 ÚFI/Studium fyz. inženýrství/Představení oboru Fyzikální inženýrství a nanotechnologie/Podrobnější informace o oboru Fyzikální inženýrství a nanotechnologie/ Laboratoře 
Laboratoře se nacházejí v komplexu budov Fakulty strojního inženýrství Vysokého
učení technického v Brně v Žabovřeskách (obr). Výuka
teoretických předmětů, která se pro obor Fyzikální inženýrství předpokládá,
tedy může být úzce propojena s prací v laboratoři, tak aby nedocházelo
k pověstnému odtržení teorie od praxe. Studentům oboru Fyzikální inženýrství,
kteří mají zájem o práci v laboratoři, je umožněno se podílet na některém
projektu. Takoví studenti mohou navštěvovat laboratoře, kdykoli chtějí.
Přestože se laboratoř povrchů a tenkých vrstev (obr) začala
budovat již koncem 80. let minulého století, teprve v roce 2005 byla
přestavěna na laboratoř pokročilých technologií v moderním stylu. Především
byla zajištěna "bezprašnost" všech prostor. Slovem bezprašnost rozumíme při
naší úrovni čistoty množství do 100000 prachových částic do průměru
0,5 um na kubickou stopu. V těchto prostorách se nacházejí všechny
přípravné i analytické techniky, které používáme.
Aparaturu, která byla v laboratoři vybudována jako první, nazýváme Kaufman
(obr) po vynálezci širokosvazkového iontového zdroje, kterého
je v aparatuře užito hned dvakrát. Zpravidla používáme iontů argonu a dusíku
s energiemi zhruba několika stovek eV a průměr svazku je zhruba 10 cm.
V aparatuře připravujeme tenké vrstvy, jejichž vlastnosti jsou analyzovány buď
přímo ve stejné vakuové komoře (metoda optické reflektometrie), anebo v jiných
zařízeních laboratoře. V aparatuře Kaufman dosahujeme běžně tlaků zhruba 10-6
Pa pomocí kryogenní pumpy. Připravujeme zde například tenké vrstvy titanu nebo
kobaltu (nejčastěji na křemíku).
Druhou nejstarší aparaturu jsme pojmenovali Antonín (obr.) po
technikovi, který vymýšlel, vyráběl a montoval všechny nekomerční části.
Aparatura je vybavena nízkoenergiovým iontovým zdrojem (od desítek eV po 3 keV)
s průměrem svazku od 1 mm po 1 cm. Zpravidla používáme ionty argonu, dusíku
a helia. Dále je možné na povrchy nanášet atomy z tzv. efúzních cel (např.
galium). Vzniklé tenké vrstvy mohou být analyzovány pomocí hmotnostní
spektroskopie (SIMS), spektroskopie rozptýlených nízkoenergiových iontů
(ToF-LEIS), spektroskopie fotoelektronů (XPS), difrakce nízkoenergiových
elektronů (LEED), difrakce vysokoenergiových elektronů (RHEED), spektroskopie
atomů desorbovaných pomocí zvýšené teploty (TDS), rastrovací tunelovací
mikroskop v kombinaci s mikroskopem atomárních sil (AFM/STM) a elipsometrie.
Dále můžeme k analýze deponovaných vrstev využívat AFM/STM komerčního zařízení
(obr) pracujícího za atmosférických podmínek. Aby chvění
okolí neznehodnocovalo měření, byla mechanická část mikroskopu je položena na
žulový stůl, který "plave" na vzduchových polštářích. Pomocí tohoto zařízení
lze připravovat metodou lokální anodické oxidace (LAO) nanostruktury
o velikosti desítek nanometrů.
V naší laboratoři mohou najít uplatnění všichni studenti Fyzikálního
inženýrství kdykoli během celého studia:
 | | Obr. Zanícení experimentátoři |
 | | Obr. šikovní konstruktéři |
 | | Obr. i zvídaví teoretikové. |
Laboratoř laserové spektroskopie a metod holografického zobrazování
Experimentální zařízení pro laserovou spektroskopii LIBS/LIFS
Technika LIBS využívá intenzivní záření (řádově GW/cm2), vytvořené
fokusováním laserového svazku z pulzního laseru na generaci svítící mikroplasmy
(z pevných, kapalných nebo plynných vzorků) v ohniskové vzdálenosti fokusující
čočky. Složení plasmy odpovídá složení analyzovaného materiálu. Typická LIBS
plasma je generována použitím laserového svazku s energií 10-50 mJ v pulsech
s dobou trvání přibližně 10 ns. Fokusováním tohoto svazku na plochu
o velikosti ~0,01 mm2 můžeme dosáhnout elektronové hustoty od
1015 cm-3 do 1018 cm-3.
Od počátku existence LIBS až do současné doby se vyskytují velmi rozmanité
oblasti aplikací: monitorování kvality materiálů i svárů v případě kovových
konstrukcí nebo oblast monitorování životního prostředí (kapalné, plynné, tuhé
vzorky; zkoumání kontaminací v průmyslových i těžko dostupných/nebezpečných
prostředí využitím optických vláken). LIBS aparaturu lze vybudovat jako
mobilní a přizpůsobit daným aplikacím.
Pracoviště na ÚFI FSI VUT disponuje laboratorní LIBS aparaturou sestávající se
z dvou vysokovýkonných Nd:YAG pulzních laserů (Quantel Briliant B, Solar LQ
916), Ti:Sa laseru (Solar LX325), pulzního generátoru (Stanford Research System
DG535) a spektrografu s CCD detektorem (LOT Oriel MS260i).
Při řešení různých vědeckých i průmyslových zadání kromě zahraničních partnerů
(Institute of Analytical Sciences, Dortmund, Germany; University of Wales,
Swanse, UK; Applied Photonics Limited, New Yorkshire, UK; University of
L´Aquila, L´Aquila, Italy) úzce spolupracujeme i s Laboratoří atomové
spektroskopie (LAS) Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity.
Pulzní lasery umístěné na ÚFI se kromě aplikací LIBS se využívají i pro
mikroobránění - vytvoření požadovaných struktur v různých materiálech.
Příkladem těchto aplikací může být vytváření struktur povrchových deformací na
ložiskové kuličce pro výzkum EHD mazání na Ústavu konstruování.
Co se studenti naučí?
Navrhnout, zkonstruovat, podílet se na realizaci a využívat tak složité
zařízení jakým je optický tomograf pro vizualizaci nehomogenit transparentních
objektů.
Kromě speciálních výzkumných laboratoří pracují studenti také v laboratořích
určených hlavně pro výuku.
Přístroj k určení rentgenových absorpčních hran K a Rydbergovy konstanty
Měření indexu lomu hranolu ze skla BK7 Michelsonovým (Twymanovým-Greenovým (T-G)) interferometrem
Difrakce a rozdělení difrakčních jevů - stanovení velikosti kruhového otvoru a kalibrace štěrbiny pomocí Fraunhoferovy difrakce
Měření goniometrem-spektrometrem
Zařízení se využívá v rámci laboratorních cvičení ve vybraných oborech studia
k měření úhlu hranolu autokolimační metodou a bez autokolimačního dalekohledu,
k určení indexu lomu hranolu z úhlu minimální deviace k určení disperzní křivky
hranolu, k měření vlnové délky spektrálních čar difrakcí na mřížce a k určení
vzdálenosti vrypů hudebního CD nosiče pomocí difrakci světla odraženého na
periodických strukturách. Na obrázku je demonstrován rozklad světla Hg výbojky
na struktuře CD nosiče.
He-Ne laser
Student sestaví He-Ne laser, pomocí kterého demonstruje a ověřuje rozdíl mezi
spontánní a stimulovanou emisí záření, průchod světelného svazku optickým
rezonátorem laseru a určuje divergenci svazku.
Interference mikrovln - měření vlnové délky mikrovln pomocí stojatých vln
vytvořených odrazem od kovového stínítka, interferencí na planparalelní desce a v Michelsonově interferometru.
|
