Fyzika povrchů a plazmatu

Garantující pracoviště: Katedra fyziky povrchů a plazmatu
Oborový garant: doc. RNDr. Jan Wild, CSc.

Charakteristika studijního programu:
Fyzika povrchů a plazmatu je magisterský studijní program interdisciplinárního charakteru, který zahrnuje fundamentální poznatky o interakcích neutrálních a nabitých částic ve vakuu, plynu i kondenzované fázi a na rozhraních těchto prostředí. Program poskytuje odborné znalosti z fyziky povrchů a tenkých vrstev, zejména o atomárních a molekulárních nanostrukturách na površích pevných látek s významnou vazbou na fyzikálně–chemické a transportní děje s aplikacemi na poli katalyzátorů, senzorů nebo molekulární elektroniky. Program v oblasti fyziky laboratorního a kosmického plazmatu zasahuje do oborů plazmochemie, laserových směsí, horkého a fúzního plazmatu a některých partií astrofyziky. Během studia je možno si osvojit použití moderních diagnostických metod v materiálovém výzkumu, ve vakuových a plazmových technologiích a při analýze různých druhů kosmického plazmatu či řízené termonukleární fúze. Jednotlivé disciplíny přitom mohou být orientovány experimentálně, teoreticky nebo řešeny metodami počítačové fyziky.

Profil absolventa studijního programu a cíle studia:
Absolvent studijního programu Fyzika povrchů a plazmatu má široké znalosti fyzikálních základů oboru a prokazuje porozumění příslušnému matematickému aparátu včetně schopnosti ho aplikovat. Ovládá pokročilé diagnostické metody i vytváření počítačových modelů, což mu umožňuje porozumět jednak chování atomárních a molekulárních struktur na površích pevných látek a s ním spojeným významným problémům aplikačním, jednak fundamentálním procesům v ionizovaných prostředích charakteristickým pro rozličné obory od astrofyziky přes plazmochemii až po magnetohydrodynamiku. Absolvent je dále schopen samostatně formulovat hypotézy, vytvářet počítačové simulace a kriticky analyzovat výstupy. Své poznatky a závěry dokáže představit odborné i laické veřejnosti formou prezentací nebo psaných textů, a to i v cizím jazyce. Získané znalosti, dovednosti a tvůrčí schopnosti uplatňuje také v příbuzných oborech zaměřených jak na základní, tak aplikovaný výzkum na vysokých školách, v ústavech Akademie, ve vědeckých a technologických centrech (např. synchrotrony, ITER, ELI, ESA), ale i v průmyslové sféře a veřejné správě.

Doporučený průběh studia

Předpokladem úspěšného magisterského studia tohoto programu je získání základních znalostí na úrovni následujících předmětů:

Tyto předměty se obvykle zapisují ve třetím roce bakalářského studia programu Fyzika jako povinně volitelné. Pokud posluchač tyto nebo jim ekvivalentní předměty neabsolvoval, měl by si je ve vlastním zájmu zapsat jako volitelné v prvním roce navazujícího magisterského studia. Obsah uvedených předmětů je součástí společných požadavků státní závěrečné zkoušky.

1. rok magisterského studia

2. rok magisterského studia

Tematické bloky odpovídající okruhům otázek ke státní závěrečné zkoušce

Předpokládá se, že si studenti zapíší povinně volitelné předměty z alespoň tří tematických bloků, ze kterých budou později skládat státní závěrečnou zkoušku. V jednotlivých blocích jsou uvedené i rozšiřující volitelné předměty (psané kurzívou), jejichž absolvování není pro vykonání státní závěrečné zkoušky nezbytné.

Další doporučené volitelné předměty

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce:

– získání alespoň 120 kreditů,

– splnění všech povinných předmětů,

– splnění povinně volitelných předmětů v rozsahu alespoň 55 kreditů,

– odevzdání vypracované diplomové práce ve stanoveném termínu.

Předmět lze splnit jeho úspěšným absolvováním či uznáním z předchozího studia.

Požadavky k ústní části státní závěrečné zkoušky

Student dostane jednu otázku ze společného základu, tj. z tematických okruhů 1 až 3, a tři otázky z užšího volitelného zaměření, tj. z tematických okruhů 4 až 12 dle zvoleného zaměření.

A. Společný základ

1. Fyzika pevných látek
Krystalografie a struktura pevných látek (PL). Typy vazeb, struktura prvků a jednoduchých sloučenin, rtg difrakce. Kmity krystalové mříže, optické a akustické fonony, interakce s elektromagnetickým zářením. Sommerfeldův model kovu, elektronový plyn, hustota stavů, Fermiho energie. Elektronová struktura PL, pásová teorie, pohyb nosičů náboje v PL. Vlastní a příměsové polovodiče, P–N přechod, fotoelektrické vlastnosti polovodičů.

2. Fyzika ionizovaných prostředí
Základy kinetické teorie plynů. Pohyb nabitých částic v elektromagnetických polích. Popis plazmatu, základní pojmy a druhy plazmatu. Kinetický popis plazmatu. Transportní procesy v plazmatu. Spojitý popis plazmatu.

3. Základy fyziky plazmatu, povrchů a tenkých vrstev
Morfologie povrchů, krystalografická a elektronová struktura povrchů. Interakce záření a částic s povrchy pevných látek. Experimentální metody fyziky povrchů a tenkých vrstev — difrakční, fotoemisní a v blízkém poli. Výboje v plynech. Srážkové a elementární procesy v plazmatu. Diagnostika plazmatu.

B. Volitelná část dle zaměření:

Student si předem volí tři tematické okruhy.

4. Fyzika plazmatu
Kolektivní chování plazmatu. Transportní jevy v plazmatu. Pokročilé výboje v plynech. Plazmatické světelné zdroje. Magnetohydrodynamický popis plazmatu a jeho nestabilit. Podmínky fúze v horkém plazmatu, inerciální udržení. Udržení horkého plazmatu v magnetickém poli. Diagnostika horkého plazmatu. Reakční kinetika v plazmatu. Reakce iontů s molekulami a vliv molekulární excitace. Experimentální metody pro studium elementárních procesů v plazmatu. Elementární procesy v plazmatu — rekombinace, relaxační procesy, interakce s povrchy.

5. Procesy v plazmatu a jejich diagnostika
Základy kvantové elektroniky, inverze hladin, stimulovaná emise. Kvantové zesilovače a generátory v mikrovlnném pásmu. Druhy a vlastnosti laserů. Použití laserů, optické komunikace. Základní pojmy absorpční a emisní spektroskopie. Spektra atomů a molekul. Metody emisní a absorpční spektroskopie. Vyhodnocení parametrů plazmatu z naměřených spekter. Molekulová struktura a chemická vazba. Určování molekulární struktury. Chemické reakce, reakční kinetika a dynamika. Experimentální techniky fyzikální chemie.

6. Kosmická fyzika
Slunce, sluneční vítr, meziplanetární magnetické pole. Interakce slunečního větru s překážkami. Magnetosféra a ionosféra. Přepojování magnetických polí, geomagnetická aktivita. Disperzní relace vln v plazmatu. Polarizace vln v magnetizovaném plazmatu. Hvizdový mód v kosmickém plazmatu. Radiové emise v kosmickém plazmatu. Měření parametrů plazmatu a rozdělovacích funkcí elektronů, iontů. Metody určení hmotového spektra, detektory částic, detekce kosmického prachu. Měření elektrických a magnetických polí na družicích, potenciál družice. Pozemní měření pro studium procesů v ionosféře a magnetosféře, geomagnetické indexy.

7. Fyzika povrchů a tenkých vrstev
Elektronová struktura povrchů, povrchové stavy, ohyb pásů. Emise elektronů, výstupní práce. Interakce záření a částic s pevnou látkou (excitace, rozptyl). Jevy na rozhraní pevných látek. Mody a fáze růstu TV, základní procesy při depozici. Migrace adatomů, nukleace, vliv schodů na růst TV. Kinetické rovnice pro popis růstu TV. Amorfní, polykrystalické a epitaxní vrstvy. Vliv pnutí při heteroepitaxi — Stranski–Krastanov růst. Adsorpce molekul na povrchu, klasifikace a popis interakce povrchu s molekulami plynů, potenciálová teorie adsorpce. Kinetika a dynamika adsorpce a desorpce, adsorpční izotermy. Metody založené na interakci povrchu s molekulami plynů (MB, TPD/TPR, BET). Reakce na povrchu pevné látky, reakční mechanizmy, reakční kinetika a dynamika.

8. Struktura a morfologie povrchů a tenkých vrstev
Vakuové napařování. Naprašování vrstev. Metody měření depoziční rychlosti a tloušťky tenkých vrstev. Iontové leptání, litografie. Elektronové mikroskopie a kontrast v různých módech zobrazování. Mikroskopie s atomárním rozlišením. Elektronová struktura povrchu a spektroskopie tunelujících elektronů. Skenovací mikroskopie v blízkém poli (STM, AFM, SNOM). Struktura a popis ideálního povrchu. Geometrická struktura povrchu — relaxace, rekonstrukce, ideální a reálný povrch. Teorie difrakce (geometrická a kinematická). Elektronové difrakční metody.

9. Fyzikálně chemické vlastnosti povrchů a tenkých vrstev
Přehled elektronových spektroskopií, srovnání, experimentální požadavky, přístrojové vybavení (zdroje, analyzátory, detektory). Fotoelektronové spektroskopie. Spektroskopie Augerových elektronů. Spektroskopie charakteristických ztrát elektronů. Vibrační a rotační stavy molekul, teoretický popis a klasifikace. Spektroskopické metody založené na (ro-)vibračních excitacích — IR a Ramanova spektroskopie. Interakce iontů s povrchem pevné látky. Iontové metody zkoumání povrchů (LEIS, SIMS). Základní fyzikální principy a přehled metod operando (experimentální uspořádání, výhody a omezení, příklady aplikací). Operando spektroskopie. Operando mikroskopie. Aplikace operando metod v heterogenní katalýze.

10. Vakuová fyzika
Transportní jevy při nízkých tlacích. Reálné plyny, tenze par, vypařování a kondenzace. Interakce plynu s pevnou látkou na jejím povrchu a v objemu. Proudění plynu, režimy proudění, vakuová vodivost. Vakuový systém a jeho parametry, teorie čerpacího procesu. Fyzikální principy metod získávání nízkých tlaků. Fyzikální principy měření nízkých tlaků, totální a parciální tlak. Vakuové měřicí metody. Principy hmotnostních analyzátorů. Ionizační techniky, elektronová ionizace. Metody detekce iontů. Interpretace spekter, kvalitativní a kvantitativní analýza.

11. Automatizace experimentu a sběr dat
Analýza stejnosměrných a střídavých elektrických obvodů s lineárními prvky. Operační zesilovače, vlastnosti a základní aplikace. Základy analogového zpracování signálů, filtrace, potlačování šumu. Zdroje napětí a proudů. Sběr dat a řízení fyzikálních experimentů, převodníky fyzikálních veličin. Techniky a problémy převodu A-D a D-A. Číslicové zpracování signálů, aplikace mikroprocesorů. Základy regulace, dynamické vlastnosti regulačního obvodu, regulátory PI, PID. Obvody při velmi vysokých frekvencích, skin efekt a vnitřní impedance. Parametry dlouhého homogenního vedení. Vlnovody a rezonátory. Generování vysokofrekvenčního výkonu.

12. Počítačová fyzika
Numerické metody v počítačové fyzice, hledání řešení rovnic a minim funkcí, integrace. Modelování metodou molekulární dynamiky, pohyb ve vnějších polích, problémy mnoha těles. Stochastické metody v počítačové fyzice, generování a charakterizace náhodných veličin. Spojité a hybridní modelování, srovnání s čistě částicovými modely. Řešení obyčejných diferenciálních rovnic, přesnost operací, chyby výpočtů, stabilita algoritmů. Řešení soustav lineárních rovnic a parciálních diferenciálních rovnic. Integrální transformace v počítačové fyzice, rychlá Fourierova transformace. Metoda konečných prvků. Evoluční programování, kódování, ohodnocení, operátory, evoluční algoritmy. Genetický algoritmus a genetické programování, křížení, NP problémy, syntaktické stromy. Efektivní výpočet silového působení mnoha těles. Modelování srážek.