Katedra fyziky povrchů a plazmatu

Nabídka témat bakalářských prací pro šk. rok 2020/2021

zobrazit předchozí rok (2019/2020), další rok (2021/2022)

cepice Katedra fyziky povrchů a plazmatu vypisuje pro školní rok 2020/2021 následující témata bakalářských prací.

Zápis Zájemce prosíme, aby se zapisovali v sekretariátu KFPP ve 2. patře KO Troja.

Práce pro zaměření Fyzika povrchů a ionizovaných prostředí (OF)


Formování záporných molekulárních iontů za nízkých teplot.
Formation of molecular anions at low temperature.


Vedoucí: Doc. RNDr. Radek Plašil, Ph.D. - A025, A024, tel. 2224, 2237
Konzultant: RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D.

Anotace:

V roce 2006, byly pozorovány první záporné ionty v mezihvězdném prostoru, kde se podílejí na vývoji chemického složení oblak chladného plynu. Jejich reakce však ještě nejsou dobře prostudovány. V naší pražské laboratoři je dostupná unikátní aparatura s 22 pólovou radiofrekvenční iontovou pastí, kterou je možno schladit na 10 K. Tato konfigurace umožňuje experimenty v podmínkách vhodných ke studiu reakcí relevantních pro astrofyziku chladných oblaků plynů v mezihvězdném prostoru.

Studovány budou procesy formování molekulárních aniontů v širokém rozsahu teplot od desítek kelvinů do 300 K. Zaměříme se na formování aniontu OH–. Student se zapojí do experimentální práce v kolektivu dalších výzkumníků. Řešené téma je podporováno z několika grantů a je předpokládána zahraniční spolupráce při jejich řešení.

Zásady pro zpracování:

  1. Seznámení se s experimentální aparaturou.
  2. Rešerše reakce formování konkrétního aniontu za nízkých teplot.
  3. Bude se podílet na měření a vyhodnocení získaných dat.

Seznam odborné literatury:

  1. Millar T.J. et al., “Negative Ions in Space.” Chemical Reviews 117 (2017) 1765–95.
  2. Smith I.W.M., Low temperatures and cold molecules, World Scientific Publishing, Singapore 2008, ISBN 978-1-84816-209-9.
  3. Ghosh P.K., Ion Traps, Clarendon Press, Oxford 1995, ISBN 978-0198539957.


Studium rekombinace iontů s elektrony v nízkoteplotním plazmatu pomocí Cavity Ring Down Spektroskopie
Study of electron – ion recombination in low temperature plasma using Cavity Ring Down Spectroscopy


Vedoucí: Mgr. Petr Dohnal, Ph.D.
Konzultant: Doc. RNDr. Radek Plašil, Ph.D. - A025, A024, tel. 2224, 2237

Anotace:

Nízkoteplotní plazma se vyskytuje ve sluneční soustavě, mezihvězdných oblacích plynu, ionosféře Země a planet sluneční soustavy a používá se v plazmatických technologiích. Studium reakcí jednoduchých iontů s molekulami a elektrony v nízkoteplotním plazmatu umožňuje hlouběji pochopit chemické procesy např. v mezihvězdných oblacích plynu a atmosférách plynných obrů. Toto studium také poskytuje zpětnou vazbu pro kvantově mechanické výpočty a umožńuje interpretovat nejnovější poznatky získané pomocí astronomických pozorování. Parametry plazmatu (translační, rotační a vibrační teplota iontů, jejich koncentrace atd.) se mohou měnit v rozsahu mnoha řádů a pro jejich určování se používá široká škála diagnostických technik. Předmětem bakalářské práce bude seznámení se s vysoce citlivou metodou diagnostiky nízkoteplotního plazmatu: Cavity Ring Down optickou spektroskopií a jejím použitím při studiu rekombinace iontů s elektrony.

Zásady pro zpracování:
1) Studium literatury a seznámení se s principy diagnostických metod používaných v laboratoří.
2) Seznámení se s experimentem.
3) Účast na měření rekombinace jednoduchých molekulárních iontů (např. H3O+ a HCO+) s elektrony.
4) Vyhodnocení naměřených dat a jejich srovnání s teorií.

Seznam odborné literatury:
[1] Hutchinson I.H., Principles of Plasma Diagnostics, Cambridge University Press, 2002, ISBN 0-521-80389-6.
[2] P. F. Bernath, Spectra of Atoms and Molecules, Oxford University Press, 2005, ISBN-13 978-0-19-517759-6.
[3] G. Berden, R. Engeln, Cavity Ring-Down Spectroscopy: Techniques and Applications, John Wiley & Sons, 2009, ISBN: 9781405176880.
[4] Další časopisecká literatura podle dohody s vedoucím práce.


Kinetické Monte Carlo modely nanočástic v přítomnosti povrchových defektů
Kinetic Monte Carlo simulations of nanoparticles in the presence of surface defects


Vedoucí: Doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D. - A133, tel. 2333
Konzultant: Doc. RNDr. Pavel Kocán, Ph.D. - A330, A327, A332, tel. 2349, 2342, 2346

Anotace:

Heterogenní katalyzátory energeticky významných chemických reakcí mají často formu kovových nanočástic na povrchu oxidu. Rozhodující pro reaktivitu v konkrétní reakci je velikost nanočástic, která se v praxi kontroluje převážně pomocí teplotních a chemických cyklů [1]. Ukazuje se, že klíčový vliv na velikost nanočástic má přítomnost morfologických defektů na povrchu oxidu.

Cílem vypisované bakalářské práce je charakterizace kinetického Monte Carlo modelu nukleace kovových nanočástic na substrátech, které obsahují bodové nebo lineární poruchy.

Bodové nebo lineární poruchy substrátu ovlivňují povrchovou difuzi deponovaného kovu a následnou nukleaci nanočástic. Kinetické Monte Carlo modely nukleace jsou standardním a silným nástrojem aplikovaným dosud převážně na idealizované substráty bez defektů. Navrhované zobecnění této techniky má potenciálně velkou důležitost pro porozumění nukleace a stability kovových nanočástic v reálných aplikacích.

Práce bude probíhat ve skupině fyziky povrchů KFPP. Práce je součástí mezinárodního výzkumného projektu zaměřeného na modelové elektrokatakyzátory kov-oxid [4].

Cíle práce:

  1. Seznámení se s metodou výpočtů Monte Carlo ve fyzice tenkých vrstev [2,3]
  2. Seznámení se s Monte Carlo modelem nukleace v přítomnosti povrchových defektů
  3. Studium vlastností simulovaných nanočástic – hustota, velikost, stabilita – v závislosti na vlastnostech povrchových defektů
  4. Vyhodnocení a prezentace získaných dat
Obrázek: Kinetická Monte Carlo simulace nukleace kovových částic na povrchu s lineárními defekty.

Literatura:


Studium reakcí na tenkovstvých katalyzátorech metodami vibrační a hmotnostní spektroskopie
Study of reactions on thin-film catalysts by means of vibrational and mass spectroscopies


Vedoucí: RNDr. Viktor Johánek, Ph.D. - A133, tel. 2333

Anotace:

Tenkovrstvé materiály se strukturami v rozměrech řádu nanometrů vykazují často zajímavé vlastnosti odlišné od objemových a poskytují široký prostor pro „vyladění“ na požadované vlastnosti. V případě využití jako katalyzátoru jsou podstatné souvislosti mezi fyzickou strukturou materiálu, elektronickou interakcí jeho jednotlivých složek a interakcí povrchu s okolními molekulami. Podrobné znalosti tohoto typu jsou typicky získávány prostřednictvím kombinace tzv. modelových experimentálních studií a teoretických výpočtů. Potřebnou vazbu mezi zjištěnými elementárními jevy a skutečným chováním reálných systémů pracujících v méně ideálních a hůře definovaných podmínkách pak můžou zprostředkovat tzv. operando metody, které dovolují pozorovat reakce v jejich průběhu za realistických podmínek na stále ještě poměrně dobře definovaných površích.

Předmětem této práce bude primárně využití kombinace infračervené vibrační spektroskopie (RAIRS) a hmotnostní spektrometrie (QMS) ke sledování průběhu chemických reakcí na heterogenní katalyzátorech založených na kombinaci přechodových kovů (příp. jejich slitin) a tzv. reducibilních oxidů. Konkrétní typ vzorků a studovaných reakcí budou aktuálně vybrány v návaznosti na probíhající výzkum ve skupině fyziky povrchů. Měření reaktivity dle potřeby doplní charakterizace vzorků pomocí prvkové a chemické analýzy (metodou rentgenové fotoelektronové spektroskopie, XPS) a rastrovací elektronové mikroskopie (SEM).

V případě zájmu uchazeče se počítá s možností pokračovat na projektu v rámci navazující diplomové práce.

Zásady pro vypracování:

  1. Zvládnutí experimentálních metod RAIRS a QMS, seznámení se základy metod XPS a SEM.
  2. Příprava tenkovrsvých vzorků fyzikálními metodami.
  3. Měření adsorpce a reakce vybraných molekul na připravených vzorcích kombinac9 metod RAIRS a QMS.
  4. Zpracování experimentálních dat

Literatura:

  1. Ertl, G., et al., eds. Handbook of Heterogeneous Catalysis, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany (2008)
  2. F.A. White and G.M. Wood, Mass Spectroscopy, Applications and Engineering, John Wiley & Sons (1986); J. W. Niemantsverdriet, Spectroscopy in Catalysis: An Introduction, John Wiley & Sons (2000)
  3. Y. J. Chabal, Surface Infrared Spectroscopy, Surface Science Reports 8 (1988) 211-357; M. Trenary, Reflection Absorption Infrared Spectroscopy and the Structure of Molecular Adsorbates on Metal Surfaces, Annu. Rev. Phys. Chem. 51 (2000) 381–403
  4. Další literatura dle potřeby a dohody s vedoucím práce.


Detailní studium morfologie atomárních řetízků Al na povrchu Si(100)2×1 pomocí STM
Detailed study of Al atomic chains on the Si(100)2×1 surface by means of STM


Vedoucí: Doc. RNDr. Ivan Ošťádal, CSc. - A325, A327, A332, tel. 2336, 2342, 2346

Anotace:

Atomy Al deponované ve vakuu na povrch Si(100)2×1 se díky anizotropii jeho rekonstrukce spontánně uspořádávají do jednorozměrných přímých atomárních řetízků podobně jako další kovy III a IV skupiny (In, Ga, Sn, Pb). Vzhledem k možným aplikacím v polovodičových technologiích se tyto struktury kovů na daném povrchu intenzivně studují mnoho let hlavně pomocí techniky skenovací tunelové mikroskopie (STM). Ve srovnání s ostatními kovy se při růstu řetízků Al objevují některé anomálie v morfologii i v zobrazování pomocí STM, které se dosud nepodařilo objasnit.

Ve skupině tenkých vrstev je tento růst intenzivně zkoumán a z analýzy dat vychází potřeba několika cílených měření, které by společně s již provedenými výpočty mohly podstatně přispět při hledání příčiny zvýšeného členění řetízků na sice lineární segmenty, ale s „diagonálním“ spojením a objasnění různého zobrazování atomárních dimerů v řetízku - zdánlivě v rozdílné výšce nad povrchem.

(a) Atomární řetízky Al napařené při pokojové teplotě (0,08 monovrstvy) na Si(100)2×1, zobrazení v „prázdných stavech“ – světlé „bobule“ představují dvojici Al atomů (dimer), proužky na pozadí jsou dimerové řady povrchové rekonstrukce; Detail: (b) řetízky obsahující 2-6 atomů Al, napětí vzorku vůči hrotu +2V (prázdné stavy); (c) stejné objekty při opačné polaritě napětí na tunelovém přechodu (plné stavy - elektrony tunelují z obsazených stavů na povrchu do volných stavů v okolí Fermiho meze hrotu STM). V dimerových řadách rekonstrukce lze rozlišit jednotlivé dimery Si – „šedivé oválky“.

  1. Cíle práce:
  2. Porozumět principu měření pomocí STM a interpretaci obrazu.
  3. Zvládnutí techniky STM umožňující samostatné měření. 
  4. Prostudování literatury zaměřené na studovaný povrch a růst v míře doporučené vedoucím.
  5. Seznámení se základy ultravakuové techniky, přípravou křemíkového substrátu s požadovanou rekostrukcí povrchu a depozicí hliníku pro požadované pokrytí menší než 0,1 monovrstvy.
  6. Příprava vzorků s vybraným pokrytím při pokojové teplotě (v případě příznivého postupu práce i při různých teplotách) a následné zkoumání struktur pomocí STM zaměřené na morfologii řetízků, povrchu v jejich blízkosti a roli povrchových defektů.
  7. Vyhodnocení získaných výsledků.

Literatura:

(a) Atomární řetízky Al napařené při pokojové teplotě (0,08 monovrstvy) na Si(100)2×1, zobrazení v „prázdných stavech“ – světlé „bobule“ představují dvojici Al atomů (dimer), proužky na pozadí jsou dimerové řady povrchové rekonstrukce; Detail: (b) řetízky obsahující 2-6 atomů Al, napětí vzorku vůči hrotu +2V (prázdné stavy); (c) stejné objekty při opačné polaritě napětí na tunelovém přechodu (plné stavy - elektrony tunelují z obsazených stavů na povrchu do volných stavů v okolí Fermiho meze hrotu STM). V dimerových řadách rekonstrukce lze rozlišit jednotlivé dimery Si – „šedivé oválky“.


Adsorpce organických molekul na povrchu Sn-Si(111)-(√3×√3) při snížených teplotách
Adsorption of organic molecules on Sn-Si(111)-(√3×√3) surface at lower temperatures.


Vedoucí: Doc. RNDr. Ivan Ošťádal, CSc. - A325, A327, A332, tel. 2336, 2342, 2346

Anotace:

Ftalocyaniny (Pc) s atomem různých kovů a případnou substitucí vodíkových atomů fluorem ve vnějších cyklech tvoří na kovem pasivovaných površích křemíku planární dvourozměrné struktury zajímavé pro molekulární elektroniku. Studium růstu a morfologie se opírá o experimentální data získaná zejména pomocí skenovací tunelové mikroskopie (STM), která dokáže zobrazit povrch pevné látky s atomárním rozlišením. STM lze využít také pro zkoumání povrchové elektronové struktury a pro záznam povrchových procesů. 

Téma práce vychází z řady výsledků získaných v laboratoři STM během studia ftalocyaninů na kovem (In, Sn, Tl) pasivovaných površích Si. Molekuly Pc jsou při pokojové teplotě na pasivovaných površích značně pohyblivé a stabilně se adsorbují výlučně na povrchových defektech. Pro zkoumání mechanismu samouspořádání a stability adsorpce je potřebné mít informaci o vazbě molekuly k povrchu. Po depozici molekul na povrch při snížené teplotě je možné pomocí STM zobrazovat a zkoumat již nepohyblivé molekuly nebo jejich „zpomalené“ přeskoky mezi adsorpčními pozicemi. Pro depozici molekul se využívá vakuové napařování. Pro daný experiment je vycloněný molekulární svazek namířený na vzorek umístěný v pozici pro měření pomocí STM. Depozice „pod hrot“ v optimálním případě umožňuje snímání povrchu i během napařování.

Detail zobrazení molekuly F8CuPc na povrchu Sn-Si(111)-(√3×√3) při napětí vzorku -2V (vlevo) a +2V vůči hrotu (plné a prázdné stavy). V plných stavech jsou na povrchu tvořeném atomy Sn zřetelné substituční defekty (atom Sn nahrazen atomem Si). Zobrazená molekula je na obrázcích překryta odpovídajícím strukturním schématem (atom Cu je uprostřed).

Úkoly práce:

  1. Porozumět principu měření pomocí STM a interpretaci obrazu.
  2. Zvládnutí techniky STM umožňující samostatné měření. 
  3. Seznámení se základy ultravakuové techniky a průběhem experimentu (příprava substrátu s požadovaným povrchem, chlazení vzorku a měření pomocí STM). 
  4. Depozice vybraných molekul na povrch a měření pomocí STM při pokojové teplotě.
  5. Depozice molekul a měření při snížené teplotě. 
  6. Analýza získaných výsledků.

Literatura:


Chování polaronů injektovaných na povrch pevné látky
Behaviour of surface-injected polarons


Vedoucí: Doc. RNDr. Pavel Kocán, Ph.D. - A330, A327, A332, tel. 2349, 2342, 2346

Anotace:

Kvazičástice polaron, tvořená přebytečným nebo chybějícím elektronem lokalizovaným interakcí s krystalickou mříží [1], v mnoha případech určuje vlastnosti materiálu – např. přenos náboje, magnetismus, nebo katalytické schopnosti. Perovskity (ABO3) představují v současné době široce studovanou skupinu materiálů díky variabilitě jejich vlastností dosažitelné kombinacemi atomů A a B [2]. Nejnovější výsledky ukazují, že při vhodné volbě perovskitu je možné na jeho povrchu vytvořit dostatečně stabilní mrak polaronů injektováním náboje z ostrého hrotu. Dynamika polaronů odráží jejich vzájemnou elektrostatickou interakci a pohyblivost v materiálu, tedy vlastnosti klíčové pro obecné porozumění chování polaronů v pevných látkách.

Chování polaronů bude simulováno pomocí kinetického Monte Carlo (KMC) modelu, založeného na náhodných procesech s ohledem na dalekodosahovou interakci mezi všemi polarony v uvažovaném systému. Simulace budou navázány na probíhající nízkoteplotní KPFM (Kelvin probe force microscopy) experimenty, žádoucí je účast studenta na těchto experimentech.

Příklad simulace exploze polaronického mraku.

Zásady pro zpracování:

  1. Seznámení se s problematikou polaronů v pevné látce.
  2. Seznámení se s technikou KMC
  3. Práce na vývoji efektivního kódu pro simulaci dynamiky polaronů na povrchu krystalu
  4. Simulace chování polaronů v návaznosti na probíhající experimenty, optimalizace parametrů

Literatura:


Růst molekulárních sítí vázaných vodíkovými vazbami
Growth of hydrogen-bonded molecular networks


Vedoucí: Doc. RNDr. Pavel Kocán, Ph.D. - A330, A327, A332, tel. 2349, 2342, 2346

Anotace:

Vodíkové vazby mezi organickými molekulami mají za následek vznik vysoce uspořádaných molekulárních struktur, jak je známo z chemie živých organismů. Na površích krystalů tyto vazby umožňují růst 2D molekulárních sítí [1-3], které mohou být základem molekulární nano-elektroniky budoucnosti.

Technika difrakce pomalých elektronů (LEED) je velmi efektivní pro zobrazení periodických struktur na povrchu pevné látky [4]. V rámci bakalářské práce bude použita tato technika pro studium růstu molekulárních sítí na povrchu křemíku pasivovaném kovovou vrstvou. Technika LEED bude doplněna experimenty na řádkovacím tunelovém mikroskopu (STM), který umožní atomární rozlišení v reálném prostoru [4].

Příklad molekulární sítě vázané vodíkovými vazbami. a) STM obrázek [3], b) dvojice vodíkových vazeb, c) simulovaná struktura a její „difrakce“ (FFT)

Zásady pro zpracování:

  1. Seznámit se s technikou přípravy pasivovaných křemíkových povrchů a depozice organických molekul
  2. Seznámit se s technikami zkoumání povrchů – LEED a STM
  3. Studovat vliv množství deponovaných molekul na periodicitu vzniklých molekulárních struktur
  4. Na základě experimentálně získaných dat navrhnout model pozorovaných struktur

Literatura:


Funkcionalizace povrchů organickými dvoudimenzionálními supramolekulárními sítěmi.
Surface functionalization by organic two-dimensional supramolecular networks


Vedoucí: Doc. RNDr. Pavel Sobotík, CSc. - A326, A327, A332, tel. 2250, 2342, 2346

Anotace:

Formování uspořádaných 2D supramolekulárních sítí, které mohou být dále funkcionalizovány vhodnými molekulami či atomy, představuje slibný trend vedoucí k potenciálním aplikacím v molekulární elektronice/spintronice, katalýze, separační technologii či detekci molekul. Pro integraci těchto technologií do současné polovodičové technologie je stále intenzivněji studována problematika uspořádaného růstu organických molekul na pasivovaných polovodičových površích. Pro vytváření sítí se využívají vhodné planární molekuly vázané vazbami kov-ligand či vodíkovými vazbami, deponované na definované povrchy v ultravakuových podmínkách. Pro jejich charakterizaci je důležité mít možnost zkoumat v atomárním měřítku jednak strukturu sítí, jejich elektronické vlastnosti a také interakce mezi jednotlivými molekulami i mezi molekulami a povrchem. Jako nezastupitelný nástroj se nabízí tunelový mikroskop (STM), který umožňuje atomární zobrazení zkoumaných struktur i charakterizaci jejich elektronických vlastností.

Cílem práce je definovaná depozice vybraných molekul na kovem pasivovaný povrch křemíku (např. In/Sn-Si(111)) a následná charakterizace vzniklých supramolekulárních vrstev pomocí tunelové mikroskopie a spektroskopie.

Molekula Cu-Ftalocyaninu a příklad zobrazení molekulární vrstvy s rozlišením molekulárních orbitalů v STM.

Zásady pro vypracování:

  1. Detailní seznámení se s metodou STM/STS
  2. Zvládnutí definované depozice molekul sublimací z kelímku.
  3. Charakterizace deponovaných struktur pomocí STM
  4. Vyhodnocení experimentů

Literatura:

  1. B. Voigtlaender: Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2015.
  2. Methods of experimental physics: Scanning tunneling microscopy, ed.by
  3. J.A.Stroscio,W.J.Kaiser, Academic Press Ltd.,1993
  4. Aktuální dostupná časopisecká literatura
Molekula Cu-Ftalocyaninu a příklad zobrazení molekulární vrstvy s rozlišením molekulárních orbitalů v STM.


Atomárně rozlišené povrchy perovskitů připravených štípáním
Atomically-resolved surfaces of cleaved perovskites


Vedoucí: Mgr. Martin Setvín, Ph.D. - A331, tel. 2310

Anotace:
Štípání ve vakuu je jednou z metod přípravy čistých nerekonstruovaných povrchů. Zatímco pro řadu materiálů se jedná o triviální úkon (NaCl, MgO, Si), štípání perovskitů je spojeno se zajímavými jevy [1,2]. Cílem této bakalářské práce je zvládnout štípání vhodného nového perovskitu (např. BaTiO3, KNbO3, LiNbO3) a charakterizovat jeho povrch s atomární přesností pomocí kombinovaného AFM/STM [3]. Získané výsledky by měly sloužit jako základ pro další zkoumání fyzikálních a chemických vlastností těchto materiálů. Dalším aspektem práce je pochopení fyzikálních principů, které určují morfologii výsledného povrchu.

Vlevo: Morfologie povrchu SrTiO3 (001) získaného štípáním; 600x600 nm2. Vertikální proužky jsou střídající se zakončení SrO a TiO2. Uprostřed: Povrch SrTiO3 dopovaného 1% Nb, získaný identickou přípravou. 1500x1500 nm2, jedna doména SrO. Vpravo: Atomárně rozlišený AFM obrázek SrO zakončení.

Zásady pro zpracování:

  1. Seznámit se s literaturou o technice AFM/STM a o perovskitech.
  2. Seznámit se s experimentálním vybavením a provést testovací experiment na známém matriálu SrTiO3 nebo KTaO3.
  3. Vybrat vhodný perovskit, otestovat jeho štípání na vzduchu a ověřit kvalitu výsledného povrchu pomocí optického mikroskopu.
  4. Připravit stejný povrch v UHV prostředí a zkoumat ho pomocí atomárně rozlišeného AFM/STM.

Literatura

  1. M. Setvin, M. Reticcioli, F. Poelzleitner, J. Hulva, M. Schmid, L. A. Boatner, C. Franchini, and U. Diebold, Science 359, 572 (2018)
  2. I. Sokolovic, M. Schmid, U. Diebold, and M. Setvin, Phys. Rev. Mater. 3, 034407 (2019)
  3. F. J. Giessibl, Rev. Sci. Instr. 90, 011101 (2019)


Interakce methanolu s povrchem epitaxních vrstev oxidu ceru o různé stechiometrii
Interaction of methanol with the surface of epitaxial layers of cerium oxide with different stoichiometry


Vedoucí: Doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr. - A125, tel. 2241, 2252, 2734, 2732

Anotace:

Oxidu ceru je velmi zajímavým materiálem pro řadu odvětví, od katalýzy po biomedicínu. Téměř všechny jeho aplikace jsou postaveny na využití náchylnosti oxidu ceru ke snadné oxidaci a redukce. Tato povrchová katalytická aktivita CeO2 souvisí s přepínáním mezi oxidačními stavy ceru Ce4+ a Ce3+ a schopností absorbovat či uvolňovat kyslík z míst blízko povrchu.

V rámci této bakalářské práce se zaměříme na studium elektronové struktury modelových tenkých epitaxních vrstev oxidu ceru při interakci s molekulami methanolu pomocí rentgenové fotoelektronové spektroskopie.

Cílem práce bude zjistit, jak interakce methanolu ovlivňuje koncentraci kyslíkových vakancí na povrchu oxidu ceru, které je doprovázeno změnami v oxidačních stavech Ce4+ a Ce3+, a jaké druhy vazeb na povrchu lze pozorovat v teplotním oboru do 700 K.

Zásady pro vypracování:

  1. Studium doporučené literatury
  2. Seznámení se s principy fotoelektronové spektroskopie a aparaturou, která bude ke studiu používána.
  3. Příprava epitaxních vrstev CeO2 s různou stechiometrií a jejich charakterizace
  4. Studium interakce methanolu s povrchy CeO2.
  5. Vyhodnocení výsledků a sepsání práce.

Literatura

  1. Catalysis by Ceria and Related Materials, A. Trovarelli, Imperial College Press, ISBN: 1-86094-299-7.
  2. D. Briggs, M.P. Seah: Practical Surface Analysis, vol. 2 - Auger and X-ray Photoelectron spectroscopy, Wiley, 1990, ISBN 0-471-92081-9
  3. Odborné články dle doporučení vedoucí práce


Svíčkové saze jako nosič katalyzátorů pro palivové články s polymerní membránou
Candle soot as a support for proton exchange membrane fuel cell catalysts


Vedoucí: Mgr. Ivan Khalakhan, Ph.D.

Anotace:

Palivové články s polymerní membránou patří mezi nejslibnější alternativní zdroje čisté energie. Nicméně, navzdory velkému potenciálu PEMFC jsou však stále daleko od komerční realizace, což je dáno především dvěma problémy: výrobními náklady a špatnou životností. Kromě velkého úsilí vynakládaného při hledání levného a účinného katalyzátoru pro PEMFC by dostatečná pozornost měla být také věnována výzkumu nosiče katalyzátoru, protože nosič může výrazně zvýšit efektivitu katalyzátoru. Hlavní požadavky na nosič katalyzátoru v PEMFC je velké specifická plocha pro zvýšení disperze katalyzátoru, vysoká vodivost elektronů pro zajištění toku elektronů z katalyzátoru na kolektor a dobrá dostupnost paliva.

Svíčkové saze, navzdory tomu že jsou známy po staletí, začaly přitahovat obrovskou pozornost vědců teprve nedávno, a to z pohledu slibných aplikací. Díky svému rychlému a jednoduchému způsobu přípravy, nízkým nákladům, vysokému povrchu, dobré vodivosti a hydrofobním vlastnostem jsou saze velmi perspektivním materiálem jako nosiče katalyzátoru v PEMFC. Tato práce bude zaměřena na přípravu a charakterizaci svíčkových sazí jako nosiče katalyzátoru pro PEMFC. Saze budou připravovány přímo z plamene svíčky, na ně bude nanesen katalyzátor pomocí metodou magnetronového naprašování. Morfologie a chemické složení vzorků budou charakterizovány pomocí elektronové mikroskopie (SEM) a fotoelektronové spektroskopie rentgenovského záření (XPS). Měření aktivity bude probíhat v palivovém článku.

Cílem práce je prozkoumat potenciální aplikaci svíčkových sazí v reálném zařízení PEMFC.

Zásady pro vypracování:

  1. Rešerše literatury.
  2. Seznámení s metodou přípravy tenkých vrstev a jednotlivými zařízeními, které budou využívány v rámci této práce.
  3. Příprava katalyzátorů magnetronovým naprašováním na saze.
  4. Studium morfologie, složení a aktivity připravených vrstev.
  5. Zpracování experimentálních dat a sepsání bakalářské práce.

Literatura:

  1. Handbook of fuel cells: Fundamentals, technology, applications, W. Vielstich, A. Lamm, H.A. Gasteiger, Wiley 2003, ISBN: 978-0-471-49926-8 ISBN:
  2. I. Khalakhan et al. Candle soot as efficient support for proton exchange membrane fuel cell catalyst. Fuel cells, 2016, 16, 652-655.
  3. M.R. Mulay et al. Candle soot: Journey from a pollutant to a functional material, Carbon, 2019, 144, 684-712.


Teplotně indukovaná rekonstrukce bimetalického katalyzátoru na bázi Pt-Cu pro palivové články
Temperature-induced restructuring of Pt-Cu bimetallic alloy catalyst for fuel cell applications


Vedoucí: Mgr. Ivan Khalakhan, Ph.D.
Konzultant: RNDr. Kateřina Veltruská, CSc. - A131, A132, tel. 2243, 2734, 2732, RNDr. Milan Dopita, Ph.D.

Anotace:

V mnoha katalytických reakcích bimetalické slitiny často vykazují vyšší aktivitu než jejich monometalické protějšky. Takové zvýšení aktivity je přičítáno modifikaci struktury katalyzátoru, což je příznivější pro interakci s reakčními meziprodukty. Mezi bimetalickými katalyzátory byly slitiny platiny s nízkonákladovými 3d přechodovými kovy úspěšně použity v palivových článcích s polymerní membránou (PEMFC).

Kontrola struktury a složení bimetalických katalyzátorů umožňuje ladění jejich katalytické aktivity k vybrané reakci. Toho lze dosáhnout jejich tepelným žíháním. Lepší pochopení teplotně závislé dynamiky struktury bimetalického katalyzátoru je předpokladem pro vývoj účinného katalyzátoru pro vodíkové palivové články.

V této práci budou katalyzátory Pt-Cu s různým složením (Pt3Cu1, Pt1Cu1, and Pt1Cu3) připraveny metodou magnetronového naprašování ze dvou jednotlivých terčů: platiny a mědi. Změny chemického složení a struktury slitin Pt-Cu v závislosti na teplotě bude charakterizován in situ pomocí rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) a rentgenové difrakce (XRD).

Cílem práce bude důkladně prozkoumat restrukturalizaci bimetalických slitin Pt-Cu vyvolaných tepelným žíháním a získat komplexní strukturální a kompoziční informace.

Zásady pro vypracování:

  1. Rešerše literatury.
  2. Seznámení s metodou přípravy tenkých vrstev a zařízeními XPS a XRD, které budou využívány v rámci této práce.
  3. Příprava katalyzátorů magnetronovým naprašováním.
  4. In situ studium chemického složení a struktury připravených vrstev v závislosti na teplotě metodami XPS a XRD.
  5. Zpracování experimentálních dat a sepsání bakalářské práce.

Literatura:

  1. Handbook of fuel cells: Fundamentals, technology, applications, W. Vielstich, A. Lamm, H.A. Gasteiger, Wiley 2003, ISBN: 978-0-471-49926-8
  2. N. Zhang, Q. Shao, X. Xiao, X. Huang. Advanced Catalysts Derived from Composition‐Segregated Platinum–Nickel Nanostructures: New Opportunities and Challenges. Adv. Funct. Mater., 29(13), 1808161.


Interakce vodní páry s bimetalickým katalyzátorem na bázi Pt-Cu
Interaction of water vapor with Pt-Cu bimetallic catalyst


Vedoucí: Mykhailo Vorokhta, Ph.D.
Konzultant: Mgr. Ivan Khalakhan, Ph.D.

Anotace:

Navrhovaná bakalářská práce bude zaměřena na studium mechanizmů chemické interakce vodní páry a bimetalického katalyzátoru na bázi Pt-Cu. Jedná se o katalyzátor s vysokým potenciálem pro použití na katodové straně vodíkového palivového článku, kde probíhá redukce kyslíku (ORR reakce) produkující vodu. A proto je velmi důležité zjistit, nedochází-li k podstatným změnám ve složení a chemickém stavu katalyzátoru Pt-Cu při jeho interakci s vodní parou v závislosti na teplotě. Tenkovrstvé katalyzátory Pt-Cu připravované metodou magnetronového naprašování se budou studovat metodou vysokotlaké rentgenové fotoelektronové spektroskopie (NAP-XPS). Jedná se o jediné zařízení tohoto typu v celé České republice, na světě jich funguje pouze několik desítek. Tato moderní povrchová analytická technika umožňuje získání kompletní informace o adsorbátech vyskytujících se na povrchu katalyzátoru a chemickém stavu povrchu katalyzátoru přímo za podmínek blízkých reálným pracovním podmínkám palivového článku. Cílem práce bude získat základní a praktické znalostí o mechanismech interakce mezi vodní parou a katalyzátorem Pt-Cu, které by v budoucnu pomohly vyvinut vysoce aktivní a stabilní ORR katalyzátor pro palivové články.

Zásady pro vypracování:

  1. Seznámit se s vysokotlakou rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (NAP-XPS).
  2. Prostudovat ty části doporučené literatury, které se týkají problematiky studované ve vypsané práci.
  3. Podílet se na přípravě tenkovrstvého katalyzátoru Pt-Cu metodou magnetronového naprašování.
  4. Studium mechanizmů interakce vodní páry a katalyzátoru Pt-Cu v závislosti na teplotě metodou NAP-XPS.
  5. Zpracování experimentálních dat a sepsání bakalářské práce.

Seznam odborné literatury

  1. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis, John Willey and Sons, Chichester, England, 1990. (Rentgenová fotoelektronová spektroskopie).
  2. M. Salmeron and R. Schlogl, Ambient pressure photoelectron spectroscopy: A new tool for surface science and nanotechnology, Surf. Sci. Rep. 63, 169–199, 2008
  3. Polymer Electrolyte Fuel Cell, editor A. A. Franco, Pan Standford Publishing, Singapore 2013.
  4. Odborné články podle doporučení vedoucího práce.


Studium chemických procesů na povrchu senzoru plynu za pracovních podmínek
Study of chemical processes on the surface of gar sensors under working conditions


Vedoucí: Mykhailo Vorokhta, Ph.D.

Anotace:

Navrhovaná bakalářská práce bude zaměřena na studium nových nanomateriálů vysoce účinných pro chemorezistivní detekci alkoholů pomocí metody vysokotlaké rentgenové fotoelektronové spektroskopie. Jedná se o jediné zařízení tohoto typu v celé České republice, na světě jich funguje pouze několik desítek. Tato moderní povrchová analytická technika umožňuje získání kompletní informace o přítomnosti adsorbátů a chemickém stavu povrchu citlivostní vrstvy, a to přímo za podmínek blízkých reálným pracovním podmínkám plynového senzoru (300 °C, vysoký tlak okolního plynu). Cílem práce bude získat základní a praktické znalosti o mechanismech interakce mezi etanolem a detekujícími materiály ve vztahu k jejich nanomorfologii a složení, které by v budoucnu pomohly vyvinut plynový senzor s vysokou citlivostí a selektivitou vůči alkoholům.

Zásady pro vypracování:

  1. Seznámit se s problematikou detekce plynů a vysokotlakou rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (NAP-XPS).
  2. Podílet se na přípravě nanostrukturovaných tenkovrstvových aktivních vrstev na bázi polovodivých oxidů kovů.
  3. Studium interakce připravených vrstev s etanolem ve vyšších tlacích metodou NAP-XPS.
  4. Vyhodnocení výsledků a sepsání práce

Seznam odborné literatury:

  1. F.G. Bănică, Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications, John Willey and Sons, Chichester, England, 2012.
  2. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis, John Willey and Sons, Chichester, England, 1990. (Rentgenová fotoelektronová spektroskopie).
  3. M. Salmeron and R. Schlogl, Ambient pressure photoelectron spectroscopy: A new tool for surface science and nanotechnology, Surf. Sci. Rep. 63, 169–199, 2008.
  4. Články v literatuře podle doporučení vedoucího.


Vplyv depozičných parametrov pri magnetónovom naprašovaní na morfológiu a účinnosť katalytickej vrstvy použitej v elektrolyzére vody
The influence of deposition parameters during magnetron sputtering on morphology and efficiency of catalytic layers used in water electrolyzers


Vedoucí: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.

Anotace:

Magnetrónové naprašovanie je jednu z najrozšírenejších a najuniverzálnejších metód depozície tenkých nanoštruktúrovaných vrstiev. Jeho výhody spočívajú predovšetkým vo variabilite depozičných rýchlostí, výbornej adhézii vrstiev, možnosti operácie pri izbovej teplote, možnosti prípravy rôznych zmesných štruktúr, ako aj schopnosti deponovať jak vodivé, tak aj nevodivé materiály. Zmenou podmienok počas depozície, typicky tlaku, privedeného výkonu, či teploty substrátu, je možné docieliť rôznej morfológie vrstvy pri jej rovnakom chemickom zložení. Cieľom práce bude zoznámiť sa s fungovovaním depozičného zariadenia obsahujúceho tri balancované magnetróny a pripraviť sériu tenkovrstvých irídiových katalyzátorov prášných pri diametrálne odlišných parametroch, pričom ich chemický stav a hrúbka bude zachovaná. Následne sa pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie bude pozorovať miera odlišnosti ich morfológie. Záverom sa vzorky s najrôznorodejšou morfológiou zmerajú v článku elektrolyzéru vody, ktorý využíva irídium, ako katalyzátor jednej zo svojích polreakcií. Ukáže sa teda, ako významne je samotná morfológia vrstvy schopná ovplyvniť účinnosť takéhoto elektrochemického zariadenia, ktoré je kľúčovým pre fungovanie vodíkového hospodárstva.

Zásady pre vypracovanie:

  1. Bibliografická rešerš.
  2. Zoznámenie sa s jednotlivými experimentálnymi metódami.
  3. Príprava série tenkovrstvových katalyzátorov pre PEMWE.
  4. Charakterizácia pripravených vzoriek a štúdium ich vlastností.
  5. Vyhodnotenie výsledkov.
  6. Spísanie bakalárskej práce.

Literatúra:

  1. M. Braun, Magnetron Sputtering Technique, Handb. Manuf. Eng. Technol., Springer (2015) 2929–2957. doi:10.1007/978-1-4471-4670-4_28.
  2. M. Carmo, D.L. Fritz, J. Mergel, D. Stolten, A comprehensive review on PEM water electrolysis, Int. J. Hydrogen Energy. 38 (2013) 4901–4934. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.


Studium modelového katalyzátoru s iridiem
Ir based model catalyst study


Vedoucí: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.
Konzultant: RNDr. Kateřina Veltruská, CSc. - A131, A132, tel. 2243, 2734, 2732

Anotace:

V souvislosti s narůstajícími počty zdrojů obnovitelné energie vzniká potřeba uskladnění přebytečné elektrické energie. Jednou z možností je přeměna elektrické energie v energii chemickou. K tomuto účelu je možné použít elektrolýzu vody v zařízení s protonově vodivou membránou (PEM-WE) za vzniku vodíku, který lze uskladnit a v budoucnu přeměnit zpět v energii elektrickou pomocí technologie palivových článků.

Ve skupině nanomateriálů již několik let probíhá výzkum naprašovaných katalyzátorů s obsahem Ir, Pt a Ru, vhodných pro PEM-WE, se snahou minimalizovat množství těchto vzácných kovů. Katalyzátory mají složitou strukturu a morfologii a je obtížné objasnit děje probíhající na jejich povrchu. K tomu slouží tzv. modelové katalyzátory – zjednodušené a velmi dobře definované systémy.

V rámci této práce budou katalytické systémy na bázi Ir a Pt či Ru deponovány v ultra vysokém vakuu a bude studována jejich vzájemná interakce, vliv teploty a přítomnosti plynů. Sledována bude zejména elektronová struktura vzniklých systémů.

Experimenty budou probíhat na aparatuře vybavené metodami fotoelektronové spektroskopie (XPS,UPS, XPD, ARUPS) a difrakcí pomalých elektronů (LEED).

Zásady pro vypracování:

  1. Studium literatury
  2. Seznámení s měřící aparaturou XPS/UPS/ISS/LEED
  3. Příprava modelových systémů na bázi Ir a Pt či Ru a jejich charakterizace metodami XPS, UPS, LEED,
  4. Studium vzájemné interakce kovů, vlivu teploty a přítomnosti plynů (kyslík, vodík, vodní páry)
  5. Zpracování dat a sepsání práce

Literatura:

  1. D. Briggs, M.P. Seah: Practical Surface Analysis, vol. 2 - Auger and X-ray Photoelectron spectroscopy, Wiley, 1990, ISBN 0-471-92081-9
  2. J. Töpler, J. Lehmann: Hydrogen and Fuel Cell, Springer, 2014, ISBN 978-3-662-44972-1
  3. časopisecká literatura po dohodě s vedoucí práce


Studium růstu Pt klastrů na epitaxních vrstvách oxidu ceru s různou stechiometrií
Study of the growth of Pt clusters on epitaxial cerium oxide films with different stoichiometry


Vedoucí: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.

Anotace:

Oxid ceru je dobře známý a široce používaný materiál díky své schopnosti snadno ukládat a následně uvolňovat kyslík [1]. Tato vlastnost ho předurčuje k využití v různých katalytických aplikacích (oxidace CO, water-gas-shift, reforming uhlovodíků …), kde slouží jako aktivní substrát pro katalyticky aktivní kovy jako jsou platina, rhodium, nikl a zlato [2, 3].

Jelikož většina metod povrchové fyziky vyžaduje elektrickou vodivost vzorků a objemový oxid ceru je izolant (band gap přibližně 6 eV), v modelových studiích se místo monokrystalického oxidu ceru používají tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru na kovech s vhodnými vlastnostmi (například Cu nebo Ru [1, 4]). Na takto připravený povrch se deponují katalyticky aktivní kovy, jejichž katalytická aktivita je podpořena přítomností oxidu ceru.

Náplní této bakalářské práce je připravit tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru s různou stechiometrií (s různým poměrem množství ceru a kyslíku v oxidu ceru). Příprava vrstev bude kontrolována pomocí metod LEED (nízkoenergetická elektronová difrakce) a XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie). Výsledné vrstvy budou zobrazeny pomocí metod STM (skenovací tunelová mikroskopie) nebo AFM (mikroskopie atomárních sil). Závěrem práce by měla být sada STM nebo AFM dat popisujících topografii povrchu „kov/oxid ceru/Pt“. Tato data budou součástí většího výzkumného projektu, jenž se zaměřuje na studium katalytické aktivity oxidu ceru v různých chemických reakcích za operando podmínek.

Zásady pro vypracování

  1. Bibliografická rešerše.
  2. Seznámení se s experimentální metodami XPS, LEED, STM a AFM.
  3. Příprava monokrystalického substrátu (například Ru(0001) nebo Cu(111)) v ultra-vysokém vakuu.
  4. Příprava epitaxních vrstev oxidu ceru s různou stechiometrií na vybraném substrátu
  5. Depozice vhodného množství Pt na připravené povrchy.
  6. Charakterizace připravených vzorků pomocí STM/AFM.
  7. Vyhodnocení výsledků.
  8. Sepsání bakalářské práce.

Seznam odborné literatury


Studium růstu Au klastrů na epitaxních vrstvách oxidu ceru s různou stechiometrií
Study of the growth of Au clusters on epitaxial cerium oxide films with different stoichiometry


Vedoucí: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.

Anotace:

Oxid ceru je dobře známý a široce používaný materiál díky své schopnosti snadno ukládat a následně uvolňovat kyslík [1]. Tato vlastnost ho předurčuje k využití v různých katalytických aplikacích (oxidace CO, water-gas-shift, reforming uhlovodíků …), kde slouží jako aktivní substrát pro katalyticky aktivní kovy jako jsou platina, rhodium, nikl a zlato [2, 3].

Jelikož většina metod povrchové fyziky vyžaduje elektrickou vodivost vzorků a objemový oxid ceru je izolant (band gap přibližně 6 eV), v modelových studiích se místo monokrystalického oxidu ceru používají tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru na kovech s vhodnými vlastnostmi (například Cu nebo Ru [1, 4]). Na takto připravený povrch se deponují katalyticky aktivní kovy, jejichž katalytická aktivita je podpořena přítomností oxidu ceru.

Náplní této bakalářské práce je připravit tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru s různou stechiometrií (s různým poměrem množství ceru a kyslíku v oxidu ceru). Příprava vrstev bude kontrolována pomocí metod LEED (nízkoenergetická elektronová difrakce) a XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie). Výsledné vrstvy budou zobrazeny pomocí metod STM (skenovací tunelová mikroskopie) nebo AFM (mikroskopie atomárních sil). Cílem práce by měla být sada dat získaných STM nebo AFM popisujících topografii povrchu „kov/oxid ceru/Au“. Tato data budou součástí většího výzkumného projektu, jenž se zaměřuje na studium katalytické aktivity oxidu ceru v různých chemických reakcích za operando podmínek.

Zásady pro vypracování

  1. Bibliografická rešerše.
  2. Seznámení se s experimentálními metodami XPS, LEED, STM a AFM.
  3. Příprava monokrystalického substrátu (například Ru(0001) nebo Cu(111)) v ultra-vysokém vakuu.
  4. Příprava epitaxních vrstev oxidu ceru s různou stechiometrií na vybraném substrátu
  5. Depozice vhodného množství Au na připravené povrchy.
  6. Charakterizace připravených vzorků pomocí STM/AFM.
  7. Vyhodnocení výsledků.
  8. Sepsání bakalářské práce.

Seznam odborné literatury


Studium růstu epitaxních vrstev oxidu ceru na povrchu Ru(0001)
Study of the epitaxial growth of cerium oxide on the Ru(0001) surface


Vedoucí: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.

Anotace:

Oxid ceru je dobře známý a široce používaný materiál díky své schopnosti snadno ukládat a následně uvolňovat kyslík [1]. Tato vlastnost ho předurčuje k využití v různých katalytických aplikacích (oxidace CO, water-gas-shift, reforming uhlovodíků …), kde slouží jako aktivní substrát pro katalyticky aktivní kovy jako jsou platina, rhodium a nikl [2, 3].

Jelikož většina metod povrchové fyziky vyžaduje elektrickou vodivost vzorků a objemový oxid ceru je izolant (band gap přibližně 6 eV), v modelových studiích se místo monokrystalického oxidu ceru používají tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru na kovech s vhodnými vlastnostmi. Jedním z takových kovů je ruthenium [4].

Náplní této bakalářské práce je připravit tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru na monokrystalu ruthenia s povrchovou orientací (0001). Příprava vrstev bude kontrolována pomocí metod LEED (nízkoenergetická elektronová difrakce) a XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie). Výsledné vrstvy budou zobrazeny pomocí metod STM (skenovací tunelová mikroskopie) nebo AFM (mikroskopie atomárních sil). Cílem práce by mělo být nalezení vhodných podmínek pro přípravu tenkých epitaxních vrstev vhodných pro další výzkum katalytické aktivity povrchů typu Ru(0001)/CeOx/kov.

Zásady pro vypracování

  1. Bibliografická rešerše.
  2. Seznámení se s experimentálními metodami XPS, LEED, STM a AFM.
  3. Příprava čistého monokrystalického povrchu Ru(0001) v ultra-vysokém vakuu.
  4. Příprava epitaxních vrstev oxidu ceru na povrchu Ru(0001).
  5. Charakterizace připravených vzorků pomocí STM/AFM.
  6. Vyhodnocení výsledků.
  7. Sepsání bakalářské práce.

Seznam odborné literatury