Schválené projekty 2016

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2016

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 896 914 Kč

Z toho 2.5% - 1 397 423 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 270 231
EKF  4 459 400
FAST  2 765 016
FS  9 344 371
FEI 13 781 413
HGF  5 130 549
FMMI  7 000 000
VC 10 748 511
CELKEM 54 499 491

KódSP2016/167
Název projektuTerahertzové přechody v molekulárních krystalech
ŘešitelPostava Kamil doc. Dr. Mgr.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2016 - 31.12.2016
Předmět výzkumuV poslední době vzrůstá zájem o elektromagnetické záření ve frekvenční oblasti mezi 100 GHz až 3 THz. Tato část elektromagnetického spektra, zvaná terahertzová oblast, patří mezi nejmladší a nejméně prozkoumané z důvodu dlouhé absence použitelných zdrojů a nedostatečných detektorů. Teraherzové záření přitom nabízí veliký potenciál v komunikačních technologiích, kde je nutné kvůli saturaci rádiových vln posunout se k vyšším teraherzovým frekvencím, přičemž 120 GHz bezdrátové spojení s přenosem 10 Gbit/s bylo realizováno a pracuje se na frekvencích do 600 GHz s teoretickým přenosem 100 Gbit/s. Další významné využití teraherzového záření je v bezpečnostní oblasti kde vzhledem k vlastnosti pronikat nevodivými materiály jako například oblečením a naopak absorbování kovovými předměty, je využitelné pro konstrukci bezpečnostních skenerů pro balíky nebo taky osoby. Na rozdíl od jonizujícícho rentgenového záření nejsou THz vlny nebezpečné. Také nelegální a nebezpečné látky jako výbušniny a drogy mají v této oblasti specifický otisk a mohou být přímo rychle detekovány i skrze balení. Využití najde i v medicině při diagnostice nádorových onemocnění a samozřejmě v materiálové fyzice a spektroskopií využívající rotace molekul v plynu a kapalinách, a vibrace krystalické mřížky v teraherzové oblasti.

Na využití terahertzového záření je potřeba mít spolehlivé teraherzové koherentní zdroje. V současnosti je možné využití plynových laserů které jsou velké, pokrývají limitovanou oblast a mají nízkou efektivitu. Teraherzové kvantové kaskádní lasery jsou sice malé ale vyžadují chlazení tekutým dusíkem a v současnosti mají vysokou cenu. Koherentní teraherzové záření je možné vytvořit také pomoci metody fotomixing, která potřebuje pro svou funkci dva lasery v blízké infračervené oblasti a generuje záření rovnající se rozdílu jejich frekvencí. Nevýhodou fotomixéru je nízká intenzita. Výrazným posunem vpřed by byla realizace kompaktního teraherzového laseru na bázi pevného aktivního media pracujícího při pokojové teplotě.

Molekulární krystaly jsou pevné látky složené s molekul vázaných pomocí slabých vazeb. Speciální druh tvoří vodíkové vazby mezi vodíkem a jiným prvkem nejčastěji kyslíkem. Právě vibrace těchto vazeb spadají do teraherzové oblasti a mohou být pozorovány teraherzovou spektroskopii. Příkladem takových krystalů jsou karbohydráty a hydratované formy síranů. Díky chemickým vazbám v molekulách mají molekulární krystaly absorpce i v infračervené oblasti. Při pumpování laserem o vhodné vlnové délce v infračervené oblasti je možné excitovat chemické vazby, přičemž budou v případe povolených energetických přechodů excitovány také vazby vodíkové. Díky tomu je možné vytvořit populační inverzi vodíkových vazeb, která je podmínkou pro realizaci laseru. Frekvence laseru realizovaného tímto způsobem spadá do terahezové oblasti a představuje slibnou konkurenci pro existující terahezové zdroje.

Náplní projektu je spektroskopie molekulárních krystalů v práškové a krystalické formě v terahezové a infračervené oblasti. Studie je zaměřena na změny v populacích vibračních stavů vodíkových vazeb v terahertzové oblasti při jejich excitaci pomoci infračerveného laseru. Jedná se o novou pump – probe spektroskopickou metodu, která v této podobě ještě nebyla realizována. Pomocí ní je možné vybrat vhodný materiál v kterém jsou infračervené a terahezové přechody dostatečně propojeny na to aby bylo možné vytvořit populační inverzi, která je základem pro stimulovanou emisi a realizování pevnolátkového terahertzového laseru pracujícího při pokojové teplotě.

Návrh projektu je podáván v rámci doktorského studia odpovědného řešitele Ing. Martina Mičicy pod dvojím vedením doc. Dr. Mgr. Kamila Postavy z VŠB – Technické Univerzity Ostrava a prof. Jean-Françoisa Lampina z Institut d'Electronique de Microelectronique et de Nanotechnologie, University Lille1 ve Francii. Student se v rámci studia zabývá pevnolátkovým terahertzovým laserovým médiem založeným na molekulárních krystalech. Pro realizaci projektu budou v rámci národního superpočítačového centra IT4Innovations v rámci VŠB–TU Ostrava využívány moderní přístroje pro charakterizaci materiálu v široké spektrální oblasti a prostředky superpočítače pro výpočty spekter a modelování energetický přechodů. V rámci spolupráce s univerzitou Lille 1 bude využívána technologie cleanroom pro výrobu krystalů a laboratoř s infračerveným laserem. Ve spolupráci obou univerzit již byly publikovány společné články zaměřené na terahertzovou spektroskopii a magnetooptiku, další se nachází v recenzním jednaní a další se připravují. Studentka Eva Kubátová bude realizovat spektroskopickou elipsometrii ve viditelné a blízké infračervené oblasti pro sestavení optických funkcí měřených látek v širokém spektrálním rozsahu.
Členové řešitelského týmuEva Kubátová
Ing. Martin Mičica
doc. Dr. Mgr. Kamil Postava
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Cílem projektu je spektroskopie molekulárních krystalů v teraherzové a střední infračervené oblasti ve formě polykrystalických prášků a monokrystalů. Vývoj nové pump–probe měřící metody s pumpováním ve střední infračervené oblasti pomocí laseru a měření změn v teraherzové oblasti pomocí spektroskopie s rozlišením v spektrální a časové doméně. Aplikování vyvinuté metody na vybrané molekulární krystaly a optimalizace pro vytvoření populační inverze vodíkových vazeb. Získané výsledky budou analyzovány a na objasnění probíhajících jevů budou použity ab-initio modely které vyžadují využití superpočítače.

Projekt je zaměřen na řešení následujících cílů:

Měření absorpčních spekter polykrystalických prášků molekulárních krystalů pomoci transmise a metody zeslabeného totálního odrazu (ATR) v THz oblasti a středně infračervené oblasti pomoci spektrometru s Fourierovou transformací (FTIR). Budou selektovány látky s vysokými a ostrými absorpcemi v okolí 1 THz a zároveň 30 THz (infračervená oblast).

Z vybraných látek budou vyrobeny monokrystaly, které budou podrobeny dalším spektroskopickým měřením pomoci THz spektroskopie a FTIR. Z výsledků budou stanovené vhodné vlnové délky infračerveného laseru pro pumpování.

Vývoj nové pump–probe měřicí metody s pumpováním ve střední infračervené oblasti pomoci laseru a měření teraherzových spekter pomoci teraherzové spektroskopie:
1) ve frekvenční doméně, pro měření ustálených stavů
2) ve časové doméně, pro měření přechodných jevů

Aplikace vytvořené pump–probe metody na vybrané látky a pozorování změn absorpcí v THz spektru.

Analýza naměřených dat, modelování a identifikace terahertzových přechodů pomoci ab-initio výpočtů. Vytvoření matematického modelu pro energetické přechody probíhající během pumpování.

Výstupy

Předpokládanými výstupy jsou minimálně dvě publikace v odborných impaktovaných časopisech zabývající se terahertzovou spektroskopií molekulárních krystalů a vyvinuté pump–probe metody s její aplikací. Předpokládané výsledky budou prezentovány na mezinárodní konferenci IRRMW-THZ 2016 v Kodani.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia44000,-44000,-
3. Materiálové náklady20000,-1930,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-0,-
5. Služby30000,-0,-
6. Cestovní náhrady39200,-87270,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory14800,-14800,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady148000,-
Uznané náklady148000,-
Celkem běžné finanční prostředky148000,-148000,-