radikálů a také tenkých filmů nanesených na Fabry-Perotových zrcadlech v širokém rozsahu frekvencí a teplot. Tyto relaxační studie budou dále korelovány s těmi, které byly získány pomocí frekvenčních rychlých skenovacích experimentů prováděných ve skupině. Stručně řečeno, student bude dobře vyškolen ve vývoji nejmodernějších metod magnetické rezonance v jedné z předních světových skupin.
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.
Je všeobecně známo, že mikrostrukturní kontrola ve smyslu krystalografické textury zvyšuje piezoelektrickou odezvu polykrystalických materiálů. Krystalografické struktury lze dosáhnout pomocí šablonovitého růstu zrn (TGG). Pokročilé metody tvarování byly úspěšně použity k přípravě texturované keramiky jednoduchého tvaru pomocí TGG. Tato práce se zaměřuje na přípravu texturovaných keramických materiálů na bázi titaničitanu barnatého (BaTiO3) se složitými tvary pomocí metody „digital light procesing“ (DLP). Cílem práce bude syntéza anizometrických zárodečných částic, které budou použity k získání krystalografické textury ve slinutých tělesech. Přístup 3D tisku umožní kontrolu krystalografické textury v konečné součásti, aby se maximalizovala piezoelektrická odezva materiálu vzhledem k danému zatížení. Budou vyvinuty fotocitlivé suspenze obsahující destičkové částice titaničitanu barnatého a bude studován vývoj krystalografické textury ve vzorcích. Cílem studie je charakterizovat vliv krystalografické textury na piezoelektrickou odezvu a zkoumat vliv polarizace materiálu na vývoj doménové struktury vzorků. Očekává se, že výsledky této práce významně přispějí k vývoji texturovaných bezolovnatých keramických piezoelektrických materiálů.
Školitel: Šťastný Přemysl, Ing., Ph.D.
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.
Transparentní keramika nachází stále více uplatnění v různých průmyslových odvětvích. Na rozdíl od běžně dostupných pokročilých keramik, které jsou obvykle neprůsvitné, jsou transparentní keramiky specifickou kategorií materiálů, které umožňují průchod světla. Toho je dosaženo vlivem pokročilých výrobních procesů a řízeného materiálového inženýrství. Klíčovou je v této oblasti znalost uspořádání atomů v krystalové mříži a v mikrostrukturní rovině absence nečistot nebo strukturních defektů, na kterých by vznikala rozptylová centra. Transparence není ovšem jedinou zajímavou vlastností, které tyto keramiky vykazují. Běžně jsou tyto keramiky extrémně tvrdé, tepelně vodivé a chemicky odolné. Pokud jsou dopované určitým typem iontů, získávají další užitnou vlastnost, fotoluminiscenci. V disertačním tématu bude materiálový výběr zaměřen, ale ne limitován, na oxid hlinitý, hořečnatý spinel nebo ytrium-hlinitý granát, které budou dopovány nebo kodopovány různými ionty (např. prvky vzácných zemin). Připravené keramiky budou vysokoteplotně zpracovány za aplikace vnějšího tlaku pomocí pokročilých metod, jako jsou izostatické lisovaní za tepla, jiskrové slinování atd., způsobující hutnou polykrystalickou strukturu. Vlastnosti připravených keramik budou hodnoceny ve vztahu k jejich potenciální aplikaci, což mohou být ochranná skla, čočky, pancíře, média pro laserovou technologii atd.
Školitel: Drdlík Daniel, Ing., Ph.D.
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.
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. Projekt předpokládá předchozí zkušenosti s optickými sestavami.
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.
Tématem práce bude identifikace a popis mechanismů poškozování v závislosti na rychlosti zatěžování při využití ultrazvukového zatěžování. Budou provedeny jak statické, tak i cyklické mechanické zkoušky při různých rychlostech zatěžování (pomalé, střední, vysoko-rychlostní/frekvenční). Pomocí rastrovací a transmisní elektronové mikroskopie budou studovány degradační mechanismy a popsán vliv rychlosti zatěžování na mechanismus únavového poškozování kovových materiálů. Vědeckým přínosem práce bude hlubší pochopení vlivu rychlosti zatěžování na mechanismus únavového poškozování kovových materiálů a umožnění predikce únavové živostnosti v gigacyklové únavové oblasti na základě vysokofrekvenčních zkoušek.
Školitel: Fintová Stanislava, doc. Ing., Ph.D.
Cílem projektu je teoretický popis strukturních a elektronických vlastností transportních nábojových vrstev, jejich vliv na následné molekulární vrstvy a návrh molekulárních prekurzorů pro zvýšení efektivity transportní nábojové vrstvy. Detailnější popis pozice je uveden v angličtině. Detailnější popis je k dispozici v anglické verzi.
Téma disertační práce je zaměřeno na výrobu porézních bioaktivních materiálů s téměř čistým tvarem technikou přímého napěnění a na výzkum možností jejich infiltrace do 3D tištěných hierarchických biomateriálových struktur. Projekt zahrnuje návrh a výrobu pěn, podrobné studium jejich mikrostruktury, distribuce a morfologie pórů, chemického složení, mechanických a antimikrobiálních vlastností a cytokompatibility. Uchazeč získá zkušenosti se syntézou a charakterizací porézních materiálů s potenciálním budoucím využitím v oblasti biomedicíny. Uchazeč se rovněž naučí používat mikroskopy, spektroskopické techniky a různé techniky aditivní výroby. Potenciální uchazeči musí prokázat aktivní iniciativní přístup a dispozice pro solidní odborný a metodický přístup, a etické školení, tak aby mohli přispět k vysoce kvalitnímu základnímu a aplikovanému výzkumu.
Školitel: Oliver Urrutia Carolina, MDDr., Ph.D.
Sprejové sušení je perspektivní pokročilá technologie, která umožňuje produkovat a/nebo zapouzdřovat nejrůznější organické a anorganické prášky využitelné v mnoha průmyslových odvětvích. Téma disertační práce se proto zaměřuje na lepší pochopení této technologie při syntéze skleněných a keramických prášků, a to buď přímo z výchozích kapalných činidel nebo naopak suspenzí složených z pevné fáze a kapalného nosného média. Pro syntézu/výrobu pokročilých prášků je potřeba na základě jejich specifického požadovaného chemického složení, velikosti a objemové a povrchové morfologie povrchu přesně vyvinout a nastavit řadu parametrů. Mezi těmito parametry lze například zdůraznit ve fázi předúpravy volbu vhodných podmínek vysokoenergetického kinetického mletí výchozích prášků, během sprejového sušení pak návrh vhodného surfaktantu a/nebo pojivového činidla a ve fázi post-úpravy dále i podmínky pro kalcinaci a/nebo redukci vyrobených prášků. Uchazeč získá zkušenosti se syntézou a charakterizací anorganických pokročilých práškových materiálů a naučí se používat jejich moderní výrobní a charakterizační technologie. 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.
Současným trendem v chemické analýze se stává spojení více analytických technik pro dosažení komplexnější informace o studovaném vzorku. Takovou synergií je i spojení laserových spektroskopických metod, jmenovitě Ramanovské spektroskopie a spektroskopie laserem buzeného plazmatu (laser-induced breakdown spectroscopy – LIBS). Tyto metody umožňují v tandemu provést kompletní chemickou (molekulovou a prvkovou) analýzu vzorku. Jejich předností je navíc možnost provést analýzu povrchu vzorku s vysokým prostorovým rozlišením. Toho se používá v tzv. režimu korelativní mikroskopie a zobrazování. V rámci této práce bude dále optimalizovaný mikrofluidní sensor na principu piezoelektrického efektu pro detekci syntetických (vč. mikroplastů) a biologických vzorků, při které budou použity tyto dvě techniky ve vhodné kombinaci.
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.
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.
Prvním z cílů práce bude experimentální vývoj (ultra)rychlého rastrovacího elektronového mikroskopu. Vysokého časového rozlišení bude dosaženo pomocí synchronizace krátkých elektronových pulsů s optickou excitací vzorku. Elektronové pulzy budou vytvářeny buď s využitím ultrarychlého laseru a fotoemise, nebo pomocí rychlých elektrostatických blankerů. Student/studentka se bude zabývat také aplikacemi ultrarychlé rastrovací elektronové mikroskopie v zobrazování s vysokým prostorových i časovým rozlišením. Zaměří se zejména na zobrazování fázových přechodů, magnetických domén nebo optických polí.
Magnetismus v látkách je způsoben existencí nespárovaných spinů elektronů a interakcí mezi nimi v různých materiálech od oxidů kovů po molekulární systémy. Kolektivní chování spinů, také známé jako kvantové provázání spinů je v současnosti velmi zkoumané téma díky jejich aplikacím v komunikačních a výpočetních technologiích. Elektronová spinová rezonance (ESR) je klíčová metoda, která umožňuje zkoumání spinových stavů a interakcí mezi spiny. ESR bylo aplikováno na monomerní a dimerní spinové systémy pro identifikaci kvantových přechodů mezi provázanými fázemi pomocí změny parametrů jako je teplota nebo orientace externího magnetického pole. Cíl tohoto projektu je identifikace vhodných materiálů jakožto spinových dimerů molekulární povahy a aplikace ESR spektroskopie na studium přechodů kvantových fází za vysokých frekvencí (až do 1 THz) a vysokých magnetických polí (až do 16 T).
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.
Polymerní kompozitní materiály hrají zásadní roli v různých průmyslových odvětvích, od elektroniky po fotoniku a senzory. Zlepšení optických a elektricky vodivostních vlastností těchto kompozitů je zásadní pro pokrok v technologii a splnění požadavků moderních aplikací. Tento návrh nastiňuje výzkumný projekt zaměřený na zlepšení optických a vodivých vlastností tří různých polymerů – polyakrylu (PAA), polyvinylacetátu (PVAc) a polyanilinu (PANI) – začleněním vícejaderných komplexů přechodných kovů. Výzkum těchto kompozitů bude zaměřen na výrobu vláken pro katalytický rozklad polutantů v odpadních vodách.
Školitel: Sobola Dinara, doc. Mgr., Ph.D.
Cílem disertační práce je prozkoumat a prokázat potenciál kombinace technologií přípravy pokročilých kompozitních prášků sprejovým sušením a jejich následného žárového nástřiku do podoby funkčních povlaků, pro které budou využity dvě technologie žárového nástřiku, tj. nástřik v prostředí atmosférického plazmatu a nástřik vysokorychlostním plamenem. Materiálové systémy studované v této práci budou zahrnovat varianty funkčních keramiky (binární nebo komplexní oxidy, karbidy, nitridy a boridy) a kovy (převážně na bázi přechodných kovů). Mezi sledované cílové funkční vlastnosti povlaků budou patřit kombinace řízené smáčivosti povrchu, katalytické aktivity, odolnost proti korozi a opotřebení. Práce bude rovněž zaměřena na pochopení souvislosti mezi vlivy chemického složení, mikrostruktury a sypkosti kompozitních prášků připravených sprejovým sušením a jejich nástřikem do podoby žárově stříkaných funkčních povlaků s požadovanými mechanickými vlastnosti.
Školitel: Tkachenko Serhii, 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
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.
Použití 2D Materiálů pro přípravu baterií. Kandidát získá zkušenost s 2D materiály, jako jsou MXeny, černý fosfor a přípravě baterií 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.