Schválené projekty 2017

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2017

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 54 573 242 Kč

Z toho 2.5% - 1 364 331 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 210 137
EKF  3 929 534
FAST  2 465 732
FS  9 344 630
FEI 13 996 004
HGF  5 272 251
FMMI  7 123 785
VC  8 743 333
CP  1 123 505
CELKEM 53 208 911

KódSP2017/154
Název projektuTerahertzové fotonické struktury s využitím pokročilých materiálů
ŘešitelMičica Martin Ing.
Školitel projektudoc. Dr. Mgr. Kamil Postava<br />
Období řešení projektu01.01.2017 - 31.12.2017
Předmět výzkumu1, Teorie
Terahertzový rozsah elektromagnetického záření (0.1-10 THz) představuje zajímavou oblast pro aplikace v komunikacích, charakterizaci struktur a materiálů, medicíně a bezpečnosti. Tato oblast je však stále málo prozkoumaná a chybí důležité komponenty. V tomto projektu se budou zkoumat využití pokročilých materiálů - molekulárních krystalů, molekulárních plynů, hexaferritů, III-V polovodičů a termoplastů pro konstrukci zdrojů, izolátorů, senzorů a jiných fotonických struktur pro terahertzové aplikace.

1.1, Aktivní média
Pro úspěšné využití terahertzového záření mimo laboratorního prostředí je nutno mít spolehlivé a robustní zdroje. Studie zdrojů terahertzového (THz) záření bude zaměřena zejména na THz lasery a THz zesilovače. Největší skupinou THz laseru jsou opticky pumpované lasery na bázi molekulárních plynů. Aktivní médium (amoniak, metanol, etanol, voda…) v plynné formě pod nízkým tlakem je opticky pumpováno infračerveným laserem, díky čemu dochází k excitaci rotačně-vibračních módů a jejich populační inverzi. Rotační relaxaci molekul při které rozdíly energií spadají do terahertzové oblasti je možné využít na stimulovanou emisi a konstrukci THz laseru nebo zesilovače. Současné molekulární THz lasery využívají pro optické pumpování CO2 laser, který je sám o sobě rozměrný a nepraktický. Navíc problémy s koincidencí laserových čar CO2 a pumpovacích čar THz aktivního plynu limitují počet dostupných terahertzových frekvencí a způsobují jeho nízkou efektivitu. Díky pokroku začínají být infračervené kvantové kaskádní lasery (MIR QCL) dostupné, jsou spojitě laditelné díky čemu je možné excitovat doteď nedosažitelné čáry THz aktivního plynu s vysokou efektivitou. Díky jejich výkonu a rozměrům je je možné integrovat s plynovou celou do kompaktního balení.

Novou, doteď neprozkoumanou oblastí jsou terahertzové lasery na bázi molekulárních krystalů. Molekulární krystaly jsou pevné látky ve kterých jsou molekuly vázány slabými vazbami (Van der Vaalsovy síly, vodíkové vazby). Právě mody těchto mezimolekulárních vazeb mohou být nalezeny v jejich terahertzovém spektru. V naši oblasti zájmu jsou především organické molekulární krystaly (alkoholy, cukry, kyseliny) a hydráty síranů. Optickým pumpováním v střední infračervené oblasti s pomoci MIR QCL s vlnovou délkou naladěnou na chemické vazby (C-O, S-O, popřípadě jiné) je možné ovlivnit populace excitovaných stavu. To v ideálním případe vede k populační inverzi a k předpokladu laserování v THz oblasti. Vhodnou volbou krystalu a pumpovací vlnové délky bude možné zkonstruovat kompaktní pevnolátkový THz laser.

Vývoj nových THz laseru a jejich miniaturizace muže výrazně přispět k využití THz fotoniky v každodenních aplikacích. Detektory se speciálně naladěnými THz lasery jsou schopné odhalit přítomnost nebezpečných látek jako jsou výbušniny nebo drogy. Plynové THz lasery jsou využitelné pro pozemní a satelitní měření koncentrace skleníkových plynů v zemské atmosféře. Velký potenciál existuje taky pro využití u THz zobrazovacích metod v bezpečnosti (detekce nebezpečných předmětu, letištní kontrola), v biomedicíně (analýza patologické tkáně), kontrola kvality výrobků a jiné. Výkonné a stabilní THz lasery a zesilovače mohou najít uplatnění taky v komunikační technice například pro generování nosných frekvencí. Existuje taky uplatnění ve specializovaných měřících metodách jako například skenovací mikroskopie blízkého pole.

1.2. Izolátory a plasmonika
Dalším chybějícím komponentem je vhodné řešení pro dvou-portovou izolaci nebo tří-portovou cirkulaci. Rychle se rozvíjející komplexita všech systémů a aplikací dělá požadavek po dostupnosti těchto komponent stále více urgentním. Stále například neexistuje vhodné řešení na ochranu koherentních THz zdrojů proti destabilizující zpětné odezvě. Takováto izolační funkčnost je přitom zásadní pro zvýšení množství aplikací kde hrají klíčovou roli vysoká spektrální čistota a stálá přesná úroveň výkonu. Ultraprecizní chemická spektroskopie a bezdrátové THz spojení jsou dva příklady s velkým společenským dopadem. Aktuálně jediná možnost ochrany kvantového kaskádového laseru proti destabilizujícímu zpětnému záření je použitím absorbéru u výstupu laseru a tedy současně snižováním jeho výkonu.
Náš koncept nového THz izolačního zařízení staví na nedávno demonstrovaném princip-dokazujícím-designu založenému na jednosměrném reflektivním povrchu pro vlnové délky viditelné a blizké infračervené oblasti, kombinující gyrotropii a plasmonové resonance. Experimentálně bude prokázáno, že podobný koncept jednosměrného zrcadla může sloužit jako izolátor pro THz frekvence.
Dalšími materiály, které vykazují izolační/nereciproké chování, jsou polovodiče. V terahertzové oblasti je jejich chování dáno především volnými nosiči náboje (elektrony, díry), ať už příměsovými nebo vlastními. Tyto nosiče za přítomnosti magnetického pole vytvářejí v terahertzové oblasti silnou anizotropii. Tento efekt se dá využít jak k zajištění nereciprocity, tak k modulaci procházejícího nebo odraženého terahertzového záření. Volné nosiče v polovodičích také zajišťují tzv. plazmonické chování, kdy struktura z plazmonického materiálu dokáže udržet na svém rozhraní s dielektrikem elektromagnetickou vlnu - povrchový plazmon. Povrchový plazmon vykazuje vysokou koncentraci pole a schopnost vázat vlny do prostoru menší, než difrakční limit. To ve spojení s nerecipročním nebo modulačním chováním umožňuje konstrukci menších komponentů.

1.3 3D tisk
S rozvojem levného stolního 3d tisku se technika FDM - fused deposition modelling, která pomocí horké trysky vytlačuje termoplasty, dostala na úroveň přesnosti tisku v desítkách mikrometrů. Právě tyto rozměry jsou srovnatelné s vlnovými délkami terahertzového záření a používané termoplasty jsou pro tuto oblast propustné. Na trhu jsou již také k dispozici plasty s různými aditivy, zajišťující například vodivost. Možnost si levně vytisknout libovolný tvar a strukturu s optimalizovanými vlastnostmi - čočky, mřížky, rozdělovače, vlnovody nebo hranoly skrývá potenciál pro masivní využití THz záření.

2. Předmět výzkumu
2.1 Aktivní média
Náplní výzkumu je studie nových THz laserových médií (plynných a pevnolátkových) a jejich využití pro konstrukci kompaktních opticky pumpovaných THz laserů. V případe plynných médií (NH3, D2O) bude zkoumán optický zisk v okolí 1 THz při pumpování MIR QCL (10.3 um, resp 8 um) a měření pomoci THz násobiče (1050 – 1100 GHz) a vektorového analyzátoru (500 – 750 GHz). Vyhodnocen bude zisk, absorbce, závislosti na tlaku a pumpovací intenzitě a bude vyhodnocená nereciprocita. V případe pevných médií bude uskutečněné pěstování monokrystalů (alkoholů, organických kyselin, sulfátů) a jejich spektroskopická analýza (THz – TDS 0.2 – 3 THz) součástí které bude taky MIR pump – THz probe metoda na vyhodnocení změn populace stavů v THz části spektra při optickém pumpováni příslušných vazeb ve střední infračervené oblasti. Část výzkumu ke které je potřebný MIR laser bude realizovaná ve spolupráci s IEMN, Lille 1 University, Francie. Pro zjištění nejvhodnější konfigurace, nalezení nejvhodnějšího laserovacího materiálu a objasnění probíhajích jevů počas optického pumpování bude využito ab-initio výpočtů a počítačové molekulární dynamiky. Výpočty budou uskutečněny na superpočítačích poskytnutých IT4Innovations.

2.2 Izolátory a plasmonika
Prvním klíčovým požadavkem k realizaci izolačního zařízení je vhodný materiál s dostatečně silnými gyrotropními vlastnostmi v THz oblasti. Provedeme fundamentální studie nereciprokých jevů s využitím ferromagnetických resonancí na mm vlnových délkách v hexaferritech. Hexaferrity (BaFe12O19, SrFe12O19...) jsou magnetické oxidy železa s hexagonální strukturou. V těchto materiálech se vyskytují gyromagnetické efekty když se saturovaná magnetizace nereciprokálně pohybuje okolo vnitřního magnetického pole. Permeabilita hexaferritů má v THz oblasti formu tensoru s antisymetrickými off-diagonálními prvky μxy = -μyx = iκ, které jsou zodpovědné za nereciproké jevy. Tyto nereciproké jevy jsou velmi silné poblíž frekvence feromagnetické rezonance (FMR), a jelikož tato FMR se u hexaferritů nachází poblíž hodnoty 0,1 THz, mají tyto materiály slibné gyromagnetické vlastnosti v oblasti milimetrových vln.
Náš navržený design THz izolátoru kombinuje jejich silné gyromagnetické vlastnosti v THz frekvencích s rezonancemi povrchových plasmonů vzniklých díky přítomnosti kovové mřížky na povrchu hexaferritu. Poblíž těchto SPP rezonancí se mohou objevit frekvenční oblasti, kde se celé takové zařízeni chová jako jednosměrné zrcadlo. Prvním důležitým krokem je přesná kompletní magneto-optická charakterizace využívaných hexaferritů. Ta bude provedena s využitím THz-TDS spektroskopie a Free-Space Quasi-Optické VNA sestavy. Dalším krokem je design zařízení s využitím modelačních software a výkonných PC pro simulace. Pro závěrečné zpřesnění simulací budou využity superpočítače IT4Innovations. K depozici kovové mřížky (zlato, stříbro...) na povrch hexaferritu budou využity „clean-room“ techniky (evaporace, naprašování...). Po výrobě zařízení budou jeho izolační vlastnosti demonstrovány.

Výkumná část týkající se polovodičů se bude týkat především modelování plazmonických a magnetoplazmonických struktur - vlnovody, spr sensory a mřížky. Pro tyto výpočty se použije vlastní kód v prostředí Matlab a komerční distribuce Comsol z důvodu náročnosti těchto výpočtů bude využíváno superpočítačové infrastrukty IT4Innovations. Tato výzkumná část probíhá na VŠB-TU Ostrava a Dalhousie University, Halifax.

2.3 3D tisk
U aplikací 3d tisku se počítá především s proměřením dostupných materiálů v terahertzové a daleké infračervené oblasti na pracovišti VP4 na IT4Innovations. Dále bude zhodnocena kvalita tisku na testovaných strukturách, kde bude navrhnutá struktura proměřena a výsledná data zhodnocena pomocí vlastního RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) kódu.
Členové řešitelského týmuIng. Jan Chochol
Ing. Tomáš Horák
Mgr. Ing. Libuše Horáčková
Ing. Barbora Kacerovská
Pierre Koleják
Eva Kubátová
Ing. Martin Mičica
doc. Dr. Mgr. Kamil Postava
Bc. Daniel Vala
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Výstupy budou publikovány v impaktovaných časopisech a prezentovány na tuzemské konferenci NanoOstrava 2017 a největší mezinárodní konferenci zaměřenou na THz fotoniku IRMMW-THz 2017 nebo CLEO®/Europe-EQEC 2017.

Výsledky výzkumu budou použity pro další vývoj kompaktních THz laserů a budou součastí dizertační práce Martina Mičici, která probíhá pod dvojím vedením v rámci spolupráce mezi VŠB-TUO a IEMN, Lille 1 University.
Výsledky výzkumu budou využity pro další vývoj izolátoru pro THz a MIR spektrální oblasti a budou součásti disertační práce Tomáše Horáka na IEMN, Université Lille, která bude dokončena na konci roku 2017. Výzkumná část probíhá ve spolupráci mezi IEMN, Université Lille a VŠB-TU Ostrava.

Výzkum polovodičových plasmonických a magnetoplasmonických struktur bude součástí disertační práce Jana Chochola, s předpokládanou obhajobou na Dalhousiei University v dubnu 2017.

Časový plán:
Publikace výsledků měření plynného NH3 v Jimp (1/4 2017)
Publikace výsledků na plasmonické vlastnosti polovodičů (1/4 2017)
Měření a publikace plynného D2O (1/4 2017)
Publikace výsledků magneto-optické charakterizace hexaferritů (1/4 2017)
Publikace výsledků simulací izolátoru (2/4 2017)
Měření a publikace výsledků na plasmonické polovodičové mřížky a struktury (2/4 2017)
Měření 3d tisknutelných terahertzových fotonických struktur a materiál (2/4 2017)
Měření a publikace pump-probe metody na molekulárních krystalech (2/4 2017)
Konference NanoOstrava (2/4 2017)
Výroba, charakterizace a publikace výsledků reálného izolačního zařízení (3/4 2017)
Konference 09/2017IRMMW-THz

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. Stipendia108000,-108000,-
3. Materiálové náklady84000,-63722,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek33000,-20579,-
5. Služby120000,-177053,-
6. Cestovní náhrady150000,-125646,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory0,-0,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady495000,-
Uznané náklady495000,-
Celkem běžné finanční prostředky495000,-495000,-