Ústav fyziky a měřicí techniky

Garantující pracoviště:	Ústav fyziky a měřicí techniky
Studijní program/specializace:	Měření a zpracování signálů v chemii ( výuka v českém jazyce )
Školitel:	prof. Dr. Ing. Martin Vrňata

Anotace

Provoz lithiových baterií (Lithium-ion batteries – LIB) je v obecné rovině vždy spojený s rizikem vzniku řetězce událostí, které se označují jako tzv. "thermal runaway of batteries". Ve zjednodušené podobě může dojít k tomu, že zkrat uvnitř baterie způsobí lokální přehřátí, čímž dojde k porušení elektrické izolace, dalšímu nárůstu teploty a vývoji výbušných nebo toxických plynů, jejich úniku do okolí spojeného s nebezpečím požáru nebo exploze. Ukazuje se všek, že pokud se zaměříme na detekci nízkých koncentrací uvolňovaných plynů, získáme spolehlivý a používaný indikátor poškození baterie, který lze využít pro systémy včasného varování. Plyny, které se uvolňují při havarijních stavech z LIB, byly identifikovány jako CO2, CO, H2 a CH4. V rámci řešení disertační práce bude student navozovat podmínky, které nastávají při poškození LIB, a zaměří se na vývoj senzorů (především chemirezistorů), umožňujících detekovat výše zmíněné plynné markanty.

Garantující pracoviště:	Ústav fyziky a měřicí techniky
Studijní program/specializace:	Měření a zpracování signálů v chemii ( výuka v českém jazyce )
Školitel:	Ing. Bc. Michal Novotný, Ph.D.

Anotace

Tématem práce je výzkum a vývoj nových typů chemických senzorů plynů – multivariabilních samostatných senzorů využívajících fotoluminiscenci kombinovanou současně s přístupy měření elektrické vodivosti nebo pomocí křemenných krystalových mikrovah (QCM). Snímání s více proměnnými umožní zlepšit selektivitu senzorů, detekční limit a snížit drift vedoucí ke zvýšení jejich celkové přesnosti. Jako luminiscenční citlivé vrstvy mohou být využity anorganické materiály na bázi nanostrukturovaných oxidů kovů dopovaných lanthanoidy (např. SnO₂, TiO₂, ZnO a WO₃) a také organické materiály, např. deriváty porfyrinu. Dopanty vzácných zemin mají vysokou luminiscenční výtěžnost a dlouhou dobu života, což usnadňuje optickou detekci, zejména detekci založenou na době doznívání luminiscence. V přístupu snímání pomocí QCM je výhodné využít vrstvy černých kovů (BM), např. Au, Al, Ag, Pd, Ti, …, které vykazují díky vysoké pórovitosti BM extrémně velkou plochu povrchu, která je mnohem větší než je jeho geometrická plocha. Vrstvy BM zajišťují nižší detekční limit a zvýšení selektivity QCM senzoru při zachování vysoké hodnoty faktoru kvality. QCM těží ze své robustní povahy, dostupnosti a cenově dostupné elektroniky rozhraní. BM je možné využít i v chemirezistorech, kde se nabízí možnost dekorace jejich povrchu pomocí uvedených luminiscenčních vrstev a dalších materiálů (např. 2D nanomateriály). Tenkovrstvé struktury budou připravovány PVD technikami (napařování, magnetronové naprašování, pulzní laserová depozice). Pro modifikaci vlastností struktur bude též zkoumána interakce s intenzivním laserovým zářením. Pro vyhodnocování senzorové odezvy je přínosné využití AI technologií. Funkční vlastnosti senzorů budou optimalizovány na základě charakterizace tenkých vrstev zahrnující optické, strukturní, elektronové strukturní a senzorové vlastnosti. Výsledky budou důležité pro vývoj účinnějších zařízení pro senzory chemických plynů. Zařízení založená na vyvinutých senzorech by mohla poskytnout rychlou a spolehlivou detekci stopových množství chemikálií a výbušnin, což je vysokou prioritou pro bezpečnost, obranu, ochranu kritické infrastruktury, monitorování průmyslových procesů a životního prostředí. Práce bude realizována ve spolupráci s Fyzikálním ústavem AVČR, v.v.i., s možností zapojení do projektu excelentního výzkumu programu OPJAK „Senzory a detektory pro informační společnost budoucnosti“, projektů podporovaných GAČR a TAČR a mezinárodní spolupráce.

Garantující pracoviště:	Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. Ústav fyziky a měřicí techniky
Studijní program/specializace:	Měření a zpracování signálů v chemii ( výuka v českém jazyce )
Školitel:	RNDr. Pavel Galář, Ph.D.

Anotace

Nanomateriály se staly neoddiskutovatelnou součástí technologického rozvoje 21. století. Modifikace mechanických, chemických nebo fyzikálních vlastností materiálů vyplývající ze zmenšování jejich velikosti je natolik výrazná, že může hrát zásadní roli ve využitelnosti daných materiálů. Nanomateriálem s vysokým aplikačním potenciálem jsou křemíkové nanostruktury. Ty se vyznačují vysokou schopností vázat atomy lithia, odolností na mechanickému pnutí a vysokou efektivitou generování a přeměny světelné energie. Extrémně malá velikost těchto nanomateriáů (v řádu několika nanometrů) je na jednu stranu užitečná jako mechanismus ladění vlastností. Na druhou stranu to však ztěžuje jejich strukturní charakterizaci. Teoreticky může nanočástice existovat ve velkém počtu strukturních variací s různými povrchovými fazetami, nebo může být dokonce částečně nebo zcela amorfní bez přítomnosti dalekodosahového uspořádání. Struktura nanočástic budou nevyhnutelně ovlivňovat nejen fyzikální, ale možná i jejich chemické vlastnosti. V praxi lze ke studiu struktury materiálů použít hned několik metod, například rentgenovou difrakci (XRD), Ramanovu spektroskopii nebo elektronovou mikroskopii (TEM). Aplikovatelnost těchto metod je na takto malé objekty však značně omezená z důvodů velkého povrchu a absence dalekodosahového uspořádání. Zejména u křemíkových nanočástic se ukázalo, že i tak dobře zavedené metody, jako je XRD a TEM, vedou k protichůdným výsledkům, což vyvolává zásadní otázky o skutečném strukturním uspořádání v tak malých objektech. Cílem této práce tedy bude syntéza a následná charakterizace křemíkových nanostruktur o různé velikosti a vnitřní struktuře. Syntéza nanočástic bude probíhat převážně pomocí technnologie využívající netermálního plasmatu. Po syntéze budou nanostruktury strukturně charakterizovány a charakterizační metody budou posouzeny s ohledem na snadnost jejich aplikace, přesnost a možná omezení. Tímto způsobem budou vyráběny nanočástice o požadované vnitřní struktuře a jejich charakterizací budou zodpovězeny otázky nejen o jejich reálné struktuře, ale i rozsah strukturních variant, kterých lze danou syntetizační metodou dosáhnout.

Garantující pracoviště:	Ústav fyziky a měřicí techniky
Studijní program/specializace:	Měření a zpracování signálů v chemii ( výuka v českém jazyce )
Školitel:	Ing. Přemysl Fitl, Ph.D.

Anotace

Tématem práce je teoretické i praktické studium mechanismů přenosu náboje v nano-strukturovaných a nano-kompozitních materiálech připravených ve formě tenkých vrstev, povlaků, aerogelů. Cílem práce je návrh modelů popisující přenos náboje v reálných materiálech používaných pro chemické senzory. Vlastnosti nanostrukturovaných vzorků budou v závislosti na teplotě a intenzitě magnetického pole měřeny v systému Quantum Design - PPMS. Práce předpokládá (i) modelování a simulaci transportu nosičů náboje pomocí metody konečných prvků, (ii) návrh a realizaci software pro řízení, sběr a zpracování dat ze systému PPMS (iii) hledání analytického modelu popisujícího reálné (naměřené) vlastnosti vzorků v závislosti na jejich nanostruktuře.

Garantující pracoviště:	Ústav fyziky a měřicí techniky
Studijní program/specializace:	Molekulární chemická fyzika a senzorika ( výuka v českém jazyce )
Školitel:	Ing. Přemysl Fitl, Ph.D.

Anotace

Významný rozvoj technologií přípravy nanomateriálů v posledních dvou dekádách umožnil přípravu celé řady senzoricky aktivních materiálů s unikátní strukturou a vlastnostmi. Poměrně jednoduchou technikou superkritického sušení je dnes z materiálů používaných pro chemické senzory možno připravovat aktivní vrstvy ve formě aerogelů. Z hlediska chemické senzoriky vykazují takto nanostrukturované materiály v mnoha směrech unikátní vlastnosti (vysoká citlivost a selektivita, velký aktivní povrch). Cílem práce bude návrh a realizace senzorů na bázi aerogelů tvořených anorganickými oxidy a jejich případnou chemickou (selektivní organické receptory, modifikátory povrchového napětí) a fyzikální modifikací (laserové žíhání, zabudování katalyticky aktivních nanočástic). Pro vyhodnocováni senzorické odezvy se bude využívat impedanční spektroskopie a UV-VIS-NIR spektrometrie.

Garantující pracoviště:	Ústav fyziky a měřicí techniky
Studijní program/specializace:	Měření a zpracování signálů v chemii ( výuka v českém jazyce )
Školitel:	prof. Dr. Ing. Martin Vrňata

Anotace

Jednou z možností jak zlepšit selektivitu a detekční vlastnosti moderních chemických senzorů je využití algoritmů umělé inteligence. Tématem práce je na základě rešerše a vlastních nápadů navrhnout, připravit a testovat nové přístupy pro zpracování a těžení dat z multi komponentních zdrojů jako je například GC/IMS spektrometr, senzory a senzorová pole s odezvou ve vizuálním, infračerveném a radiofrekvenčním poli elektromagnetického spektra. Při řešení práce se předpokládá využití hardwarové akcelerace zpracování dat a softwarově definovaného radia.