Detail oboru

Fyzikální a materiálové inženýrství

FSIZkratka: D-FMIAk. rok: 2018/2019Zaměření: Fyzikální inženýrství

Program: Fyzikální a materiálové inženýrství

Délka studia: 4 roky

Akreditace od: 1.1.1999Akreditace do: 31.12.2020

Profil

Cílem studia je poskytnout studentům vzdělání a umožnit jim vědecký výzkum v oblastech inženýrská optika, fyzika povrchů, mikromechanika materiálů, strojírenské materiály, fyzikální metalurgie a aplikovaný výzkum keramiky.

Garant

Vypsaná témata doktorského studijního programu

  1. Aplikace Kelvinovy silové mikroskopie na dvourozměrných nanostrukturách

    Pomocí Kelvinovy silové mikroskopie (KPFM) lze získat lokální informaci o elektrických vlastnostech (např. povrchovém potenciálu, výstupní práci) dvourozměrných nanostruktur. Tyto informace mohou být využity pro porozumění fyzikálním principům, návrhu a zvyšování citlivosti/účinnosti solárních článků a senzorů postavených na zmíněných 2D nanostrukturách. V rámci disertační práce bude Kelvinova silová mikroskopie využita například ke studiu p-n přechodů v solárních článcích a pozorování přesunů náboje v senzorech na bázi grafenu.

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

  2. Aplikace KPFM v senzorech a solárních článcích na bázi grafenu

    Kelvinova sondová mikroskopie (KPFM) je vynikající nástroj umožňující mapovat rozložení povrchového potenciálu lokálně až s nanometrovým rozlišením. Toho se dá s výhodou využít při studiu rozložení náboje na senzorech nanometrových rozměrů a při studiu p-n rozhraní solárních článků během jejich činnosti. Tato nová informace vedle obvykle studované proudové odezvy senzorů a napěťové odezvy solárních článků umožňuje lépe pochopit probíhající fyzikální procesy a využit této znalosti k odstraňování nedostatků stávajících zařízení a případně k návrhu zařízení s vyšší účinností. V práci bude nutné zvládnout obecné fyzikální principy KPFM, senzorů a solárních článků. Vhodným adeptem je absolvent magisterského studia z oblasti fyziky, elektrotechniky nebo chemie. Cíle: 1) Zvládnutí fyzikálních principů a měření senzorů a solárních článků na bázi grafenu. 2) Osvojení teoretické a praktické stránky KPFM. 3) Mapování rozložení náboje v blízkosti grafenového senzoru a návrh funkčně dokonalejších senzorů. 4) Mapování rozložení potenciálu na rozhraní grafenového-polovodičového solárního článku a návrh článku s vyšší účinností. 5) Adekvátní publikační výstupy a prezentace výsledků na mezinárodnhíc konferencích.

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

  3. Automatizace měření v sestavě pro spektrometrii laserem buzeného plazmatu (LIBS)

    Technika LIBS využívá intenzivní záření vytvořené fokusováním laserového svazku z pulzního laseru na generaci svítící mikroplazmy (z pevných, kapalných nebo plynných vzorků) v ohniskové vzdálenosti fokusující čočky. Složení plazmy odpovídá složení analyzovaného materiálu. Detekční limity metody se pohybují od desítek ppm. Snížení detekčních limitů může být dosaženo, pokud jsou atomy vybraných prvků v již vytvořené plasmě excitovány druhým laserem (metoda DP LIBS). Jako příklad z oblastí aplikací LIBS bychom mohli uvést kontrolu kvality materiálů a svarů v případě kovových konstrukcí nebo oblast monitorování životního prostředí. LIBS aparaturu lze vybudovat jako mobilní a přizpůsobit daným aplikacím. Cílem disertační práce je automatizace měření v LIBS a DP LIBS aparatuře vytvořením softwaru pro počítačové řízení. Předpokládá se využití stávajících řídících programů jednotlivých přístrojů a vytvoření vlastního počítačového kódu pro automatické 2D a kvazi 3D mapování chemického složení vybraných vzorků. Funkce automatizovaných LIBS a DP LIBS aparatur bude prověřeno na vybraných vzorcích.

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

  4. Biofyzikální interpretace kvantitativního fázového zobrazení s využitím koherencí řízené holografické mikroskopie a strojového učení

    Práce se bude zabývat interpretací kvantitativního fázového zobrazení pomocí techniky koherencí řízené holografické mikroskopie. Budou zkoumány možnosti automatizované interpretace kvantitativních fázových obrazů pomocí strojového učení s učitelem a bez učitele. Kvantitativní fázové obrazy umožňují extrakci parametrů charakterizujících distribuci suché hmoty v buňce a poskytují tak cennou informaci o buněčném chování. Cílem této práce je zdokonalit stávající metodologii pro automatizovanou klasifikaci buněk při využití této kvantitativní informace jak ze statických, tak z časosběrných kvantitativních fázových obrazů. Navržené metody budou testovány na obrazech živých buněk pro odhad využití v biologii rakovinných buněk.

    Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.

  5. Biosenzory na bázi grafenu a příbuzných 2D materiálů

    Klasické biochemické testy in vitro jsou v současnosti nahrazovány bioelektronickými senzory, které vynikají svou rychlostí, znovupoužitelností a minimálními rozměry. Jedním z nejslibnějších materiálů v této oblasti je grafen, který se vyznačuje vysokou citlivosti na přítomnost adsorbovaných molekul a zároveň je biokompatibilní. Předmětem doktorské práce bude vývoj a výroba biosenzorů na bázi grafenu a příbuzných dvourozměrných materiálů. V práci bude nutné zvládnout obecné fyzikální principy senzorů, problematiku 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 výstupy a prezentace výsledků na mezinárodních konferencích.

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

  6. Časově proměnná pole v optických vláknech

    Vláknová optika zažívá v současné době nebývalý rozvoj v oblasti experimentální i teoretické. Nedávno bylo například demonstrováno přenášení obrazu multimódovými vlákny odolné vůči deformacím vlákna či manipulace mikroskopickými objekty pomocí světla přenášeného vláknem. Vyvíjejí se rovněž nové typy vláken s komplexními vnitřními strukturami. Velmi perspektivní je využití optického vlákna jakožto prvku se specifickou časovou odezvou, které slibuje významné aplikace ve spektroskopii. Doktorand se během studia seznámí s metodami vláknové optiky, s měřením transformační matice, vytvářením požadovaných vstupních stavů pomocí prostorového modulátoru světla i s přenášením obrazu vláknem. Poté se zaměří na časovou odezvu vlákna, kterou bude analyzovat na základě měření frekvenční závislosti transformační matice. Na základě těchto výsledků se bude snažit vytvořit pulzy se specifickými vlastnostmi, které se ve vlákně chovají požadovaným způsobem, a s jejich pomocí pak vyvíjet nové spektroskopické metody s využitím optických vláken. Práce bude zahrnovat teoretickou i experimentální část. Velmi vítaná je znalost některého programovacího jazyka (Matlab, Mathematica, Labview apod.) vhodného pro výpočty i řízení experimentů. Práce bude probíhat na Ústavu přístrojové techniky AV ČR s možností plného úvazku za zajímavých podmínek. Doktorand bude zapojen do projektu „Holografická endoskopie pro in vivo aplikace“, zkráceně Gate2mu, který se v současné době na tomto ústavu řeší. Celý projekt Gate2mu bude sestávat z přibližně 15 lidí (doktorských studentů, postdoců a několika vedoucích výzkumných pracovníků).

    Školitel: Tyc Tomáš, prof. Mgr., Ph.D.

  7. Depozice tenkých vrstev metodou IBAD

    Naprašování tenkých vrstev za přítomnosti iontových svazků (IBAD): - depozice a měření parametrů izolačních ("high-K"), pasivačních, optických a bioaktivních vrstev/multivrstev rozprašováním keramik a syntetických minerálů (např. ZrO2, HfO2, Al2O3, hydroxylapatit, křemen).

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

  8. Difrakční kontrast ve STEMu a jeho užití pro určení optických vlastnosti elektronového mikroskopu

    Zobrazení vzorku ve skenovacím transmisním elektronovém mikroskopu (STEM), nebo v transmisním režimu skenovacího elektronového mikroskopu (TSEM) patří ke standardním mikroskopických technikám. Lze ho však také použít pro určení hodnot aberačních koeficientů, které je založeno na počítačovém zpracování obrazu amorfního vzorku. Znalost aberacnich koeficientu je zásadní pro seřízení korigovanych systémů. Standardní techniky využívají bud 2D pixelový detektor pod vzorkem pomocí něhož generují Ronchigramy (stínové obrazy). Analýzou jednoho, nebo malého počtu Ronchigramů lze určit aberační koeficienty. Pokud systém není vybaven 2D detektorem pod vzorkem lze aberacní koeficienty určit ze série difraktogramů - Fourierovy transformace obrazu různě nakloněné amorfniho vzorku. Práce se bude soustředit na vývoj a optimalizaci uvedených metod pro systém s 2D segmentovaným detektorem pod vzorkem. Práce bude zahrnovat návrh, simulaci a experimentální ověření metody.

    Školitel: Radlička Tomáš, Mgr., Ph.D.

  9. Experimentální studium rozptylu světla z povrchů pevných těles a z tenkých vrstev

    Experimentální studium úhlového rozdělení intenzity světla rozptýleného povrchy pevnýchtěles, jednoduchými tenkými vrstvami i multivrstvami metodou ARS (Angle-resolved scattering).

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

  10. Holografická mikroskopie využívající koherenční brány

    Holografická mikroskopie se jako významná metoda kvantitativního fázového zobrazování stala důležitou zobrazovací modalitou pro biomedicínské zobrazování bez použití markerů vhodnou zejména pro kvantitativní pozorování živé buňky a profilování její suché hmoty (Zangle a Teitell, Nature Methods, 2014). Uplatnění efektu koherenční brány vede k podstatnému zlepšení kvality zobrazení a rozlišovací schopnosti, a umožňuje rovněž zobrazování trojrozměrných objektů a objektů v opticky kalných prostředích. Práce bude zaměřena na výzkum efektu koherenční brány v holografické mikroskopii a jeho využití při kvantitativním fázovém zobrazování biologických objektů.

    Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.

  11. In situ charakterizace povrchů pomocí LEEM

    Výzkum nanostruktur GaN: - příprava nanostruktur (ultratenkých vrstev, nanokrystalů a nanovláken) GaN využitím atomárních/iontových svazků a dalších metod, - charakterizace složení a struktury GaN, - měření optických vlastností (fotoluminiscence) GaN nanostruktur.

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

  12. Interakce velmi pomalých elektronů s dvourozměrnými krystaly

    Práce se bude týkat problematiky interakce velmi pomalých elektronů s 2D krystaly, zejména s grafénem. Cílem bude objasnit souvislost způsobu přípravy grafénu s přítomností fluktuací odrazivosti velmi pomalých elektronů jak od grafénu na podložce, tak od grafénu samonosného. Činnost bude zahrnovat přípravu grafénu různými postupy a jeho mikroskopickou diagnostiku v ultravysokovakuovém rastrovacím elektronovém mikroskopu i v mikroskopu se standardním vakuem. Dále bude podrobně zkoumán efekt odstranění adsorbovaných vrstev dopadem pomalých elektronů a jeho vliv na propustnost resp. odrazivost grafénu. Kromě grafénu budou do práce zahrnuty i další 2D krystaly podle jejich dostupnosti. Předpokládá se publikace výsledků, především v zahraničí.

    Školitel: Frank Luděk, RNDr., DrSc.

  13. IR spektroskopie využitím plasmonických nano a mikrostruktur

    FT IR spektroskopie může být použita pro detekci adsorbovaných komplexních (bio)molekul na plasmonických nanostrukturách nových materiálů (např. grafen). Namísto klasických posuvů spekter lokalizovaných plasmonových polaritonů může být přítomnost molekul detekována v optickém spektru zesílením plasmonickými efekty. Pro zesílení lze zejména využít laditelnosti rezonančních vlastností nanostruktur.

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

  14. Komplexní automatizovaný bioreaktor pro holografickou mikroskopii

    Pro maximální využití informace o chování živých buněk získaných koherencí řízeným holografickým mikroskopem je nezbytné navrhnout a vyvinout komplexní automatizovatelný bioreaktor. Takové zařízení musí zajistit opticky vyhovujicí umístění živých buněk v mikroskopu se zajištěním kontroly fyziologického mikroprostředí a provedení naprogramovaných testů. Úkolem je návrh konstrukce a vývoj testovacího modelu k ověření funkčnosti.

    Školitel: Veselý Pavel, MUDr., CSc.

  15. Korelativní detekce signálů v rastrovací elektronové mikroskopii

    Cílem disertační práce je instrumentální a metodologický vývoj v oblasti zobrazování vzorků pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (REM) se zahrnutím korelace signálů z detektorů elektronů (sekundární, zpětně odražené) a fotonů (katodoluminiscence, X-ray). Součástí práce bude zavedení a využití kvantitativního zobrazování u vybraných signálů, které poskytne detailnější informace o studovaných vzorcích a zároveň umožní přesněji porovnat měřená data s teoretickými simulacemi. Korelace různých signálů spolu s kvantitativním zobrazováním rozšíří klasické snímání v REM a přidá hodnotu snímkům v podobě informací týkajících se fyzikálních a biofyzikálních vlastností studovaných vzorků. Zamýšlenými preparáty budou především biologické vzorky a jejich kombinace s nanočásticemi vykazující katodoluminiscenci, jež hrají důležitou roli v medicíně, farmakologii apod.

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

  16. Laserové zachycení a chlazení nanočástic

    Částice zachycená pomocí laseru ve ultra vysokém vakuu je velmi dobře izolovaná od okolního prostředí. Tento systém je tedy velmi slibný pro přípravu tohoto mechanického oscilátoru do základního kvantového stavu, a to za pokojové teploty. Za použití různých postupů se dosud podařilo zchladit (pohyb) mikroskopických částic až na teplotu několika milikelvinů. Hlavním cílem doktorandské disertační práce bude studium pohybu částic v harmonických i anharmonických potenciálech, laserovému chlazení nanočástic, interakcí mezí zchlazenými nanočásticemi a okolním prostředím. Předpokládá se, že doktorand bude realizovat experimenty, analyzovat a interpretovat výsledky. Ústav přístrojové techniky AV ČR zajistí veškeré materiální podmínky pro práci na období 4 let, disponuje téměř dvacetiletou historií v oblasti optických mikromanipulačních technik, spolupracuje s řadou světových laboratoří a v dané oblasti patří mezi světovou špičku. Aktivity budou finančně podporovány Centrem excelence pro klasické a kvantové interakce (GAČR 14-36681G) a Centrem pokročilých diagnostických metod a technologií – ALISI (MŠMT LO1212).

    Školitel: Zemánek Pavel, prof. RNDr., Ph.D.

  17. Metody detekce frekvence středů hyperjemných absorpčních čar kyanovodíku (HCN) pomocí přeladitelného laseru v rozsahu 1527 nm to 1563 nm

    Cílem výzkumu bude rozbor saturačně absorpční spektroskopie v molekulárním absorbéru – kyanovodíku (HCN) a následné sestavení experimentální aparatury. Aparatura bude sloužit jednak pro zavěšení optické frekvence úzkopásmového laseru na vybraný hyperjemný molekulární přechod HCN a jednak bude umožňovat i rychlou detekci středů prošlých středů hyperjemných přechodů při přelaďování laseru v širokém intervalu vlnových délek, tj. až od 1527 nm to 1563 nm. Jádrem práce tak bude vypracování metody detekce těchto středů při extrémních rychlostech ladění laseru (až 1000 GHz/s) a dále speciální metody měření hodnoty optické frekvence těchto středů čar při záznějovém měření laditelného laseru s optickým frekvenčním hřebenem pracujícím v infračervené oblasti. Výsledkem porovnání centrálních frekvencí molekulárních hyperjemných přechodů HCN bude přesné určení absolutních optických frekvencí s ohledem na měřicí aparaturu a realizované nové metody. Metody a vlastní postupy budou experimentálně otestovány v laboratořích Oddělení koherenční optiky v ÚPT AV ČR v Brně. Zejména se bude jednat o využití nového ultra nízkošumového optického frekvenčního hřebene pracujícího na vlnové délce 1550 nm, který dovolí porovnávání optické frekvence laditelného laseru aparatury s plynem HCN s rozlišením v řádu jednotek či desítek Hz.

    Školitel: Číp Ondřej, Ing., Ph.D.

  18. Mikroskopické zobrazování suché hmoty živých buněk a jeho využití v individuální léčbě nádorového nemocnění

    ●Využití koherencí řízené holografické mikroskopie a dalších metod pro zobrazování fáze při dynamickém měření rozložení suché hmoty živých nádorových buněk v tkáňové kultuře ● Kvantitativní vyhodnocení statistické signifikance změn reakcí buněk na chemoterapeutika pomocí dynamických morfometrických parametrů odvozených metodami počítačového zpracování obrazu Projekt bude zahrnovat vývoj mikroskopických metod, metod počítačového zpracování obrazu, analýzy dat a kultivace buněk.

    Školitel: Zicha Daniel, Ing., CSc.

  19. Moderní metody pro návrh a určení koeficientů vad elektronově optických systémů

    - maticová metoda výpočtu elektronově optických systémů - započtení vad seřízení a vad pátého řádu - implementace metody diferenciálních algeber pro výpočet koeficientů vad libovolného řádu

    Školitel: Lencová Bohumila, prof. RNDr., CSc.

  20. Multifotonová a nelineární Ramanovská mikroskopie přes multimódové vlákno

    Zobrazování tkáně v hloubce několika milimetrů s rozlišením porovnatelným se standardními mikroskopy vyžaduje nové typy endoskopů. Multimódová vlákna se dají s výhodou použít jako flexibilní endoskopy, ale je nutné překonat fázové posuvy mezi módy propagovanými vláknem, které poškozují obraz a to pomocí pokročilé adaptivní optiky. Naším cílem v tomto projektu je implementace multifotonové fluorescence a nelineární Ramanovské mikroskopie (SRS nebo CARS) na výstupu z multimódového vláknového endoskopu. Student bude nejdříve studovat frekvenční závislosti světla vedeného vláknem s grandientním profilem indexu lomu (experiment a teorie) s cílem umožnit propagaci femtosekundových pulzů. Jakmile budeme schopni propagovat femtosekundové pulzy vláknem, využijeme toho v multifotonovém zobrazení a prozkoumáme možnost nelineárního Ramanovského zobrazení. Zhodnotíme, která metoda (SRS, CARS) je vhodnější pro zobrazování multimódovým vláknem. Na konci projektu bychom rádi demonstrovali nelineární zobrazení ve tkáni bez použití kontrastní látky. Toto zobrazení má potenciál v diagnostice nádorů in situ bez nutnosti biopsie. Projekt je z velké většiny experimentálně zaměřen s malým podílem teoretického modelování (20%). Student se naučí základy modelování propagace světla optickými vlákny, adaptivní optiku, mikroskopii a zobrazování, programové řízení a techniky pro charakterizaci femtosekundových pulzů. Znalost optiky je pro projekt zásadní. Základní znalosti programovacího jazyka (Matlab, LabView nebo podobné programy) je výhodou. Projekt bude realizován na Ústavu přístrojové techniky Akademie věd České Republiky s možností plného úvazku. Doktorand bude členem projektu „Gate2mu: Holografická endoskopie pro in vivo aplikace“, který v současné době probíhá na ústavu. Celý tým projektu Gate2mu bude mít 15 členů (doktorandy, postdoky a několik seniorských vědeckých pracovníků).

    Školitel: Čižmár Tomáš, prof. Mgr., Ph.D.

  21. Multifotonová mikroskopie v individuální léčbě nádorového nemocnění

    Invazivita a metastazování nádorových buněk jsou hlavními příčinami mortality a morbidity pacientů a nádorovým onemocněním. Nejvýznamnější problémy jsou v přesnosti diagnózy a ve volbě nejefektivnější léčebné procedury. Lepší využití materiálu z biopsie je nadějným kandidátem na zlepšení. Tento projekt je zaměřen na vývoj nové procedury pro analýzu 3D buněčné motility v nádorových fragmentech z biopsie pacientů. Zobrazování bude založeno na dvoufotonové konfokální mikroskopii, která se vyznačuje zvýšenou schopností zobrazovat v hloubce nádorové tkáně. Motilita buněk ve fragmentech bude kvantifikována a bude vyhodnocena statistická významnost změn způsobených přítomností potenciálních chemoterapeutik, což bude indikovat jejich vhodnost pro léčbu relevantních pacientů.

    Školitel: Zicha Daniel, Ing., CSc.

  22. Nanofotonika – Využití lokalizovaných povrchových plasmonů

    Aplikace plazmonových polaritonů v nanofotonice: - příprava plazmonických nanostruktur (např. nanoantén) a výzkum jejich vlivu na lokální zesílení elmg. pole - aplikace plazmonických nanostruktur pro lokální vybuzení fotoluminesce nebo zvýšení účinnosti fotočlánků.

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

  23. Nelineární mikroskopie realizovaná multimódovým vláknovým endoskopem

    Zobrazování ve tkáni do hloubky několika milimetrů, při zachování submikronového rozlišení dostupného ve standardních světelných mikroskopech, vyžaduje nové typy endoskopů. Multimódová vlákna se osvědčila v roli flexibilních endoskopů, pro zachování obrazu je však třeba použít pokročilou adaptivní optiku. Cílem projektu bude realizovat multifotonovou fluorescenci a nelineární Ramanovu mikroskopii (SRS nebo CARS) pomocí multimódového vláknového endoskopu. Zpočátku bude student experimentálně i teoreticky zkoumat frekvenčně závislý přenos světla v gradientních vláknech s cílem přenést do zobrazovací oblasti femtosekundový pulz se specifickým průběhem vlny. To posléze využijeme pro multi-fotonové zobrazování a prozkoumání možnosti nelineárního Ramanova zobrazování. Rovněž zhodnotíme, která z metod SRS a CARS je vhodnější pro zobrazování pomocí multimodového vlákna. V závěru projektu bychom rádi demonstrovali nelineární zobrazování v tkáni bez označení barvivem. To má potenciální využití při diagnostice nádorů in situ bez provedení biopsie. Projekt bude zaměřen především experimentálně, s podílem teorie kolem 20% (převážně modelování). Student se naučí základnímu modelování šíření světla v optickém vlákně (pokročilé modelování se bude provádět v jiné části hlavního projektu), získá znalosti adaptivní optiky, mikroskopie a zobrazování, charakterizace femtosekundových pulsů i programování řízení experimentu. Pro projekt je klíčová dobrá znalost optiky. Užitečná bude i znalost některého vhodného programovacího jazyka (Matlab, LabView apod.). Práce bude probíhat na Ústavu přístrojové techniky Akademie věd České republiky s možností zaměstnání na plný úvazek. Doktorand bude zapojen do projektu „Holografická endoskopie pro in vivo aplikace“, zkráceně Gate2mu, který se v současné době na tomto ústavu řeší. Celý projekt Gate2mu bude sestávat z přibližně 15 lidí (doktorských studentů, postdoců a několika vedoucích výzkumných pracovníků).

    Školitel: Tyc Tomáš, prof. Mgr., Ph.D.

  24. Nové metody řízení pro holografickou mikroskopii

    Koherencí řízená holografická mikroskopie se zabývá pozorováním živých buněk in vitro. Dlouhodobá pozorování živých buněk nutně vyžadují automatizované řízení mikroskopu a experimentu. Prvým cílem práce je návrh nového optického uspořádání plně automatizovaného mikroskopu, jeho konstrukce a tvorba obslužného softwaru. Dalším cílem je návrh metod pro automatizaci biologických experimentů, jejich implementace do obslužného softwaru a testování při reálných experimentech.

    Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.

  25. Plazmonika – povrchové plazmonové polaritony

    Vlastnosti a aplikace povrchových plazmonových polaritonů v nanofotonice: - buzení a detekce plazmonových polaritonů na kovových tenkých vrstvách a nanostrukturách, - výzkum šíření plazmonových polaritonů na površích těchto objektů a jejich aplikace (např. v nanosenzorech).

    Školitel: Dub Petr, prof. RNDr., CSc.

  26. Plazmonika II – výzkum módů lokalizovaných povrchových plazmonů

    Výzkum vlastností módů lokalizovaných povrchových plasmonů: - buzení specifických módů lokalizovaných povrchových plazmonů v nanostrukturách, - metody detekce a mapování módů lokalizovaných povrchových plazmonů v nanostrukturách.

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

  27. Pokročilá aplikovaná mikroskopie s použitím endoskopu z multimódového optického vlákna

    Zobrazování tkání v hloubce několika milimetrů při zachování rozlišení srovnatelného se standardními optickými mikroskopy vyžaduje nové typy endoskopů. Slibnou technologií pro flexibilní endoskop jsou multimódová optická vlákna. Ta ovšem vyžadují adaptivní optické elementy k eliminaci fázových posunů mezi módy šířícími se v optickém vlákně, které způsobují ztrátu obrazové informace. V tomto projektu bude student pracovat na pokročilé mikroskopii skrz multimódová optická vlákna. Mezi možné směry výzkumu patří mimo jiné využití lineárního ramanovského rozptylu k zobrazování chemického kontrastu na konci optického vlákna bez označení vzorku, pokračování vývoje existujících metod pro light-sheet microscopy s použitím speciálních vláknových sond a možná kombinace této techniky s ramanovskou spektroskopií. Zobrazování chemického kontrastu má potenciál například při diagnóze zhoubných nádorů in situ bez provedení biopsie tkání či zobrazování rozložení lipidů v tkáňových buňkách, což je důležité pro studium metabolismu buněk a souvisejících projevů chorob. Student bude spolupracovat s vědci pracujícími se zobrazováním in vivo a předávat jim řešení pro požadované zobrazovací techniky, stejně jako s vědci vyvíjejícími různé zobrazovací techniky. Projekt je z větší části experimentální, pouze částečně (<20%) bude náplní práce teoretické modelování. Student se naučí základy modelování šíření světla v optickém vlákně, využití adaptivní optiky, mikroskopii a zobrazovací metody, programování laboratorních přístrojů. Znalost optiky je pro projekt klíčová. Znalost programovacích jazyků (Matlab, LabVIEW či podobných) je výhodou. Pracovním místem bude Ústav přístrojové techniky AV ČR, v.v.i. Doktorand bude součástí výzkumného projektu „Gate2mu: Holografická endoskopie pro aplikace in vivo“, který na tomto pracovišti probíhá. Celý projekt se bude skládat z přibližně 15 lidí (doktorandi, postdoci a několik vědeckých pracovníků).

    Školitel: Čižmár Tomáš, prof. Mgr., Ph.D.

  28. Pokročilé metody in-vivo mikroskopie

    Metody holografické endoskopie zažívají v poslední době nebývalý rozvoj, umožňují zobrazování hluboko v tkáni živých organismů se subcelulárním rozlišením. Práce se bude zabývat studiem uplatnění různých moderních mikroskopovacích metod za použití optických vláken. Tyto metody zahrnují například více fotonovou mikroskopii a techniky super rozlišení. Student v rámci doktorského studia vyvine numerický nástroj pro simulaci výše zmíněných technik, vyhodnocení jejich účinnosti a optimalizaci podmínek pro experimentální aplikace. Dále bude kandidát aktivně spolupracovat s technologickou, teoretickou a biomedicínskou sekcí výzkumné skupiny Complex Photinic na Ústavu přístrojové techniky v Brně a zapojí se do praktické implementace metod.

    Školitel: Čižmár Tomáš, prof. Mgr., Ph.D.

  29. Polarizační multiplexování v korelačním a holografickém zobrazení

    Korelační a holografické zobrazení umožňuje kvantitativní fázovou, nebo trojdimenzionální rekonstrukci obrazu z interferenčního pole. Tématem dizertační práce je testování korelačního a holografického zobrazení v nových optických sestavách, ve kterých je světlo místo prostorové separace do nezávislých optických cest děleno do ortogonálních polarizačních stavů. Očekává se, že takové sestavy mohou zlepšit stávající a přinést nové zobrazovací vlastnosti, které nejsou dostupné v současných experimentech. Vyžadované polarizační stavy světla, spolu s možností dodatečné prostorové modulace, budou vytvářeny pomocí elektrooptického jevu v kapalných krystalech, nebo geometricko-fázovými optickými prvky.

    Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.

  30. Příprava a analýza komplexních oxidových materiálů ve vakuu

    Oxidové materiály budou připraveny pomocí pulsní laserové depozice (PLD) ve vakuové aparatuře a in-situ analyzovány pomocí rastrovací sondové mikroskopie (STM/AFM), difrakce pomalých elektronů (LEED) a rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS). Cílem je nalézt nové katalytické materiály na bázi oxidů.

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

  31. Příprava nanostruktur z koloidních nanočástic a výzkum jejich optických a transportních vlastností

    - vývoj technik pro tvorbu uspořádaných souborů nanočástic z koloidních roztoků na různé substráty - výzkum optických (plasmonických) vlastností vytvořených nanostruktur - výzkum transportních vlastností vytvořených nanostruktur - vývoj aplikací (např. pro detekci biomolekul atd.)

    Školitel: Spousta Jiří, prof. RNDr., Ph.D.

  32. Příprava zařízení na bázi nanodrátů pro nanofotoniku a bioelektroniku

    Díky své geometrii jsou kvazi-jednorozměrné nanomateriály přirozenou volbou pro vytváření nanosoučástek např. v elektronice a fotonice. Není obtížné je elektricky kontaktovat a tak vytvářet i 3D obvody. Navíc jsou vhodné jako elektrody pro použití v nano- a mikro měřítku např. pro detekci komunikace buněk nebo elektrochemii. Náplní práce studenta bude kontaktování nanodrátů a tvorba nanozařízení cílících jak na měření vlastností nanodrátů (elektrické, optické) tak i pro cílové aplikace (fotonika, bioelektronika atd.).

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

  33. Rentgenová počítačová mikrotomografie

    K získání detailní trojrozměrné informaci o vnitřní struktuře objektu pomocí rentgenového záření se využívá rentgenová (počítačová) tomografie - CT. 3D informaci získáváme průchodem svazků záření objektem pod různými úhly a matematickým zpracováním získaných rovinných obrazců, tzv. tomografickou rekonstrukcí. Experimentálně se počítačová tomografie zrealizuje rotací zdroje a detektoru kolem zkoumaného objektu (většina lékařských aplikací), anebo při konstrukčně daném směru šíření záření (například v případě synchrotronů) rotací zkoumaného objektu. Rentgenová (mikro-)tomografie využívá rentgenového záření ke studiu (malých) objektů s vysokým rozlišením. Jako zdroj rentgenového záření lze s výhodou využít krátkovlnného záření synchrotronu. Cílem disertační práce je studium, vylepšení a aplikace postupů rentgenové mikrotomografie pomocí laboratorních přístrojů a dosažení parametrů získané rekonstrukce srovnatelné s pracovními stanicemi na synchrotronu.

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

  34. Rigorózní simulace šíření elektromagnetických vln v nehomogenním prostředí

    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.

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

  35. Rozptyl světla z drsných povrchů pevných těles a na něm založená analýza topografie těchto povrchů

    Obsahem práce je: - analýza topografie drsných povrchů pevných těles pomocí rozptylu světla z těchto povrchů, která je založena podle druhu studovaných vzorků na Beckmannově-Kirchhoffově, Rayleighově-Riceově resp. Harveyově-Shackově teorii rozptylu elektromagnetických vln, -hledání nových možností této analýzy.

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

  36. Selektivní růst nanostruktur

    Vývoj hybridních metod selektivního růstu nanostruktur na površích strukturovaných (“paternovaných”) substrátů: - paternování povrchů vzorků nanolitografickými metodami (FIB, SEM, SPM), - selektivní růst kovových nebo polovodičových (např. GaN) nanostruktur na těchto površích naprašováním v podmínkách ultravakua nebo depozicí z koloidních roztoků.

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

  37. Silná vazba v plazmonice

    Doktorské studium se zaměří na výzkum silné vazby mezi lokalizovanými povrchovými plazmony v anténách a excitacemi v jejich rezonančně absorbujících nekovových prostředích, následně pak využít tyto znalosti pro nalezení a aplikaci obecných principů lokalizované plazmově zesílené absorbce. Tento problém bude řešen pro široké elektromagnetické spektrum sahající od střední IR až do viditelné oblasti. Uvedený široký přístup je umožněn obecným průběhem indexu lomu při anomální disperzi, která nástává v oblasti absorbčních píků/pásů materiálů, nezávisle na fyzikálním mechanismu rezonanční absorbce. Navržené téma poskytuje příležitost překonat současnou úroveň znalostí a limitů týkajících se optimalizace lokalizované plazmově zesílené absorbce v režimu silné vazby v široké spektrální oblasti. 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, aj.

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

  38. Spintronika

    Výzkum vlivu magnetického pole na šíření povrchových plazmonových polaritonů. Využití tohoto jevu v oblasti sensorů a detektorů.

    Školitel: Spousta Jiří, prof. RNDr., Ph.D.

  39. Strategie umožňující korekci presbyopie u pacientů s pseudofakií

    V současnosti existuje řada řešení umožňujících korekci presbyopie, nicméně ideální by bylo obnovení akomodace napodobením vlastností mladé přírozené lidské čočky. Toho bohužel dosud nebylo dosaženo navzdory skutečnosti, že proběhlo již poměrně značné množství pokusů o vytvoření akomodační intraokulární čočky (IOL). Multifokální, především bifokální a v menší míře také trifokální, nitrooční čočky různého designu jsou nyní převládajícím řešením korekce katarakty a presbyopie. Tyto čočky umožňují simultánní vidění na dálku a na blízko. Vzhledem k některým nevýhodám spojeným s multifokální technologií byly vyvinuty alternativní přístupy, včetně pokusů o rozšíření hloubky pole (DoF) různými způsoby tak, aby bylo dosaženo dobrého vidění na dálku a střední vzdálenost (a také přijatelného vidění na blízko). Pro rozšíření DoF lze použít různé strategie, např. multifokální IOL s velmi nízkou adicí a / nebo IOL s kontrolovaným množstvím některých aberací. Hlavním cílem tohoto projektu je teoreticky a experimentálně prozkoumat dopad těchto strategií a / nebo jejich kombinací na DoF a kvalitu sítnicového obrazu.

    Školitel: Chmelík Radim, prof. RNDr., Ph.D.

  40. Transportní vlastnosti 2D materálů

    Práce se zaměří na studium transportních vlastností 2D materiálů (grafén, dichalkogenidy přechodových kovů,...) modifikovaných rozličnými vrstvami adśorbentů. Důraz bude dán na in situ-měření vlastností za dobře definovaných UHV podmínek a následně na jejich využití v sensorických a dalších aplikacích.

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

  41. Využití analytických spektroskopických metod pro chemickou analýzou

    Chemická analýza se dostává na vysokou úroveň při samotném použití jednotlivých analytických technik. Současným trendem se pak stává spojení více technik, nejlépe v rámci jednoho přístroje, a využití jejich výhod. Takovou synergií je spojení laserových spektroskopických metod, jmenovitě spektroskopie laserem buzeného plazmatu (laser-induced breakdown spectroscopy – LIBS) a Ramanovské spektroskopie. Tyto metody umožňují provést prvkovou, respektive molekulovou analýzu vzorku. Jejich předností je navíc možnost provést mapování povrchu vzorku s vysokým prostorovým rozlišením (počet měření na jednotku plochy). Spojení těchto metod je dále výhodné z pohledu možnosti sdíleného využití spektroskopického zařízení. V současnosti je však toto spojení stále spíše unikátní a implementace obou metod má tedy potenciál v chemické analýze s uplatněním bez ohledu na obor aplikace (geologie až biologie). Sestavená metodika bude sloužit jako nové paradigma v chemické analýze.

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

  42. Vývoj a aplikace mikroskopu SPM

    Vývoj prvků mikroskopu SPM a jeho aplikace v oblasti povrchů, tenkých vrstev a nanostruktur. Budou zkoumány možnosti zakomponování tohoto mikroskopu nebo jeho jednotlivých prvků do mikroskopu SEM nebo jiných mikroskopických technik.

    Školitel: Spousta Jiří, prof. RNDr., Ph.D.

  43. Vývoj nanomanipulátorů I

    Vývoj řídící jednotky pro ovládání piezokeramických nanomanipulátorů a aktuátorů. Tyto prvky budou využívány jako součást SPM nebo měřících či litografických stolků.

    Školitel: Spousta Jiří, prof. RNDr., Ph.D.

  44. Vývoj nanomanipulátorů II

    Vývoj řídící jednotky pro ovládání piezokeramických nanomanipulátorů a aktuátorů. Tyto prvky budou využívány jako součást SPM nebo měřících či litografických stolků.

    Školitel: Spousta Jiří, prof. RNDr., Ph.D.

  45. Výzkum integrálních a lokálních fotoluminiscenčních vlastností nanostruktur

    - vybudování aparatury pro měření lokálních a integrálních fotoluminiscenčních vlastností nanostruktur - výzkum fotoluminiscenčních vlastností nanostruktur (uspořádaných i neuspořádaných polovodičových/dielektrických struktur)

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

  46. Výzkum elektrických transportních vlastností molekulárních nanovláken

    - vypracování metod manipulace/tvorby nanovláken (např. C60) mezi segmenty nanoelektrod, - měření elektrických transportních vlastností nanovláken.

    Školitel: Dub Petr, prof. RNDr., CSc.

  47. Výzkum genetického a epigenetického determinismu buněčného chování s použitím kvantitativního zobrazování fáze

    ● Kvantitativní analýza změn chování buněk v tkáňové kultuře jako důsledek výměny genetického materiálu pomocí mikroinjekce DNA skleněnou kapilárou Kvantitativní vyhodnocení statistické signifikance změn chování buněk, jako např. rychlosti buněčné motility, bude založeno na využití koherencí řízené holografické mikroskopie a dalších metod pro zobrazování fáze. Dynamické morfometrické parametry budou vyhodnoceny pomocí metod počítačového zpracování obrazu. Projekt bude zahrnovat mikroskopické metody, kultivaci buněk v tkáňové kultuře, kapilární mikroinjekci, metody počítačového zpracování obrazu a analýzy dat.

    Školitel: Zicha Daniel, Ing., CSc.

  48. Výzkum ultratenkých magnetických vrstev a nanostruktur

    - aplikace nově vyvinuté ultravakuové aparatury, vybavené zařízením pro molekulární svazkovou epitaxi (MBE) a difrakci odražených elektronů o vysokých energiích (RHEED), pro přípravu magnetických ultratenkých vrstev a nanostruktur - aplikace FIB, EBL a dalších metod pro přípravu magnetických ultratenkých vrstev a nanostruktur - výzkum magnetických vlastností ultratenkých vrstev a nanostruktur

    Školitel: Spousta Jiří, prof. RNDr., Ph.D.

  49. Zpracování spektroskopického signálu laserem buzeného plazmatu a jeho teoretický model

    Spektroskopie laserem buzeného plazmatu (laser-induced breakdown spectroscopy – LIBS) se prosazuje do běžné praxe a komplementárně doplňuje další metody analytické chemie. Prvková analýza vzorku využitím metody LIBS poskytuje velké množství dat v reálném čase. V současnosti je nejvíce limitující samotné zpracování především při analýze neznámých nebo heterogenních vzorků, pro něž neexistuje předem připravená metodika. Zásadním krokem ve zpracování dat představuje výběr a přesné kvalitativní určení spektrálních čar, tedy přiřazení informace o prvkovém složení. Dalším krokem této disertační práce pak bude sestavení teoretického popisu plazmatu (termodynamické vlastnosti) a jeho tomografický model. Tohoto bude následně využito při kvantitativní analýze analytů. Automatický algoritmus není komerčně dostupný a jeho vytvoření bude mít velký potenciál.

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


Struktura předmětů s uvedením ECTS kreditů (studijní plán)

Studijní plán oboru není zatím pro tento rok vygenerován.