Detail oboru

Fyzikální elektronika a nanotechnologie

FEKTZkratka: PP-FENAk. rok: 2018/2019

Program: Elektrotechnika a komunikační technologie

Délka studia:

Akreditace od: 25.7.2007Akreditace do: 31.12.2020

Profil

Cílem studia je poskytnout ve všech dílčích zaměřeních doktorské vzdělání absolventům vysokoškolského magisterského studia. Vytvořit interdisciplinární přehled současného vývoje, prohloubit teoretické základy ve zvoleném oboru, zvládnout metody vědecké práce, rozvíjet tvůrčí schopnosti a využít je při řešení vědeckého problému, který vyústí ve vypracování disertační práce přinášející vlastní původní přínos v daném oboru.

Klíčové výsledky učení

Absolvent oboru získá znalosti mezioborového charakteru z technických a přírodovědních disciplin na vysoké teoretické úrovni. Pro další samostatnou výzkumnou a vývojovou práci je vybaven vědomostmi zejména z fyziky polovodičů, kvantové elektroniky, matematického modelování a umí samostatně řešit problematikou spojenou s nanotechnologiemi. Uplatnění najde především jako vědecký pracovník základního nebo aplikovaného výzkumu při tvůrčím zavádění a využívání nových perspektivních a ekonomicky výhodných postupů v oblasti elektroniky, elektrotechniky, nedestruktivního testování spolehlivosti a materiálové analýze.

Profesní profil absolventů s příklady

Absolvent oboru získá znalosti mezioborového charakteru z technických a přírodovědních disciplin na vysoké teoretické úrovni. Pro další samostatnou výzkumnou a vývojovou práci je vybaven vědomostmi zejména z fyziky polovodičů, kvantové elektroniky, matematického modelování a umí samostatně řešit problematikou spojenou s nanotechnologiemi. Uplatnění najde především jako vědecký pracovník základního nebo aplikovaného výzkumu při tvůrčím zavádění a využívání nových perspektivních a ekonomicky výhodných postupů v oblasti elektroniky, elektrotechniky, nedestruktivního testování spolehlivosti a materiálové analýze.

Garant

Vypsaná témata doktorského studijního programu

  1. Dielektrická relaxační spektroskopie ligninu

    Cílem práce je prozkoumat dielektrické vlastnosti ligninu ve frekvenčním intervalu 1 mHz – 1 GHz a v teplotním rozsahu 20 K – 400 K. Lignin je nepravidelný polymer tří aromatických alkoholů, který se přirozeně vyskytuje ve dřevě v rozsahu 15 – 30 % dřevní hmoty (v závislosti na druhu dřeva). Lignin dodává dřevu mechanickou pevnost, a je tak klíčový pro růst stromů. Po léta stál ve stínu hlavní složky dřeva, totiž celulózy, ale v posledních letech začaly nabývat na významu jeho nové komerční aplikace. Lignin lze využít pro různé průmyslové a biochemické aplikace, včetně biopaliv, chemických sloučenin a polymerů a rovněž pro vývoj nanomateriálů pro dávkování léků a genů. V roce 2016 patentovali pracovníci CEITECu z Masarykovy univerzity v Brně, spolu se svými norskými kolegy, hormon, který podporuje růst podílu ligninu ve dřevě. K dispozici je vybavení laboratoře dielektrické relaxační spektroskopie na Ústavu fyziky FEKT VUT v Brně s frekvenčním rozsahem cca 1 mHz – 1 GHz, včetně héliového kryostatu Janis CCS-400/204 pro teplotní interval 10 – 500 K a softwaru pro řízení měření. K dalším velice výkonným měřicím nástrojům patří analyzátor Novocontrol ALPHA-AT s vysokým rozlišením a s frekvenčním rozsahem 3 μHz – 40 MHz a rovněž infračervený spektrometr Nicolet 8700 s Fourierovou transformací pro interval vlnových čísel 20 000 – 350 cm-1.

    Školitel: Liedermann Karel, doc. Ing., CSc.

  2. Dielektrická spektroskopie materiálů s vysokou permitivitou

    Materiály s vysokou permitivitou jsou zapotřebí pro nové aplikace, např. v integrovaných obvodech další generace (32 nm) či v kondenzátorech. Ve výrobě kondenzátorů jsou materiály s vysokou permitivitou žádoucí pro dosažení vyšší hustoty energie v kondenzátoru, a tedy ke zmenšování rozměrů. V dnešní době je této oblasti výzkumu věnována velká pozornost např. CCTO materiály, Smart piezo materiály atd. V rámci studia je předpokládána staž na Universitě Augsburg.

    Školitel: Holcman Vladimír, Ing., Ph.D.

  3. Flexibilní a objemové piezokeramické generátory elektrické energie

    Cílem práce je vytvořit nové a neotřelé konstrukce využívající milimetrové nebo nanometrové piezokeramické prvky pro generování elektrické energie na základě mechanického buzení (pohyb, vibrace, pohyb větru atd.) Výroba konstrukce jednotlivých generátorů proběhne ve spolupráci se spolupracujícími pracovišti v rámci VUT.

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

  4. Fluktuační procesy v strukturách na bázi grafenu

    Nízkofrekvenční šumové procesy jsou obecně sledovány u mnoha elektronických součástek a jsou spojovány s jejich lokálním/objemovým namáháním, projevy stárnutí a případnými nedokonalostmi ve struktuře. Dominantně je pozorován šum 1/f, který ve spojení s 2D strukturou grafenu poskytuje unikátní možnost jak studia vlastního šumového procesu, tak i vlastností moderní elektroniky založené na grafenu (tranzistory, senzory apod.).

    Školitel: Macků Robert, Ing., Ph.D.

  5. Hluboké neuronové sítě a jejich využití v rozpoznávání vad na povrchu elektronické struktury

    Práce se zabývá využití neuronových sítí s hlubokým učením pro diagnostiku povrchu elektronických mikro a nano struktury, které jsou snímány pomocí skenovacích mikroskopů s různým stupněm rozlišení. Hledání vad vyskytujících se na povrchu je velmi časově náročné. Motivací práce je tyto vady rozpoznat ze získaných dat.

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

  6. Mikroskopické metody pro lokální opracování a charakterizaci solárních článků

    Obecně řešeným problémem solárních článků jsou lokální defekty ve struktuře, které výrazně snižují účinnost konverze optické energie, spolehlivost a živostnost. V současné době je k dispozici řada vědeckých metod vhodných pro studium povrchu, nalezení fyzikálního původu defektů a jejich odstraňování. Lze využít například elektronové mikroskopie (SEM), iontové opracování povrchů (FIB, RIE), prvkovou analýzu (EDS) a mapování lokální odezvy materiálu (EBIC). Tyto metody představují unikátní možnost zjištění vlastností defektů a vrstev a povedou k rozvoji materiálů ve fotovoltaice.

    Školitel: Macků Robert, Ing., Ph.D.

  7. Přesné měření prostorových vzdáleností

    Měření rozměrů prostorových objektů se v poslední době stává velice důležité s ohledem na rozvíjející se technologie 3D tisku, rozšířené reality, navigací a nejrůznějších přenosných zařízení. Pro optické měření vzdálenosti je zavedeno a používáno několik přístupů vhodných pro konkrétní aplikace, odlišujících se rozlišením, měřícím rozsahem, rychlostí měření, finanční a technickou náročností. Práce bude věnována teoretickým principům a aplikačním možnostem vybraných metod, jejich vylepšením a experimentálnímu ověření předpokladů.

    Školitel: Škarvada Pavel, Ing., Ph.D.

  8. Radiační charakteristiky termického plazmatu

    Radiační přenos energie výrazně ovlivňuje fyzikální procesy probíhající v plazmatu, hraje důležitou roli v mnoha zařízeních využívajících plazmové procesy, např. při tvorbě povrchů specifických vlastností, pro syntézu látek, likvidaci škodlivin, plazmovou metalurgii, apod. Cílem práce je pomocí různých aproximačních metod diskrétních ordinát najít řešení rovnice přenosu záření, porovnat získané výsledky pro vyzářenou energii a tok záření pro vybrané druhy plazmatu, diskutovat výhodnost a použitelnost jednotlivých výpočetních metod.

    Školitel: Bartlová Milada, doc. RNDr., Ph.D.

  9. SPM-techniky modifikace povrchu

    Vlastnosti materiálů v mikro- a nano-měřítku jsou ovlivněny geometrií povrchu, a jsou funkcí rozměrů. K jejich zkoumání existuje mnoho SPM režimů a metod skenování. Nicméně stále existuje velký potenciál pro využití SPM pro přípravu a vyšetřování struktur v nanoměřítku. SPM měření umožňují vyhodnocovat parametry povrchů s vysokou přesností. SPM litografické techniky jsou schopny realizovat struktury v nanoměřítku. Litografie se může provádět za použití síly nebo elektrický interakce mezi povrchem vzorku a sondou. Když je špička v mechanickém kontaktu s povrchem, struktury jsou vytvořeny elastickou a plastickou deformací materiálu. Při elektrické litografii se modifikace dosáhne díky změně vodivosti materiálu a vlhkosti v průběhu anodizace. Ty silně ovlivňují proces, a proto by měly být kontrolovány. Účelem této studie je povrchová úprava povrchu pomoci SPM technik (anodická oxidace, silová litografie) a charakterizaci připravených struktur.

    Školitel: Sobola Dinara, Mgr., Ph.D.

  10. Studium dielektrických materiálů s nízkou permitivitou

    Zmenšování rozměrů v integrovaných obvodech (dnes 32 nm) vede ke zvyšování kapacit mezi vodiči, a ve svém důsledku ke snižování rychlosti přenosu signálu. Limitujícím faktorem pro zvyšování výkonu IC se tak stávají nikoli již vlastnosti samotných polovodičových prvků, ale rychlost přenášení signálu mezi nimi, a tedy kapacit. Jednou z možností pro snižování kapacit mezi vodiči je snižování permitivity dielektrických izolačních vrstev (kapacita je přímo úměrná permitivitě použitého materiálu). Dnes jsou patrné dvě cesty, buď nahrazování polárních vazeb Si-O vazbami méně polárními (Si-F, Si-C) nebo zvyšování porozity (tj. vytváření směsi původního dielektrika se vzduchem). Nově navrhované materiály s nízkou permitivitou přitom nesmějí výrazně omezovat současně používané křemíkové technologie a dále musí být schopny absolvoval všechny výrobní kroky (včetně teplot cca 1100°C). Zpracování tématu si bude vyžadovat experimentální práce při přípravě vzorků, teoretické studium možností dosažení nízkých permitivit i měření elektrických vlastností vytvořených materiálových systémů. K dispozici je vybavení laboratoře dielektrické relaxační spektroskopie na Ústavu fyziky FEKT VUT v Brně s frekvenčním rozsahem cca 10-3 – 109 Hz, včetně héliového kryostatu Janis CCS-400/204 pro teplotní interval 10 – 500 K. K dalším velice výkonným měřicím systémům patří analyzátor Novocontrol ALPHA-AT s vysokým rozlišením a s frekvenčním rozsahem 3 μHz – 40 MHz a rovněž infračervený spektrometr Nicolet 8700 s Fourierovou transformací pro interval vlnových čísel 20 000 – 350 cm-1.

    Školitel: Liedermann Karel, doc. Ing., CSc.

  11. Vlastnosti periodických struktur

    Uměle vytvořené struktury s periodickou změnou materiálových konstant mají zajímavé vlastnosti pro vlny, které mají vlnovou délkou blízkou rozměrům těchto struktur. Cílem práce je teoretický návrh, realizace a experimentální ověření vlastností realizovaných krystalických struktur.

    Školitel: Škarvada Pavel, Ing., Ph.D.

  12. Vliv morfologie elektrody na transport elektrického náboje na rozhraní elektroda/elektrolyt

    Cílem práce je studie transportu náboje na rozhraní elektroda a elektrolyt s důrazem na analýzu vlivu morfologie na senzorické vlastnosti (selektivita, cilivost, atd). Praktickým výsledkem je vytvoření popisných fyzikálních a elektrických modelů na základě experimentální studie ampérometrických senzorů plynu.

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

  13. Využití elektromagnetické emise pro sledování procesů v horninách

    Při mechanickém zatěžování pevných látek dochází ke vzniku elektromagnetické emise (EME). V přírodních podmínkách lze sledovat EME v souvislosti s tektonickými procesy, redistribucí mechanického napětí a šířením trhlin před zemětřesením nebo v souvislosti s gravitačními pohyby hornin. EME lze měřit různými typy snímačů a antén a na základě tohoto měření je možné provádět sledování výše uvedených jevů. Cílem práce bude rozpracování metodiky pro měření a zpracování signálů EME pro využití při predikci zemětřesení a dalších vybraných jevů a případně i pro rozlišení jednotlivých typů těchto jevů. K tomuto účelu bude prováděno dlouhodobé měření EME v jeskyních v České republice a v Alpách v Rakousku a získané výsledky budou korelovány s výsledky dalších metod využívaných v geologii. Důležitou součástí práce bude provedení rozboru vzniku a šíření EME ve sledovaných materiálech a návrh a ověření pokročilých metod pro zpracování a vyhodnocení měřených signálů. Doktorand bude během své výzkumné práce zapojen do vědeckovýzkumné spolupráce s Ústavem struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i.

    Školitel: Koktavý Pavel, prof. Ing., CSc. Ph.D.

  14. Zařízení pro sběr elektrické energie na bázi bezolovnaté piezoelektrické keramiky

    Práce se bude zabývat návrhem, výrobou a optimalizací piezoelektrických zařízení pro sběr energie. Hlavní část práce je zaměřena na bezolovnaté piezoelektrické materiály typu BCZT, KNN a BNKT. Sekundárním cílem bude návrh elektronických obvodů ve snaze získat maximální účinnost přenosu mechanické energie na energii elektrickou uloženou v elektrickém či elektrochemickém rezervoáru (kondenzátor, baterie/superkondenzátor). Dále se bude práce zabývat návrhem a vývojem vhodných metod pro testování a vyhodnocování parametrů u těchto energy harvesterů.

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


Struktura předmětů s uvedením ECTS kreditů (studijní plán)

1. ročník, zimní semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Sem.Pov.Uk.Sk.Ot.
DET1Elektrotechnické materiály, materiálové soustavy a výrobní procesycs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DEE1Matematické modelování v elektroenergeticecs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DME1Mikroelektronické systémycs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DRE1Návrh moderních elektronických obvodůcs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DTK1Optimalizační metody a teorie hromadné obsluhycs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DFY1Rozhraní a nanostrukturycs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DTE1Speciální měřicí metodycs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DMA1Statistika. stochastické procesy, operační výzkumcs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DAM1Vybrané kapitoly řídicí technikycs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DVE1Vybrané statě z výkonové elektroniky a elektrických pohonůcs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DBM1Vyšší metody zpracování a analýzy obrazůcs4zimníVolitelný oborovýdrzkano
DJA6Angličtina pro doktorandycs4zimníVolitelný všeobecnýdrzkano
DRIZŘešení inovačních zadánícs2zimníVolitelný všeobecnýdrzkano
DEIZVědecké publikování od A do Zcs2zimníVolitelný všeobecnýdrzkano
1. ročník, letní semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Sem.Pov.Uk.Sk.Ot.
DTK2Aplikovaná kryptografiecs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DMA2Diskrétní procesy v elektrotechnicecs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DME2Mikroelektronické technologiecs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DRE2Moderní digitální bezdrátová komunikacecs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DTE2Numerické úlohy s parciálními diferenciálními rovnicemics4letníVolitelný oborovýdrzkano
DFY2Spektroskopické metody pro nedestruktivní diagnostikucs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DET2Vybrané diagnostické metody, spolehlivost, jakostcs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DAM2Vybrané kapitoly měřicí technikycs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DBM2Vybrané problémy biomedicínského inženýrstvícs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DEE2Vybrané problémy z výroby elektrické energiecs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DVE2Vybrané statě z elektrických strojů a přístrojůcs4letníVolitelný oborovýdrzkano
DJA6Angličtina pro doktorandycs4letníVolitelný všeobecnýdrzkano
DCVPCitování ve vědecké praxics2letníVolitelný všeobecnýdrzkano
DRIZŘešení inovačních zadánícs2letníVolitelný všeobecnýdrzkano
1. ročník, celoroční semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Sem.Pov.Uk.Sk.Ot.
DQJAZkouška z angličtiny před státní doktorskou zkouškucs4celoročníPovinnýdrzkano