Fyzika povrchů a ionizovaných prostředí

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

Charakteristika studijního oboru:
Fyzika povrchů a ionizovaných prostředí je oborem interdisciplinárního charakteru, který zahrnuje základní poznatky o pohybu neutrálních a nabitých částic ve vakuu, plynu i kondenzované fázi a o jejich interakcích s těmito prostředími, s jejich rozhraními i mezi sebou navzájem. Spojením vakuové fyziky, fyziky povrchů, fyziky laboratorního a kosmického plazmatu a fyziky tenkých vrstev poskytuje obor základ pro řadu aplikací jako jsou moderní diagnostické metody v materiálovém výzkumu, vakuové a plazmové technologie, výroba elektronických prvků, řízená termonukleární fúze nebo kosmický výzkum. Jednotlivé disciplíny mohou být studovány jak experimentálně, tak teoreticky nebo metodami počítačové fyziky. Témata diplomových prací si studenti vybírají ve shodě se zvolenými povinně volitelnými předměty studijního plánu z oblastí: vakuová fyzika, fyzika plazmatu, kosmická fyzika, fyzika povrchů a fyzika tenkých vrstev. Práce mohou mít těžiště jak v experimentu, tak v počítačovém modelování nebo i v automatizaci a kybernetizaci experimentu.

Profil absolventa studijního oboru a cíle studia:
Absolvent má široké teoretické i experimentální znalosti základů fyziky i matematiky, je odborníkem v užití pokročilých měřících metod jak hardwarových, tak i softwarových a prokazuje porozumění příslušnému matematickému aparátu včetně schopnosti ho aplikovat. Z hlediska oboru disponuje nejen hlubokými teoretickými znalostmi, ale dokáže použít řadu experimentálních technik od nanotechnologií po výzkum kosmu. Ovládá návrh a řízení vakuových systémů, použití moderních spektroskopických metod i různých typů mikroskopií a aplikace současných plazmatických technologií. Je 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 dovednosti je schopen uplatnit také v jiných oborech zaměřených jak na základní, tak aplikovaný výzkum na vysokých školách, v ústavech Akademie, ve velkých vědeckých a technologických centrech (ITER, ELI), ale i v průmyslové sféře a veřejné správě.

Cílem studia je vychovat odborníka orientujícího se v moderních experimentálních metodách, metodách matematického a počítačového modelování a ve využití počítačů k řízení a automatizaci. Absolvent s dobrým teoretickým základem širokého spektra moderních disciplín úzce navázaných na materiálový výzkum a nové technologie má perspektivu dobrého uplatnění na vysokých školách, v ústavech Akademie věd i dalších pracovištích zabývajících se fyzikou povrchů, kosmickým i materiálovým výzkumem nebo aplikujících vakuové a plazmové technologie.

Doporučený průběh studia

Předpokladem úspěšného magisterského studia tohoto oboru 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

¹ Posluchači zapisují zpravidla jeden z bloků A nebo B.

2. rok magisterského studia

¹ Posluchači zapisují zpravidla jeden z bloků A nebo B.

² Posluchači volí dvě ze čtyř přednášek podle zaměření diplomové práce.

Doporučené volitelné předměty

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce

– získání alespoň 120 kreditů

– splnění všech povinných předmětů zvoleného oboru

– splnění povinně volitelných předmětů zvoleného oboru v rozsahu alespoň 24 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

A. Společné požadavky

Student dostane jednu otázku z okruhů 1 až 3, jednu otázku z okruhů 4 a 5, a jednu otázku z okruhů 6 a 7 (odpovídající volbě tématu diplomové práce).

1. Kvantová mechanika a elektronika
Postuláty kvantové mechaniky, relace neurčitosti. Časová a bezčasová Schrödingerova rovnice, typy energetických spekter. Systémy více částic, jednočásticové přiblížení, periodický systém prvků. Přibližné metody kvantové teorie, poruchový počet (stacionární a nestacionární). Potenciálová jáma, potenciálový val, vázané stavy. Moment hybnosti (skládání momentů hybnosti) a spin (spin soustavy dvou elektronů).

2. Termodynamika a statistická fyzika
Hlavní věty termodynamické. Termodynamické potenciály. Vztah termodynamických a statistických veličin. Statistická rozdělení (mikrokanonický, kanonický a grandkanonický soubor pro klasické a kvantové systémy). Entropie ve statistické termodynamice. Aplikace termodynamiky a statistické fyziky na fyzikální systémy: ideální a neideální plyn, měrná teplota.

3. Teorie 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 elektromagnetického záření s krystalovou mřížkou. Sommerfeldův model kovu, elektronový plyn, hustota stavů, Fermiho energie. Elektronová struktura PL, pásová teorie. Vlastní a příměsové polovodiče, P-N přechod. Fotoelektrické vlastnosti polovodičů. Pohyb nosičů náboje v PL.

4. Vakuová fyzika
Kinetická teorie zředěného plynu. Transportní jevy při nízkých tlacích. Reálné plyny, tenze par, vypařování a kondenzace. Interakce plynu s pevnou látkou na jejím povrchu a v objemu. Vakuový systém a jeho parametry, teorie čerpacího procesu. Proudění plynu, režimy proudění, vakuová vodivost. Fyzikální principy metod získávání nízkých tlaků. Fyzikální principy měření nízkých tlaků, totální a parciální tlak.

5. Experimentální a počítačové metody
Metody sběru dat a řízení fyzikálních experimentů, převodníky fyzikálních veličin, základy analogového zpracování signálů. Číslicové zpracování signálů, aplikace mikroprocesorů. Potlačování šumu, lock-in detekce. Základy regulace, regulátory PID. Základy numerické matematiky (chyby numerických výpočtů, aproximace, numerická integrace, řešení algebraických a transcendentních rovnic, řešení obyčejných a parciálních diferenciálních rovnic). Počítačové modelování: částicové, spojité a hybridní. Metoda Monte Carlo, metoda molekulární dynamiky. Principy zpracování obrazu (algoritmy nízké a vysoké úrovně).

6. Fyzika plazmatu (pro zaměření Fyzika povrchů a rozhraní)
Definice, základní parametry a druhy plazmatu (vysokoteplotní a nízkoteplotní, izotermické a neizotermické). Kinetický popis plazmatu (základy kinetické teorie: Boltzmannova rovnice, rozdělovací funkce). Debyeova stínící vzdálenost. Hydrodynamický popis plazmatu (magnetohydrodynamické přiblížení, zobecněný Ohmův zákon). Srážkové procesy (typy srážek, srážkové průřezy, srážková frekvence). Ionizace, excitace, de-excitace. Záření v plazmatu. Rekombinace, reakce iontů. Chemické reakce v plazmatu. Generace plazmatu, výboje v plynech (typy výbojů). Principy termonukleární fúze, fúzní reaktor, magnetické a inerciální udržení plazmatu. Aplikace plazmatu v technologiích a laserech.

7. Fyzika tenkých vrstev a povrchů (pro zaměření Fyzika plazmatu a ionizovaných prostředí)
Povrch pevné látky: atomární čistota, krystalická struktura, jevy rekonstrukce a relaxace. Vytváření definovaných povrchů a tenkých vrstev: základní metody, mechanizmy růstu, relaxační jevy. Elektronová struktura povrchu (rozdíly mezi kovy a polovodiči, povrchové stavy, ohyb pásů), výstupní práce. Interakce částic a záření s pevnou látkou, pružný a nepružný rozptyl, difrakce. Emise elektronů a iontů, povrchová ionizace. Přehled diagnostických metod povrchů a tenkých vrstev.

B. Užší zaměření

Student dostane otázku z části 1 nebo 2 odpovídající jeho zaměření.

1. Fyzika plazmatu a ionizovaných prostředí
Kinetický popis plazmatu. Elementární procesy v plazmatu. Zákony zachování, rovnovážné stavy (Maxwellovo rozdělení), drift ve vnějších elektrických a magnetických polích, difúze a ambipolární difúze. Interakce plazmatu s vysokofrekvenčním polem, šíření a generace mikrovln. Výboje v plynech (typy a vlastnosti). Kosmické plazma a plazma ve sluneční soustavě. Interakce slunečního větru s překážkami. Vlny v plazmatu. Horké plazma, základy magneto-hydrodynamiky. Problematika fúze, magnetické nádoby, inerciální systémy, ohřev plazmatu, Lawsonovo kritérium, magnetohydrodynamické přiblížení, zobecněný Ohmův zákon. Přehled diagnostických metod (metody sondové, mikrovlnné, optické, spektroskopické). Metody měření používané v kosmickém prostoru. Základy modelování fyzikálních procesů v plazmatu (modelování objemu plazmatu–EEDF, modelování chemické kinetiky v plazmochemii, modelování interakce plazma-pevná látka, modelování ve vysokoteplotním plazmatu).

2. Fyzika povrchů a rozhraní
Ideální a reálný povrch, struktura povrchu, rekonstrukce a relaxace, povrchové stavy. Příprava čistých povrchů a tenkých vrstev – fyzikální metody. Vytváření a růst tenké vrstvy, růstové procesy, módy růstu, teoretický popis. Elektronová struktura povrchů, jevy na rozhraní povrchů dvou pevných látek, transport náboje rozhraním a tenkou vrstvou. Teorie emise elektronů a iontů. Interakce záření a částic s povrchem – excitace, rozptyl. Adsorpce molekul na povrchu, adsorpční izotermy, kinetický model adsorpce, potenciálová teorie adsorpce. Reakce na povrchu a metody založené na interakci povrchu s molekulami plynů. Diagnostické metody krystalografické struktury povrchů a tenkých vrstev (mikroskopické metody, elektronová difrakce). Diagnostické metody složení a elektronové struktury povrchů a tenkých vrstev (elektronové a iontové spektroskopie).