Fyzika

Velké množství horkých hvězd je zároveň zdrojem rentgenového záření. Rentgenová emise u dvojhvězdných interagujících systémů může vznikat při přenosu hmoty z jedné složky na druhou. Existuje však řada hvězd, které se jeví být osamocené. U těchto objektů není jasné, které fyzikální procesy dávají vzniknout rentgenovému záření. Navíc je rentgenová zářivost často proměnná. Příčina rentgenové emise osamocených hvězd je dosud stále zahalena rouškou tajemství.
Rentgenové záření má značný vliv na dynamiku zářením urychlovaného větru, kdy zvyšuje ionizaci prostředí, snižuje absorpční koeficient hmoty a tím snižuje i schopnost záření hmotu urychlovat.
Cílem práce bude přispět k pochopení mechanismů vzniku rentgenové emise v atmosférách a větrech horkých hvězd a pokusit se vytvořit nebo zpřesnit odpovídající model.

Literatura:

• Hubeny, I., Mihalas, D., 2015, Theory of Stellar Atmospheres, Princeton University Press
• Ignace, R., 2016, "Modeling X-ray emission line profiles from massive star winds - A review", Advances in Space Research, Volume 58, Issue 5, p. 694-709
• Lamers, H. J. G. L. M., Cassinelli, J. P., 1999, Instroduction to Stellar Winds, Cambridge University Press
• Rauw, G., 2022, "X-ray emission of massive stars and their winds", in Handbook of X-ray and Gamma-ray Astrophysics, Edited by Cosimo Bambi and Andrea Santangelo, Springer Living Reference Work, ISBN: 978-981-16-4544-0, 2022, id.108.

Školitel

doc. RNDr. Jiří Kubát, CSc.

Projekty GRBAlpha, VZLUSAT-2 a v budoucnu i GRBBeta jsou mise demonstrující možnosti využití nanodružic k monitorování extrémně energetických událostí ve vesmíru jakými jsou záblesky záření gama (GRB). Ty vznikají při kolapsu masivních hvězd na konci jejich života a při srážkách neutronových hvězd. Tyto nanodružice též detekují měkké gama záblesky pocházející z neutronových hvězd s velmi silným magnetickým polem tzv. magnetarů (SGR) a ze slunečních erupcí. S tím úzce souvisí plánovaná mise QUVIK, která má za cíl provádět fotometrická měření kilonov v ultrafialovém oboru, které doprovází typ GRB vznikajících při srážkách neutronových hvězd. Disertační práce bude zaměřena na různé aspekty simulací a analýzy pozorovaných družicových dat, které jsou důležité k plnému využití vědeckého potenciálu těchto misí. Konkrétně by práce mohla zahrnovat následující úlohy. Vytvoření detailního materiálového a hmotnostního trojrozměrného modelu nanodružic GRBAlpha, VZLUSAT-2 a GRBBeta, které mají na palubě detektory GRB, a z kterých budou poté vypočítány matice odezvy těchto detektorů. Ty jsou nezbytné pro přesnou spektrální analýzu pozorovaných GRB. K této práci je možné využít například existující balíček nástrojů MEGAlib. Dále se nabízí testovat, ověřovat a optimalizovat triggerovací algoritmus, který bude fungovat na palubě nanodružic GRBAlpha a GRBBeta a to pomocí velkého množství již naměřených dat pozadí a proměnných zdrojů zaznamenaných na nízké oběžné dráze Země s družicí GRBAlpha. Optimalizace triggerovacího algoritmu, který by fungoval na současných a plánovaných nanodružicových experimentech je nezbytná pro detekci proměnných zdrojů v gama oboru, která by byla nezávislá na pozorováních z ostatních misí. Další úkol by bylo pokračovat se současným projektem využívající strojového učení k detekci dosud neznámých proměnných zdrojů ve světelných křivkách naměřených družicemi GRBAlpha a v budoucnu i GRBBeta. Otevřenou možností je též pracovat na lokalizačních metodách, které by bylo možno v budoucnu využít u konstelace malých družic pro lokalizaci GRB z měření malých časových odchylek světelných křivek pozorovaných družicemi na nízké oběžné dráze. Pokud bude plánovaná malá družice QUVIK podpořena a vybrána k realizaci, tak v rámci tohoto projektu budou úkoly související s detekcí GRB a kilonov, které budou vyžadovat různé simulace a aplikování různých metod pro optimalizaci pozorování a příprav souvisejících se zpracováním dat vědeckým operačním centrem.

Školitel

RNDr. Jakub Řípa, Ph.D.

Vícenásobně zákrytové hvězdné soustavy představují relativně novou třídu objektů, která se nabízí jako významný zdroj informací o hvězdných systémech. Zatím je známo poměrně málo takových soustav a to zejména v severní části hvězdné oblohy.

Cílem práce bude za pomoci dat z přehlídkových projektů, nově zejména TESS, vyhledávat další minimálně dvojzákrytové soustavy a sestavit jejich katalog. Na takto získaném vzorku hvězdných soustav bude studovat obecné vlastnosti těchto soustav, například četnost určitých poměrů oběžných period složek systému.

U alespoň jedné vybrané soustavy doplní případně sesbíraná data o vlastní fotometrická a spektroskopická pozorování a provede detailní analýzu systému s určením parametrů jednotlivých složek.

Školitel

doc. RNDr. Miloslav Zejda, Ph.D.

Školitel

Mgr. Brankica Kubátová, Ph.D.

Most galaxies comparable to or larger than the mass of the Milky Way host hot, X-ray emitting atmospheres. The crucial role of these atmospheres for the formation and evolution of individual massive galaxies is just beginning to be appreciated. About half of the yet unseen warm-hot diffuse matter in the local Universe may lie in such extended galactic atmospheres, which are inextricably linked to their host galaxies through a complex story of accretion and feedback processes, such as energy and momentum input from supernovae, and jets and winds of accreting supermassive black holes, also called active galactic nuclei.
Using novel data analysis techniques, the student will explore X-ray data complemented by other multi-wavelength observations to study hot galactic atmospheres and their interaction with the central AGN.

Školitel

prof. Mgr. Norbert Werner, Ph.D.

OBJECTIVES: The aim is to elucidate the relationship between protein sequence and preferred composition and curvature of human membranes,i.e., find peptide motifs that are selective to specific membranes in cells (plasma membrane, endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, mitochondria, etc.). The obtained understanding will be used for the development of new protein biomarkers, sensors, scaffolds, and drugs.



DESCRIPTION: The control of biological membrane shape and composition is vital to eukaryotic life. Despite a continuous exchange of material, organelles maintain a precise combination and organization of membrane lipids, which is crucial for their function and the recruitment of many peripheral proteins. Membrane shape thus enables the cell to organize proteins and their functions in space and time, without which serious diseases can occur. Moreover, membrane curvature and lipid content can be specific to cancer cells, bacteria, and enveloped virus coatings, which could be utilized for selective targeting. We will develop a new method, using which we will elucidate the relationship between the protein sequence and the preferred membrane. The relationship will lay the foundations for the design of new protein motifs sensitive to membranes with a specific curvature and composition. Student(s) will master tools of computer simulations, in particular, molecular dynamics techniques and methods to calculate free energies. Moreover, he/she will learn the advantages and disadvantages of various protein and membrane parameterizations, including all-atom and coarse-grained models.



EXAMPLES of potential projects: * Determination of helical motifs for specific membrane compositions * Development of implicit membrane model for fast determination of protein-membrane affinity * Helical peptides and their sensitivity for membrane curvature



MORE INFORMATION: vacha.ceitec.cz



PLEASE NOTE: before the formal application process, all interested candidates should contact Robert Vacha (robert.vacha@mail.muni.cz).

Školitel

prof. RNDr. Robert Vácha, PhD.

Our scientific goal is understanding of the most basic principles of structural dynamics, function and evolution of DNA and RNA.

To achieve our goal, we use a wide portfolio of theoretical/computational approaches. Our research is closely related to experiments, mostly via extensive collaborations, though in the prebiotic chemistry we have in house experiments. We offer thesis essentially on any topic that is currently active in the laboratory. You can get the most up-to-date idea about our current research from the WOS or SCOPUS databases, where you can find all our publications (Sponer, J.), see all our collaborators, etc. The laboratory is at the Institute of Biophysics, Czech Academy Sciences, Kralovopolska 135, where we have a powerfull set of high-perfomance computer clusters dedicated exclusively to our group

Our methods are:

• Classical Molecular Dynamics (MD) simulations. Besides standard simulations, we have years of experience in using all classes of enhanced-sampling techniques. We play also a prominent role in development of DNA/RNA simulation force fields and our versions are used world-wide
• Quantum-chemical (QM) method. We have full spectrum of methods, ranging from ultra-accurate computations of model systems, through large-scale QM studies on biomolecular building blocks with hundreds of atoms up to sophisticated methods that are used in studies of excited states and photochemistry; the later technique is especially relevant to study the origin of life chemistry under UV light. Again, please see the papers we have published in last years.
• Hybrid quantum-classical (QM/MM) methods, quantum molecular dynamics
• Structural bioinformatics

Specific experiments are possible in the field of prebiotic chemistry in collaborating laboratories. Modern computations are extensively combined with many experimental techniques (NMR, X-Ray, high-energy lasers, biochemical techniques) mostly via numerous collaborations. We collaborate with 30 foreign and Czech laboratories. We publish about 20 papers annually and belong to the most cited Czech research groups. We currently work in several mutually interrelated research areas, which are open for the students as PhD topics.

• RNA structural dynamics, folding and catalysis
• Protein-RNA (or DNA) complexes. We try to go beyond the ensemble-averaged picture of experimental methods in order to understand how rarely accessed dynamical conformations invisible to experiments allow to separate affinity for reactivity or selectivity.
• DNA, with focus on G-quadruplexes, specifically advanced studies of quadruplex folding mechanisms
• Diverse types of quantum-chemical studies on nucleic acids systems
• Origin of life (prebiotic chemistry), i.e., creation of the simplest chemical life on our planet (or anywhere else in the Universe), with a specific attention paid to the formamide pathway to template-free synthesis of the first RNA molecules. This specific project includes also in house experimental research.

Besides studies of specific systems, we are also involved extensively in method testing/development, mainly in the field of parametrization of molecular mechanical force fields for DNA

NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact Prof. Jiri Sponer (sponer@ncbr.muni.cz) for an informal discussion.

Laboratory web page https://www.ibp.cz/en/research/departments/structure-and-dynamics-of-nucleic-acids/info-about-the-department

List of publications https://www.ibp.cz/en/research/departments/structure-and-dynamics-of-nucleic-acids/publications

Školitel

prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.

Topological insulators have a unique electronic band structure of surface states. These states have spin-momentum locked dispersion caused by time-reversal symmetry or mirror symmetry for topological insulators and topological crystalline insulators, respectively. The time-reversal symmetry can be broken by the magnetic field; thus, ferromagnetically doped topological insulators are of great scientific interest for the possible electronic and spintronic application. The other materials to be studied are thin films and quantum wells of topological crystalline insulators. The quantum well changes the electronic structure of the topological surface states due to changing the inversion symmetry protecting the topological surface states. We also plan to combine chalcogenide topological insulators with ferroelectric GeTe based materials.

The PhD candidate is expected to join our research in one of the following research activities:

• Electronic characterization of the topological insulators: transport measurements at low temperatures
• Participation in synchrotron-based experiments: ARPES, XAS, XMCD.
• Data evaluation and computer simulations necessary to evaluate the experimental results.

Required Skills and Qualifications:

• Master’s degree in Condensed Matter Physics.
• Experience in en experimental laboratory, preferably in Solid State Physics.
• Good communication skills (oral and written) in English.
• Commitment to complete the PhD studies.

REFERENCES

1. E. D. L. Rienks et al., Nature 576, 423-428 (2019).
2. G. Springholz et al., submitted to Advanced Functional materials.

Školitel

Mgr. Ondřej Caha, Ph.D.

The study aims to clarify the origin of induced room temperature ferromagnetism in pristine Semiconducting Oxide Thin Films. By down scaling semiconducting oxides to nano size, under appropriate conditions that may favour oxygen vacancies/defects at the surface and interface, room-temperature ferromagnets can be obtained. This may show us a way how to manipulate the spins and charges simultaneously in the same device. We propose to study the effect of introducing additional carriers and various types of defects into thin films of undoped ZnO, In2O3, and HfO2. The study will exploit the element selectivity of X-ray magnetic circular dichroism to detect changes of the spin polarization caused by the presence of extra charge carriers due either to x-ray irradiation or to dopant impurities. We expect these studies to shed new light on the mechanisms of d0-Ferromagnetism.

The PhD candidate is expected to join our research in one of the following research activities:

• Preparation of targets and ultrathin films of undoped ZnO, In2O3, and HfO2 and doped-semiconducting oxides with different dopant concentrations.
• Perform necessary measurements such as XRD, VSM, XAS, XMCD etc., to characterize the films.
• Manipulating oxygen vacancies and defects in a controllable way by means of changing size, applying different conditions, and thermal and oxygen treatments.
• Performing simulations to guide the experiments.

Required Skills and Qualifications:

• Master’s degree in either Condensed Matter Physics or Chemistry of Solids
• Hands-on experience in experimental laboratories, being familiar with PLD, MPMS, XRD and Chemistry Lab should be preferred
• Good communication skills (oral and written) in English
• High level of commitment to complete the PhD studies

REFERENCES

1. Room temperature ferromagnetism observed in undoped semiconducting and insulating oxide thin films. Nguyen Hoa Hong, Joe Sakai, Nathalie Poirot, and Virginie Brizé, Physical Review B 73, 132404 (2006).
2. Ferromagnetism Due to Oxygen Vacancies in Low Dimensional Oxides. Nguyen Que Huong and Nguyen Hoa Hong, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 534, 167944 (2021).
3. Effects of Al-Mn co-doping on magnetic properties of semiconducting oxide thin films. Nguyen Hoa Hong V. Shaidiuk, T. Atabaev, O. Ciftja, M Kurisu, H-K. Kim, Y-H. Hwang, Phys. Status Solidi B 251, 2274 (2014).
4. Observation of room temperature ferromagnetism in ZnO thin films. Nguyen Hoa Hong, Joe Sakai, and Virginie Brizé, Journal of Physics: Condensed Matter 19, 036219 (2007).
5. Magnetism due to defects/oxygen vacancies in HfO2 thin films. Nguyen Hoa Hong, Physica Status Solidi (c) 4, No. 3, 1270 (2007).
6. Magnetism in transition-metal-doped In2O3 thin films. Nguyen Hoa Hong, J. Sakai, N.T. Huong, A. Ruyter, and V. Brizé, Journal of Physics: Condensed Matter 18, 6897 (2006).
7. “Nano-sized Multifunctional Materials: Synthesis, Properties and Applications”, Edited by Nguyen Hoa Hong, Elsevier 2018, ISBN 978-0-12-813934-9.

PLEASE NOTE: before the formal application process, all interested candidates should contact dr. Nguyen at hong.nguyen@mail.muni.cz and provide curriculum vitae, cover letter with a summary of previous research activities, and contacts of two persons who might provide references.

MORE INFORMATION:https://www.physics.muni.cz

Školitel

Hoa Hong Nguyen, PhD

Spacecrafts operating at Very Low Earth Orbits need to fight continuously the drag from the residual atmosphere. Electric thrusters are advantageous because they are able to provide sufficiently large delta-v for long drag fighting VLEO missions on the cost of only modest propellant wight. A novel concept of electric thrusters called Air Breathing Electric Propulsion (ABEP) goes even beyond: proposes to collect the atmospheric molecules through an intake system, and to use them as the propellant. Operation of ABEP posses many fundamental physical questions: What are the dynamics of the plasma sheath at various scales? What is the kinetic behavior of particles in the plasma plume? How does surface and gas chemistry affect the operation of the ABEP system? The aim of this phd topic is to provide answers to some of these questions via predictive numerical modeling.

References:
[1] N. H. Crisp et al., `The benefits of very low earth orbit for earth observation missions,' Prog.
Aerosp. Sci., vol. 117, p. 100619, 2020.
[2] A. Obrusník et al. `Simulation-guided engineering of an air-breathing electric propulsion concept'
CEAS Space Journal volume 14, pages 741–747 (2022)

Školitel

Mgr. Zdeněk Bonaventura, Ph.D.

Cílem této práce je vyvinout a otestovat v průmyslových podmínkách depoziční proces využívající pulzního oblouku synchronizovaného s přiváděným napětím na vzorky. Bude zkoumáno, zda a do jaké míry bude dosaženo změny textury vrstvy, změny pnutí ve vrstvě,změny ve velikosti zrn, změny ve fázovém složení rostoucí vrtvy, změny mechanických vlastností a dalších efektů periodickým zvyšováním napětí na vzorcích v okamžiku, kdy budou selektivně produkovány pouze ionty jednoho prvku pulzně buzeným obloukem. Bude zkoumáno, zda tímto způsobem bude možné optimalizovat rostoucí vrstvu na hranách nástrojů.

Školitel

prof. Mgr. Petr Vašina, Ph.D.

Tématem dizertační práce je komplexní diagnostika pulzního plazmatu, vč. fáze zapalování plazmatu, kdy lze očekávat jiné mechanizmy ohřevu elektronů a jiné chování výboje, než jaké jsou známé ze studia ustálených výbojů. Téma umožňuje jak studium nízkotlakého kapacitně vázaného výboje, tak atmosférických výbojů buzených časově proměnným napětím. Při studiu jsou k dispozici různorodé diagnostické metody, zejména sondové, elektrické, optické a laserové.

Školitel

doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D.

Energy balance is a key issue in numerous applications of non-thermal plasma sources
because of rather stringent energy constraints are set by the environmental and economical
contexts. The real power transfer to plasma is then a critical aspect for particular application, where plasma technology is competing with other technological areas. General framework of the thesis is in coupled multiphysical modelling of plasma sources with the aim to evaluate detailed energy fluxes in the physical system of the plasma source. The model will
be validated and compared to experimental data that are readily available.
References:
[1] P Coche et al 2016 J. Phys. D: Appl. Phys. 49 235207
http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/49/23/235207
[2] F Coquery et al 2022 Plasma Sources Sci. Technol. 31 055003
https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac6691

Poznámky

In the framework of the thesis there will be a close collaboration with experimental group of prof. Gabi Stancu, at EM2C Lab., CentraleSupélec, Gif-sur-Yvette, France. He is a world leading expert in plasma diagnostics and energy transfer in plasmas. Phd candidate will regularly visit the experimental group of prof. Gabi Stancu at CentraleSupélec.

Školitel

Mgr. Zdeněk Bonaventura, Ph.D.

The novel emerging field of flexible and printed electronics has attracted increased attention because of its potential to enable low-cost and high-throughput manufacturing of electronics on cheap plastic substrates for various applications including photovoltaics. However, this segment is still far away from commercialization because the cutting edge materials and manufacturing steps are not compatible with thermally sensitive flexible materials.

The PhD. work will focus on low-temperature plasma engineering of novel nanostructured nanomaterials as tungsten oxide, iron oxides, titanium dioxide, molybdenum disulfide, etc ... and their application in various energy-harvesting, -storage systems and sensing devices. The topic and tasks in the laboratory are strongly oriented towards the industrial segment.

Possibility to spend 6 months on an internship in a high-tech company in Singapore working on PhD. topic.

The exacttopic and tasks will be defined later according to applicant preference: perovskite solar cells, tandem solar cells, supercapacitors, etc ...

Keywords: State-of-the-art plasma generators, coating deposition methods (i.e. ink-jet printing), plasma treatment, advanced surfaces, nano-coatings, roll-to-roll manufacturing, flexible and printed electronics, surface characterization (AFM, XPS, SEM, etc.).

Poznámky

More information:

https://plasma.sci.muni.cz/en/for-students/flexible-and-printed-electronics

Relevant literature:

T. Homola, J. Pospíšil, R. Krumpolec, P. Souček, P. Dzik, M. Weiter, et al., Atmospheric dry hydrogen plasma reduction of inkjet-printed flexible graphene oxide surfaces, ChemSusChem. 11 (2018) 941–947. doi:10.1002/cssc.201702139.

T. Homola, P. Dzik, M. Veselý, J. Kelar, M. Černák, M. Weiter, Fast and low-temperature (70 C) mineralization of inkjet printed mesoporous TiO2 photoanodes using ambient air plasma, ACS Appl. Mater. Interfaces. 8 (2016) 33562–33571. doi:10.1021/acsami.6b09556.

Školitel

doc. RNDr. Tomáš Homola, PhD.

Předmětem práce je studium vlastností elektrického výboje buzeného v prostředí hydrodynamické kavitace ve vodě a jeho aplikace (technologie tzv. pokročilých oxidačních procesů). Výboj bude buzen ve vodných roztocích s širokým rozsahem vodivosti (uS/cm až mS/cm) a spektrem rozpuštěných látek anorganických i organických (např. voda demineralizovaná/pitná, resp. obsahující aditiva, mikropolutanty).

Bude sledován vliv podmínek buzení výboje na jeho vlastnosti prostřednictvím optické a elektrické charakterizace výboje (fázově/prostorově rozlišená optická emise - např. vysokorychlostní zobrazování, spektroskopie; a korelovaných osciloskopických měření). Fyzikální a chemické parametry výbojem upravené vody budou studovány zejména pomocí měření její vodivosti, pH, koncentrace H2O2, O3, produktů plazmochemického rozkladu apod.

Cílem práce bude detailní popis vzájemného vztahu mezi podmínkami buzení výboje, parametry výboje a chemickými parametry plazmatem modifikované kapaliny pro přímou i nepřímou úpravu kapalin (vody). Součástí práce budou také vybrané aplikace tohoto výboje zejména pro použití v zemědělství, čištění odpadních vod nebo sterilizaci povrchů s využitím této technologie.

V rámci této práce student získá hlubší znalosti technologie plazmové úpravy kapalin, její diagnostiky, ale i aplikací v oborech zemědělství, čištění odpadních vod od mikropolutantů, chovu ryb nebo inaktivace různých patogenů na površích pomocí plazmově upravených vod. Samostatnou kapitolou pak bude studium inaktivace růstu sinic a cyanotoxinů ve vodě.

Studovaná technologie se pohybuje na samé hranicích současného poznání a mnohé sama definuje. Její výzkum a vývoj představuje vysoce relevantní téma s potenciálem průmyslového uplatnění. Cíle práce významnou měrou přispějí k naplňování celoevropsky vytčených cílů např. v oblasti ochrany životního prostředí.

Literatura:
ČECH, J., et al. Mass Production of Plasma Activated Water: Case Studies of Its Biocidal Effect on Algae and Cyanobacteria. Water. Basel: MDPI, 2020, roč. 12, č. 11, s. 1-18. ISSN 2073-4441. doi:10.3390/w12113167.

RUDOLF, P., et al. Zařízení pro čištění kapalin a způsob čištění kapalin s využitím tohoto zařízení. 2020. Patent. Číslo: 308532. Název vlastníka: Vysoké učení technické v Brně; Masarykova univerzita, Brno; Botanický ústav AV ČR. Datum přijetí: 16. 9. 2020.

RAJZER, Jurij Petrovič. Gas discharge physics. Berlin: Springer, 1991. ISBN 978-3-642-64760-4.

BRUGGEMAN, P. J., et al. Plasma–liquid interactions. Journal of Applied Physics, 2021, 130.20: 200401.

LOCKE, Bruce R.; SHIH, Kai-Yuan. Review of the methods to form hydrogen peroxide in electrical discharge plasma with liquid water. Plasma Sources Science and Technology, 2011, 20.3: 034006.

LOCKE, Bruce R.; THAGARD, Selma Mededovic. Analysis and review of chemical reactions and transport processes in pulsed electrical discharge plasma formed directly in liquid water. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2012, 32: 875-917.

Školitel

doc. Mgr. Pavel Sťahel, Ph.D.

Cílem je studovat parametry a vlastnosti nízkoteplotních plazmových trysek s větším průměrem, která budou pracovat při atmosférickém tlaku na rf frekvenci 13.56 MHz a při nízkých frekvencích 10-50 kHz. Cílem je určit základní parametry a studovat možné aplikace těchto trysek.

Školitel

doc. Mgr. Pavel Slavíček, Ph.D.

Současné období pandemie ukázalo na zvýšený požadavek na vývoj metod pro úpravu povrchových vlastností materiálů, např. pro přípravu antibakteriálních a antivirových povrchů nejen pro zdravotnické materiály, ale i pro obalovou techniku a další často dotýkané povrchy (kliky, vypínače, apod.). Nanočástice stříbra, ale i některých dalších kovů (měď, zlato, titan) jsou známé pro jejich antibakteriální i antivirové vlastnosti. Tématem navržené disertační práce bude vyvinout technologii kovem dopovaných organosilikonových tenkých vrstev použitím metody plazmatem aktivované depozice z plynné fáze. Pro zabudování kovů budou odzkoušeny 2 metody: (1) depozice ze směsí organosilikonových a organometalických prekurzorů a (2) příprava organosilikonových vrstev v prachovém plazmatu dodáním nanočástic různých kovů s antibakteriálními vlastnostmi do plazmatu. V případě druhém bude nutné vyřešit dodání částic do plazmatu.
Pro přípravu shora uvedených vrstev je velmi důležitý jejich multifunkční charakter, kromě antibakteriálních vlastností musí splňovat několik dalších důležitých vlastností, jako jsou dobrá adheze k substrátu, otěruvzdornost, elasticita (zejména v případě flexibilních substrátů), transparentnost (v případě obalových materiálů). Požadavek na kvalitu struktury vrstev (dopant se nesmí uvolňovat z povrchu) bude rovněž zvýšená, vrstva musí zachovat povrchové i objemové vlastnosti a musí být odolný vůči běžným čisticím postupům.
V rámci práce budou studovány vlastnosti tenkých vrstev i v závislosti na druhu substrátu na který jsou tenké vrstvy nanášeny (u plazmatem asistované depozice může mít substrát významný vliv). Bude kladen důraz na studium vlivu záporného stejnosměrného předpětí na substrátu na vlastnosti nadeponovaných vrstev. V práci se bude věnovat i studiu časového vývoje předpětí a jeho vliv na hloubkový profil mechanických, strukturních a dalších fyzikálních a chemických vlastností vrstev.
V první části disertační práce se budou vyvíjet metody pro přípravu různých typů vrstev ze směsí organosilikonů anebo organosilazanů s nosnými plyny (např. Ar, O2, N2O, atd.) aby bylo možné vytypovat vhodné typy vrstev pro následné dopování kovovými prvky.
Pro úspěšné řešení tohoto tématu bude velice důležitá důkladná charakterizace tenkých vrstev, jako jsou měření mechanických (nanoindentace, vrypové a nanootěrové zkoušky), povrchových (topografie pomocí AFM, konfokální mikroskopie, studium volné povrchové energie), strukturních a chemických vlastností vrstev (FTIR, XPS, Raman, SEM, TEM, RBS/ERDA atd.). Většina těchto technik je k dispozici na pracovišti ÚFE, TEM můžeme řešit ve spolupráci s ÚFM anebo s CEITEC, RBS/ERDA ve spolupráci s ÚJF (Řež u Prahy). Antibakteriální testy pak můžeme řešit ve spolupráci s FCH VUT, TUL Liberec anebo Univerzitou Tomáše Bati ve Zlíně.
Materiálně je řešení tématu v současné době zabezpečený projektem GAČR 19-15240S.

Školitel

doc. RNDr. Vilma Buršíková, Ph.D.

Metody vylepšení zobrazení v rastrovací elektronové mikroskopii jdou dvojím směrem. První z nich se soustředí na optimalizaci primárního svazku pomoci korektorů vad, energiových filtrů a dalších sofistikovaných elektronově optických elementů. Druhý směr, který může vést ke stejným výsledkům, se odehrává na straně zpracování signálu, který dostaneme z daného vzorku. Příkladem tohoto přístupu jsou difraktivní metody, které jsou založené na matematické analýze difraktogramů. Tyto metody umožní zobrazit efekt vzorku na fázi elektronové vlny – fázový kontrast, což je podstatné pro pozorování prvků s nižším atomovým číslem. Potenciálně také umožní pozorování vzorků s rozlišením, které není omezeno difrakčním limitem, ale nekoherencí elektronového svazku. Hlavním cílem dizertace bude implementace difraktivních metod do transmisního skenovacího elektronového mikroskopu, případně transmisního módu standardního rastrovacího elektronového mikroskopu včetně jejich vývoje a experimentálního ověření na různých typech vzorků.

The progress in enhancing imaging methods in scanning electron microscopy proceeds in two ways. First, it is an optimization of the primary beam by aberration correctors, energy filters, and other sophisticated electron-optical elements. The second way which can lead to similar results is based on processing the signal acquired from the sample. The diffractive methods based on mathematical analysis of diffractograms are typical examples of this approach. These methods enable to show the effect the sample has on the electron wave phase-phase contrast. It is substantial in the observation of elements with low atomic numbers. Potentially, they would also allow image samples with the resolution restricted not by the diffraction limit, but by the incoherence of the electron beam. The main goal of the dissertation will be the implementation of diffractive methods in the scanning transmission electron microscope, including their development and experimental verification on different types of samples.
Cíle

• Vlnově optický popis a simulace zobrazení v transmisním módu rastrovacího elektronového mikroskopu.
• Metoda výpočtu fázového kontrastu metodou integrovaného diferenciálního fázového kontrastu.
• Rekonstrukce transmisní funkce vzorku pomoci ptychografické rekonstrukce včetně analýzy vlivu nekoherence systému.
• Experimentální ověření.
• Wave optical description and simulation of microscopic images in the transmission mode of the scanning electron microscope.
• A method of calculating the phase-contrast using integrated differential phase contrast.
• Reconstruction of the transmission function of the specimen utilizing phychographic reconstruction, including the analysis of the influence of incoherence.
• Experimental verification.

Literatura
H. Rose, Geometrical Charged-Particle Optics, Springer 2009, ISBN: 978-3-540-85915-4
Hüe, F., Rodenburg, J. M., Maiden, a. M., Sweeney, F., & Midgley, P. a. (2010). Wave-front phase retrieval in transmission electron microscopy via ptychography. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 82(12), 1–4.
Lazić, I., & Bosch, E. G. T. (2017). Analytical Review of Direct Stem Imaging Techniques for Thin Samples. Advances in Imaging and Electron Physics (1st ed., Vol. 199). Elsevier Inc.

Poznámky

Téma je rezervováno.

Školitel

Mgr. Tomáš Radlička, Ph.D.

Při vývoj rastrovacích elektronových mikroskopů a nových mikroskopických metod přestává stačit stávající způsob popisu zobrazení, který je založený především na popisu vlastnosti primárního elektronového svazku elektronů a detekčního systému pomoci analýzy signálních elektronů emitovaných svazkem. V tomto přístupu chybí korektní popis interakce elektronového svazku se vzorkem, která umožní lépe specifikovat, jaké informace o zobrazovaném vzorku z měření dostáváme a případně pomoci nich optimalizovat elektronový mikroskop, nebo vyvinout nové metody pro zpracování získaných dat. K této analýze by měla výrazně přispět technologie “digitálního dvojčete” mikroskopického obrazu, která umožní vygenerování umělého obrazu, který bude odpovídat obrazu reálného vzorku generovaného rastrovacím elektronovým mikroskopem. Tato technologie umožní a)Optimalizaci zobrazovacího a detekčního systému rastrovacího elektronového mikroskopu pro pozorování požadované vlastnosti vzorku (typicky materiálový, nebo topografický kontrast) b)Vývoj nových mikroskopických metod založených na strojovém učení, které vyžadují velké množství vstupních dat, které jinými metodami není možné získat.

The development of scanning electron microscopes (SEM) and new imaging techniques are currently based on the description of the primary beam and detection system utilizing analysis of the signal electrons emitted by the sample. However, this analysis suffers from overly simplified models of the electron-sample interactions, and there is a potential to specify and quantitatively describe the measured sample properties and optimize the microscope or microscopical method using this information. This is the main motivation for the development of the “digital twin” technology which enables the generation of the artificial image directly corresponding to the image of the real sample, which is observed in the scanning electron microscope. This approach enables a) Optimization of the primary beam and the detection system of the SEM for imaging of required sample properties (typically material or topographical contrast) b) Development of the microscopical method based on the machine learning which requires a high amount of input data, that can be hardly acquired by the standard approach.

Cíle

• Popis elektronově optických vlastností primárního svazku rastrovacího elektronového mikroskopu a výpočet stopy svazku na základě vlnově optických výpočtů
• Nastavení a optimalizace detekčního systému rastrovacího elektronového mikroskopu pomoci trasování reálných trajektorií signálních elektronů
• Simulace interakce elektronů se vzorkem pomoci Monte Carlo metod
• Generování umělých obrázků pro obecný vzorek a experimentální ověření.
• Description of the primary beam properties in the SEM and calculation of the electron probe using wave-optical calculations
• Optimization of the detection system in the SEM using results of ray-tracing real trajectories of signal electrons
• Simulation of the electron-sample interaction using Monte-Carlo methods
• Artificial SEM images generation for a general sample and experimental verification

Literatura
H. Rose, Geometrical Charged-Particle Optics, Springer 2009, ISBN: 978-3-540-85915-4
Hawkes, P. W., & Kasper, E. Principles of Electron Optics: Basic Geometrical Optics. Elsevier Science 1996.
L. Reimer, Scanning Electron Microscopy Physics of Image Formation and Microanalysis. Springer 1998, ISBN 978-3-540-3896
Werner, W. S. M. Electron transport in solids for quantitative surface analysis. Surface and Interface Analysis, 31(3), 141–176, 2001 https://doi.org/10.1002/sia.973

Poznámky

Téma je rezervováno.

Školitel

Mgr. Tomáš Radlička, Ph.D.