Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Charakterizace materiálů z hlediska jejich optických, magnetických a mechanických vlastností a jejich interakce se zářením

SP2019/26

Životský Ondřej prof. Ing., Ph.D.

01. 01. 2019 - 31. 12. 2019

Předmět výzkumu projektu pokrývá jednotlivá odborná zaměření Katedry fyziky a je rozdělen do čtyř základních směrů: První směr je založen na vývoji nových optických senzorů využívajících povrchové plazmonové a Blochovy vlny a na jejich teoretické i experimentální analýze. V rámci teoretického přístupu budeme studovat novou metodu měření malých změn indexu lomu analytu pomocí fázového posuvu indukovaného povrchovou plazmonovou rezonancí (SPR). Půjde tedy o analýzu velmi citlivého refraktometru pracujícího na principu interference ve spektrální oblasti a detekující malé fázové změny SPR jevu v Kretschmannově uspořádání. Pro teoretickou analýzu je nezbytná znalost dielektrické funkce zlata SPR struktury (sklo SF10, vrstva Cr a vrstva Au), která bude určovaná novou metodou a která taktéž využívá fázového posuvu indukovaného SPR jevem pro vzduch. Funkčnost této metody bude experimentálně ověřena pro vhodné analyty. Navíc znalost dielektrické funkce zlata SPR struktury bude využita při přesném měření disperze indexu lomu kapalného analytu. V rámci dalšího teoretického přístupu budeme studovat nový optický senzor využívající povrchové Blochovy vlny. Pro teoretickou analýzu je nezbytná znalost odezvové funkce fotonického krystalu reprezentovaného strukturou mnoha dielektrických vrstev. Na základě modelu této odezvové funkce bude navržena metoda (intenzitní nebo fázová), která bude využívat Kretschmannova uspořádání a s níž bude optický senzor pracovat. Funkčnost této metody bude experimentálně ověřena pro vhodné analyty (voda, etanol, různé roztoky etanolu ve vodě). Druhý směr je věnován magnetickým a magnetooptickým vlastnostem vybraných materiálů s aplikacemi zejména v senzorice a paměťových médiích. Výzkum bude orientován na experimentální studium magnetických vlastností materiálů se zajímavým aplikačním potenciálem. Jedná se zejména o granátové vrstvy (YSmLuCa)_3(FeGe)_5O_12 na podložkách Gd_3Ga_5O_12 využívané v paměťových médiích nebo Heuslerovy slitiny typu X2YZ (X = Fe, Co; Y = Mn, Fe, Co, Ni; Z = Al, Si) s využitím v senzorice či spintronice. K charakterizaci materiálů budou použity povrchově citlivé magnetooptické metody - intenzitní diferenciální magnetooptická metoda umožňující měření povrchových hysterezních smyček na vlnových délkách 400 nm a 670 nm a dále spektrální metoda měřicí magnetooptické úhly v nasycení ve spektrálním rozsahu 200 nm – 1550 nm. Z dalších povrchově citlivých metod se zaměříme na mikroskopii atomárních a magnetických sil (AFM/MFM) a magnetooptickou Kerrovu mikroskopii sloužící k pozorování magnetických domén na površích materiálů. Objemové magnetické vlastnosti budou studovány vibračním magnetometrem VSM EV9 a budou stanoveny základní magnetické parametry materiálu jako koercitivní síla, zbytková magnetizace a magnetizace v nasycení, permeabilita a susceptibilita, Curieova teplota, Henkelovy grafy ukazující mírou interakcí materiálu, teplotní závislosti, a další. Z dalších plánovaných vzorků budou zkoumány NdFeB permanentní magnety dopované kovy vzácných zemin, amorfní a nanokrystalické pásky na bázi Fe a Co případně práškové materiály na bázi CeO_2 sloužící jako magnetické sorbenty k odstraňování nebezpečných látek z vody a půdy. Třetí směr je zaměřen na speciální aplikace abrazivního vodního paprsku (AWJ). Předmětem výzkumu je teoretické a experimentální stanovení hlavních fyzikálních faktorů ovlivňujících efektivnost a kvalitu netradičních aplikací abrazivního vodního paprsku (AWJ). Těmito netradičními aplikace jsou zejména soustružení a frézování. V teoretické části bude doplněn model porušování materiálů AWJ. Při experimentech budou ověřeny teoretické vztahy na vhodných materiálech, zejména ocelích, duralech a slitinách mědi, ale budou také testovány technologické postupy na sklech, horninách a dalších těžko obrobitelných materiálech. Z důvodu získání prokazatelných výsledků modelu budou použita také různá abraziva. Pro stanovení účinnosti budou využity zejména dříve vyvinuté metody měření dvou významných charakteristik - deklinačního a inklinačního úhlu. Budou měřeny také kmity způsobené na řezné hlavici při směšovacím procesu, silové projevy při obrábění a měření drsnosti a vlnitosti povrchu optickou metodou. Součástí řešení bude na základě fyzikálních rozborů stanovit optimální technologické postupy soustružení a frézování pomocí AWJ. Výsledky budou porovnány se současnými teoretickými modely a předběžnými výpočty na bázi vlastních i převzatých modelů. Řešena bude také problematika modelu proudění vody o tlaku 380 MPa v abrazivní řezné hlavici. Čtvrtým směrem výzkumu projektu je rozvoj aplikované jaderné fyziky. Teoretická část bude zaměřena na studium vzniku deformace atomových jader a struktury sudo-sudých a lichých středně těžkých a těžkých atomových jader pomocí algebraického kolektivního modelu, modelu kvazičástice-fonon a mikroskopického přístupu se Skyrme interakcí. Experimentální část bude zaměřena na modelování odezvy spektrometrů gama záření pomocí simulačních výpočetních programů jako MCNP a GEANT s využitím pro spektrometrická měření v radiačním poli neutronového generátoru a pro měření radioaktivity v životním prostředí.

Ing. Josef Cigánek, Ph.D.
Ing. Andrii Titov
Ing. Ondřej Harkut
Ing. Roman Kaňok
Mojgan Abolghasem
Ing. Dmitry Markov
Ing. Martin Tyč
Ing. Adam Štefek
Bc. Tereza Tkáčová
Ing. Jakub Chylek
Ing. Michal Gryga, Ph.D.
prof. RNDr. Petr Hlubina, CSc.
Mgr. Radim Uhlář, Ph.D.
prof. Ing. Ondřej Životský, Ph.D.

Hlavním cílem projektu je zapojení celkem jedenácti studentů oborů Aplikovaná fyzika a Nanotechnologie do výše zmíněné výzkumné problematiky. Plánované výstupy jsou následující:


Optické senzory (Ing. Michal Gryga, Bc. Jakub Chylek, Bc. Roman Kaňok):

1. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na analýzu a realizaci nového optického senzoru využívajícího povrchové Blochovy vlny.
2. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na analýzu a realizaci nové metody měření malých změn indexu lomu kapalných analytů, popř. disperze analytů.
3. Prezentace výsledků zaměřených na analýzu a realizaci nových optických senzorů využívajících povrchové plazmonové a Blochovy vlny v rámci mezinárodní SPIE konference: Optics and Optoelectronics 2019, Prague, popř. další konference.


Magnetismus materiálů (doc. Ing. Ondřej Životský, Ph.D., Ing. Dmitry Markov, Ing. Andrii Titov, Bc. Tereza Tkáčová):

1. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na pozorování magnetických domén metodou MFM v transparentních granátových vrstvách.
2. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na magnetooptické jevy v Heuslerových slitinách Co2FeSi, Co2FeAl a Co2FeSi0.5Al0.5.
3. Prezentace výsledků v rámci mezinárodní konference JEMS 2019 v Uppsale příp. na dalších konferencích.


Speciální aplikace abrazivního vodního paprsku (Bc. Adam Štefek, Bc. Martin Tyč, Ing. Josef Cigánek, Ph.D.)

1. Publikace v zahraničním recenzovaném časopise (např. European Journal of Industrial Engineering, International Journal of Abrasive Technology, International Journal of Machining and Machinability of Materials).
2. Publikace v časopise s impakt faktorem (např. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Precision Engineering, Wear, International Journal of Machine Tools and Manufacture).
3. Publikace v rámci mezinárodní konference, v alespoň recenzovaném časopise zařazeném do databází Scopus a/nebo WoS.


Aplikovaná jaderná fyzika (Mgr. Radim Uhlář, Ph.D., Mojgan Abolghasem, Ing. Ondřej Harkut):

1. 3 publikace v časopisech s impakt faktorem zaměřené na výše zmíněné teoretické výpočty a experimentální výsledky.
2. aktivní účast na mezinárodních konferencích (např. XXVI nuclear physics workshop, Kazimierz Dolny, Polsko; ENVIRA 2019 v Praze; a podobně).

Všechny výsledky projektu budou průběžně prezentovány na odborných seminářích Katedry fyziky a budou součástí diplomových a dizertačních prací studentů zapojených do projektu.


Zdůvodnění finančních prostředků:

Stipendia (celkem 260 494 Kč) - Stipendia studentů pracujících na projektu.

Materiálové náklady (celkem 109 tis. Kč) - Materiál pro mechanické a optické prvky, materiál pro tisk posterů, etalony, chemikálie, materiál a nástroje k výrobě experimentálních prvků a realizaci experimentů, nákup literatury, kancelářské potřeby, tonery.

Drobný hmotný a nehmotný majetek (celkem 167 tis. Kč) – Polarizátory, rotační a posuvné prvky, čtvrt-vlnové destičky, notebook, upgrade softwarového vybavení, řídící jednotka posuvu osy CNC stolu.

Služby (celkem 209 tis. Kč) - Vložné na výše zmíněné konference, publikační poplatky, služba osobní dozimetrie, servis vzduchotechniky, školení v rámci mikroskopie atomárních a magnetických sil, kalibrace vah a detektoru.

Cestovní náhrady (celkem 118 000 Kč) - Cestovné na výše zmíněné konference, konzultace se spolupracujícími pracovišti (Brno, Praha, Katovice, Kielce, Milán, a podobně).

Doplňkové (režijní) náklady (celkem 108 054 Kč)

Investice (celkem 109 000 Kč) – Nákup digitální částicové kamery MX-10 Jablotron do studentských laboratoří.

Celkem: 1 080 548 Kč