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En el presente trabajo de tesis doctoral se estudian y discuten algunas de las propiedades físicas más relevantes de nanomateriales basados en óxido de galio. Este material pertenece a la familia de los óxidos conductores transparentes (TCO), la mayoría de los cuales presentan propiedades idóneas para aplicaciones en diversos dispositivos como en optoelectrónica o células solares, entre otras muchas. El Ga2O3 es un semiconductor que presenta una banda de energías prohibidas o band gap muy ancha, principal propiedad por la que se le conoce y atrae la atención de los investigadores para aplicaciones tan variadas como por ejemplo fotodetectores de ultravioleta (UV) ciegos a la radiación solar o electrónica de alta potencia, entre otras. En este trabajo de tesis doctoral se estudiarán dos polimorfos del óxido de galio así como compuestos basados en el mismo, permitirá avanzar en la investigación actual de materiales de band gap muy ancho (WBG o wide band gap)...

In this PhD thesis work, the results obtained from the research on micro- and nanostructuresof zinc germanate (Zn2GeO4) are shown and discussed. This material is a wide bandgapsemiconductor, member of the transparent conducting oxide (TCO) family, which presentsseveral physical properties that make it a potential candidate for its integration in differentoptoelectronic or energy storage devices.The scope of applications of Zn2GeO4 can be extended or improved by controllingthe dimensions and morphology, as well as intrinsic defects and doping with impurities.Therefore, in this work, different synthesis or growth methods were employed in orderto achieve Zn2GeO4 structures with the desired dimensions, morphologies and physicalproperties. Thus, by means of the physical growth method of thermal evaporation, usingthe vapor-solid (VS) mechanism, both elongated Zn2GeO4 micro- and nanostructures wereobtained. This method was also used to dope the Zn2GeO4 structures by diffusion, includingthe dopant impurities during the growth stage. On the other hand, Zn2GeO4 nanocrystalswere synthesized via the chemical precipitation method...

Tesis Doctoral, Cada año el consumo de materiales metálicos se incrementa en la industria de manufactura a nivel global y, por lo tanto, se requieren procesos de conformado de mayor rapidez. Además, todas las industrias mejoran cada día los procesos tecnológicos para ahorrar energía y preservar el medio ambiente, manteniendo modelos de negocio económicamente viables. La industria del conformado superplástico tiene una serie de ventajas adicionales a la de los procesos de conformado convencionales, ya que puede operar más rápido y fabricar piezas de geometrías más complejas. Los materiales metálicos con tamaños de grano fino y con una gran desorientación cristalográfica pueden presentar una potencial superplasticidad debido a la activación del mecanismo de deslizamiento de fronteras de grano (DFG). La operación de DFG permite deformar el material mediante esfuerzos extraordinariamente bajos y obtener ductilidades muy elevadas a temperaturas intermedias y altas. Además, la reducción del tamaño de grano mejora también las propiedades mecánicas a temperatura ambiente que, según la relación Hall-Petch, consiste en la obtención de mayores resistencias cuanto menor sea el tamaño de grano. En este sentido, se ha probado que el procesado por Fricción-Agitación (FSP) es una técnica muy efectiva para el afino del grano. El FSP es fácil de usar en cualquier industria, cuenta con una herramienta que no se desgasta, puede procesar formas complejas y no es contaminante ni tóxico. Las aleaciones ligeras, principalmente las de aluminio y magnesio, son de especial interés para ser procesadas por FSP ya que han de ser ampliamente utilizadas en aplicaciones estructurales, cada vez más demandante de un mejor comportamiento en servicio, por lo que es necesario mejorar sus propiedades mecánicas para que puedan ser competitivas. En la presente tesis doctoral se han procesado por deformación plástica severa (DPS) mediante la técnica de fricción-agitación (FSP) dos aleaciones ligeras utilizadas principalmente en la industria aeronáutica y automotriz (Al 2024 y Mg WE54). El objetivo principal fue disminuir el índice calorífico (IC) al mínimo y, por lo tanto, aumentar la severidad a las condiciones más extremas para obtener microestructuras ultrafinas. El límite de procesado lo marcó el fallo del material y/o la herramienta de procesado. El IC se varió combinando distintas velocidades de rotación de la herramienta, ω (rpm) y velocidad transversal, V (mm / min). Se alcanzaron velocidades de procesado de 1000 mm / min para Mg WE54 y 1400 mm / min para Al 2024. Estos valores son 2 R E S U M E N record para estos materiales mediante FSP y no se han descrito en la bibliografía anteriormente. Para minimizar el crecimiento del tamaño de grano tras el paso de la herramienta debido al calor residual de procesado se seleccionaron dos soportes con diferentes velocidades de extracción de calor, uno de acero y uno de cobre refrigerado con nitrógeno líquido (a -60 ºC). Además, se estudió la influencia del estado de precipitación de los materiales de partida. Para ello, ambos materiales fueron tratados para obtener los estados de mínima y máxima dureza. La microestructura fue analizada principalmente por MEB, MET y EBSD, mientras que las propiedades mecánicas se analizaron en una máquina de tracción y un dispositivo de nano-indentación. El tamaño de grano nanométrico se logró en las condiciones más severas y con la extracción de calor más rápida. Modificando la microestructura mediante un severo FSP, se lograron extraordinarios afinos de grano (~ 810 nm en WE54 y ~ 100 nm en Al 2024) y, debido a esto, se alcanzó una mejora importante de las propiedades mecánicas. Principalmente, se obtuvo superplasticidad en una ventana de temperaturas amplia a alta velocidad de deformación y a temperaturas más bajas de lo habitual. A 10-2 s-1 a 300 y 400 ºC, se obtuvieron ductilidades de casi un 300 y un 500% en el Al 2024 y más de 400 y un 750% en el Mg WE54, respectivamente. En la presente investigación se encontró que las condiciones óptimas de procesado combinan el IC mínimo con una alta velocidad de extracción de calor, alcanzando así microestructuras nanométricas. El procesado por FSP en las condiciones propuestas en esta tesis facilita el conformado superplástico en condiciones altamente competitivas para la industria. Por lo tanto, es posible fabricar piezas complejas con tensiones y temperaturas más bajas y a velocidades de deformación más altas, con el consecuente ahorro económicos y energético para la industria.

Los óxidos de hierro son materiales con un gran potencial en campos como la ingeniería, medio ambiente o biomedicina. En este último, la posibilidad de construir y utilizar nanoestructuras de óxido de hierro compatibles con sistemas biológicos está aumentando en todas las principales áreas de la investigación en cardiología, neurología, y cáncer. Sin embargo, el desarrollo de tales aplicaciones también exige enfrentarse a retos importantes como es avanzar en la comprensión de las interacciones entre las nanoestructuras con distintos sistemas biológicos, destacando la adhesión y la internalización en células vivas. Dentro de las diferentes nanoestructuras, en esta tesis doctoral se han estudiado las nanopartículas (NPs) y nanohilos (NWs) de óxido de hierro y su interacción con células de tumor cerebral y de hipocampo, respectivamente. En el primer caso, se ha estudiado la capacidad de internalización de NPs con objeto de aumentar el contraste de las imágenes de resonancia magnética (MRI). En el caso de NWs, debido a la alta relación de aspecto que presentan con respecto a las NPs, pueden ser de gran utilidad en aplicaciones como guiado o manipulación celular y como dispositivos en redes neuronales. Existen estudios de la interacción de NWs con células disociadas de hipocampo donde se ha analizado su efecto en la morfología de la red. En cambio existe muy poca bibliografía a cerca del estudio de la actividad de la red neuronal en sustratos de NWs. En el caso de los NWs de óxido de hierro, por primera vez, se muestra un estudio de los cambios en la morfología y la actividad de la red del hipocampo considerando diferentes dimensiones y orientaciones de NWs. Los resultados obtenidos aportan información novedosa sobre de las interacciones NP-medio y NP-membrana celular para MRI y de cómo el uso de diferentes NWs puede afectar a las redes neuronales.

Tesis llevada a cabo para conseguir el grado de Doctor por la Universidad Complutense de Madrid.--2016-02-05.--Sobresaliente Cum Laude, [ES] Los dispositivos opto-electrónicos, tales como las células solares, las pantallas planas y los diodos LED (del inglés light emitting diodes), necesitan contactos eléctricos en la cara frontal por la que entra o sale la luz del dispositivo. Estos contactos causan pérdidas por reflexión y absorción de luz (sombra) y por resistencia eléctrica. En una primera aproximación estas pérdidas son contrapuestas, lo que mejora la sombra empeora la resistencia y viceversa. Hasta ahora esto se ha entendido como un compromiso inevitable que limita la eficiencia de conversión energética de los dispositivos opto-electrónicos: disminuir las pérdidas por resistencia eléctrica implica necesariamente aumentar las pérdidas ópticas por sombra. Esta tesis se ha encaminado a tratar de superar esta dificultad a través de la nanoestructuración de la malla de contacto frontal, con especial énfasis en el caso de las células solares de concentración. El objetivo es poder reducir simultáneamente las pérdidas por sombreado y resistencia en serie de la malla. Hemos encontrado, en base a experimentos, teoría y simulaciones, que para tamaños de linea pequeños, en el umbral del régimen de Rayleigh, pero no lo suficientemente pequeños como para que se den las resonancias plasmónicas más intensas (de tipo dipolar), los contactos hacen menos sombra de la que corresponde a su área geométrica. Se puede decir que los contactos se vuelven parcialmente invisibles. En una primera parte de introducción se ha presentado la influencia de la malla en las pérdidas por resistencia en serie producidas en la célula. Se ha analizado el peso de las distintas variables y se ha escogido la reducción del espaciado entre líneas como alternativa a desarrollar. Para no afectar a otras variables, se ha reducido acordemente la anchura de línea manteniendo el factor de sombra geométrico de las células estado del arte. Se ha calculado que para un caso ideal la ganancia puede ser de un 4% absoluto para mallas con líneas de anchura 400-600 nm distribuidas en periodos de 10-20 μm. Se ha visto como otros efectos eléctricos apuntan también a ese rango como óptimo..., La realización de esta tesis ha sido posible gracias a la financiación de los proyectos GENESIS FV (ConsoliderIngenio 2010-CSD2006-0004), NUMANCIA 2 (P2009/ ENE-1477), Nanogefes (ENE2009-14481-C02-02) y PROMESA (ENE2012-37804-C02-02) y a la concesión de un contrato para personal investigador de apoyo de la CAM, [EN] Optoelectronic devices such as solar cells, flat panes and LEDs need electrical contacts on the front surface through which light enters or leaves. These contacts cause losses due to light absorption and reflection (shadowing) and electrical resistance. To a first approximation both losses are opposed in the sense that what improves shadowing worsens resistance and viceversa. This has been understood as an unavoidable compromise that limits the final energy conversion efficiency: reducing electrical losses necessarily means increasing optical shadowing losses. This thesis has dealt with the overcoming of this limitation through the nanostructuration of the font contact grid, with special attention to the case of concentrating photovoltaics (CPV). The objective is to simultaneously reduce grid related shadowing and series resistance losses. Based on theory, computer simulations and experiments we have found that for small grid-finger dimensions, on the onset of the Rayleigh regime but not small enough for the more intense (dipolar type) plasmonic resonances to be present, the grid casts less shadow than the corresponding to the geometrical area covered. It can be said that the contacts become partially invisible. On a first introductory part, the influence of the grid on the cell series resistance related losses is presented. Based on the different weight of the parameters analyzed, the reduction of the finger spacing is chosen as the best alternative for efficiency improvement. In order not to affect other cell performance variables, the finger width has to be accordingly reduced keeping the shadowing factor of the state-of-the-art cells unchanged. Calculations made for an ideal case show that for grids made of 400-600 nm wide lines distributed with 10-20 μm period, the absolute efficiency gain can reach the 4%. There are other electrical effects that point to that width range as optimal...

A lo largo de esta tesis se han investigado las propiedades interfaciales de óxidos de metales de transición con orden ferroico usando estructuras de unión túnel La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3/ La0.7Sr0.3MnO3. Al cambiar la dirección de la polarización ferroleléctrica de la barrera túnel se produce una electroresistencia túnel superior al 1000%, lo que evidencia una fuerte asimetría en las uniones túnel LSMO/BTO/LSMO. Se ha comprobado que dicho efecto es mediado por un efecto de dopado electrónico generado por vacantes de oxígeno. Asimismo, cuando la dirección de la polarización ferroeléctrica apunta hacia abajo se ha encontrado que la magneto resistencia túnel a bajos voltajes está fuertemente deprimida como resultado de un filtrado de espín en la corriente túnel a consecuencia del momento magnético inducido en el Ti acoplado antiferromagneticamente con el momento magnético del Mn. Este efecto se desvanece cuasndo la polarización ferroeléctrica se invierte debido a un vaciamiento de carga en la interfase inferior evidenciando un fuerte acoplamiento magneto-eléctrico interfacial mediado por las vacantes de oxígeno. Nuestros resultados muestran la importancia de las vacantes de oxígeno en las interfases de la heteroestructuras de óxidos complejos, y su fuerte influencia en el transporte túnel. Se ha comprobado que es posible modificar la corriente túnel dependiente de espín usando campos eléctricos gracias al carácter ferroelectrico de la barrera túnel. Con esto se demuestra que estas propiedades interfaciales en las uniones túnel multiferroicas basadas en óxidos de metales de transición no son solo interesantes desde un punto de vista fundamental, sino que también pueden ser de gran utilidad a la hora de diseñar nuevos dispositivos funcionales en el campo de la espintrónica

El objetivo principal de esta tesis doctoral es la obtención de nuevos materiales elastoméricos que presentan un efecto de memoria de forma estimulado térmicamente. Para ello, se han utilizado redes mixtas que combinan en una misma matriz de caucho interacciones iónicas y entrecruzamientos covalentes. Las interacciones iónicas serán las encargadas de fijar la forma temporal gracias a su carácter reversible con la temperatura, mientras que los enlaces covalentes serán los responsables de la recuperación de la forma original. Así pues, por primera vez se utilizará una transición iónica como la transición térmica reversible que activa el efecto de memoria de forma en elastómeros, preservando la naturaleza elástica de estos materiales tanto en la forma original como en la temporal. Inicialmente, la complejidad estructural y dinámica de estos materiales inteligentes hace necesario el estudio en profundidad de las redes por separado, es decir, por una parte la matriz entrecruzada de manera covalente y por otra, con interacciones iónicas. Por ello, en esta tesis doctoral se exponen en primer lugar estos materiales de manera individual, para luego estudiar la combinación de ambos sistemas de vulcanización y finalizar con la investigación de las propiedades de memoria de forma de las muestras. Por último, se comprobó de manera adicional que estos materiales presentan un efecto de memoria de temperatura, que permite modular el efecto de memoria de forma a diferentes temperaturas sin modificar químicamente estos elastómeros. Por tanto, los resultados obtenidos confirman la versatilidad de estos cauchos como materiales inteligentes, teniendo en cuenta que además su preparación es muy sencilla y libre de disolventes, muestran propiedades mecánicas excelentes y son materiales potencialmente reciclables. ABSTRACT. The main purpose in this PhD is the development of new elastomeric materials that present thermally stimulated shape memory effect. Mixed networks have been used combining ionic interactions and covalent cross-links in a same rubber matrix. Ionic interactions will be responsible of the temporal fixation due to their thermo-reversible behaviour, whereas covalent bonds will recover the original shape. For the first time, an ionic transition will be the reversible thermal transition that activates the shape memory effect in elastomers, preserving the elastic nature of these materials both in the original and the temporal shape. Initially, the complex structure and dynamics of these smart materials makes necessary a deep study of the individual networks, i.e., on the one hand, the matrix with covalent cross-links and on the other hand, with ionic interactions. For this reason, firstly the individual materials will be exposed, later the combination of both vulcanization systems and finally the investigation of shape memory properties of the previous samples. Additionally, a temperature memory effect was demonstrated in these materials, allowing the modulation of the shape memory effect at different temperatures without modifying chemically these elastomers. Therefore, the obtained results confirm the versatility of these rubbers as smart materials with a very easy and solvent-free preparation, excellent mechanical properties and potential recycling.

En esta tesis hemos investigado cómo mejorar el control sobre el tamaño, la forma y la orientación de las nanopartículas (NPs) producidas por deposito por láser pulsado (PLD) a través de procesos de recocido y de irradiación con pulsos láser ultracortos, así como la aplicación de las nanoestructuras de Ag producidas como sustratos SERS y como elementos para atrapar la luz en células solares con el objetivo de mejorar sus eficiencia. El tamaño de las NPs aumenta y su forma en el plano se hace más alargada con el contenido de Ag y, una vez superado el umbral de percolación, la Ag forma una lámina casi continua. La respuesta óptica de las nanoestructuras, la resonancia del plasmón superficial (SPR), depende de la morfología del las NPs. Estos primeros experimentos, nos han permitido observar que con el PLD es complicado fabricar NPs de tamaño mayor de 50 nm y con una determinada forma y orientación en el plano. Las NPs expuestas a la atmósfera se deterioran con el tiempo. Hemos relacionado este resultado con la reacción de la Ag con algunos elementos atmosféricos (O, S y N), lo que provoca la progresiva desaparición del SPR. Es posible mejorar la estabilidad de las nanoestructuras cubriendo las NPs con una capa de oxido de aluminio amorfo (a-Al2O3). No obstante, el proceso de recubrimiento provoca la perdida de Ag. Este efecto se atribuye al proceso de arranque de Ag inducido por los iones energéticos de Al en el plasma del Al2O3. Posteriormente, hemos investigado como producir NPs de tamaño mayor que el alcanzable por PLD. Para ello hemos sometido las láminas percoladas a recocidos térmicos en vacío y aire. En ambos casos las láminas casi continuas se transforman en una capa de NPs cuyo tamaño puede alcanzar los 200 nm. El recocido en vacío induce la formación de NPs con forma irregular y alargadas, mientras que el recocido en aire genera NPs con forma esferoidal. Estas NPs son más resistentes al bombardeo iónico y dispersan la luz de forma significativa, una propiedad necesaria para sus aplicaciones en células fotovoltaicas. El recocido permite formar NPs grandes, pero no permite controlar la forma o la orientación. Para alcanzar dicho objetivo hemos utilizado la irradiación láser de NPs embebidas en a-Al2O3. Las irradiaciones llevadas acabo con un solo pulso de ns transforman las NPs alargadas y densas en una capa de NPs separadas y con forma circular en el plano, mientras que las irradiaciones con cientos de pulsos de fs inducen la formación de NPs alargadas y orientadas paralelamente a la polarización del láser. En el caso de pulsos de ns, la SPR aparece a longitudes de onda menores, su intensidad aumenta y el ancho disminuye con respecto al caso de la nanoestructura sin irradiar, mientras que para pulsos de fs, las nanoestructuras desarrollan una respuesta óptica dicroica. La utilización de las nanoestructuras fabricadas como detectores moleculares ha permitido demostrar que la intensificación de la señal Raman es mayor en el caso de nanoestructuras que contienen NPs de tamaño entre 20-30 nm separadas por distancias del mismo orden que la longitud de la molécula. Además hemos demostrado que la señal no depende de la concentración de la molécula, mientras que sí depende de la distancia entre la molécula y la superficie de una nanopartícula. Se presentan los primeros resultados obtenidos al incorporar las nanoestructuras fabricadas en células solares de calcopirita. Hemos estudiado dos configuraciones para conseguir efectos de atrapamiento de luz y hemos demostrado que la más prometedora es aquélla que se basa en que las NPs actúen como centros dispersores de luz. La incorporación de la nanoestructuras no compromete el proceso de depósito de la capa absorbente y la célula sigue siendo funcional. No obstante, no hemos evidenciado ninguna mejora en el dispositivo lo cual ha sido relacionado a una menor eficiencia de colección de los portadores de cargas fotogenerados en la célula donde se han incorporado las NPs.

Las fotovoltaica terrestre demanda a día de hoy mejoras en la eficiencia junto con una sustancial reducción de los costes. En ese sentido el Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) está recibiendo gran atención como absorbente en células solares de lámina delgada debido a las altas eficiencias obtenidas. Sin embargo existen otras alternativas al CIGS dentro de los compuestos tipo CuInSe2 (CIS), como el Cu(In,Al)Se2 (CIAS) con interesantes ventajas: el aluminio es un metal más barato que el galio, su incorporación produce menos desorden en la red calcopirita, permite un amplio ajuste de la energía del gap (1.0-Eg(eV)-2.7), etc. Debido al bajo desarrollo experimental enfocado en el compuesto CIAS y a su prometedor funcionamiento como absorbente, este material ha sido estudiado en profundidad en el presente trabajo. Los objetivos principales en este estudio han consistido en la optimización tanto del proceso de preparación como de las características de las películas delgadas de la calcopirita CIAS (con 0.0-x -0.4 y espesores de 1 m). La preparación ha sido realizada mediante un proceso secuencial en dos etapas. La primera consiste en la evaporación de un apilamiento metálico sobre vidrio desnudo o recubierto de Mo. Este proceso se materializa en un único sistema de depósito mediante la evaporación por haz de electrones y/o la evaporación térmica. En la segunda etapa se colocan en una caja parcialmente cerrada las capas precursoras junto con el selenio elemental, que se introduce en un horno a diferentes temperaturas bajo un flujo de Ar constante. Partiendo de los conocimientos previos adquiridos en nuestro laboratorio en la preparación de absorbentes CIGS, se decidió establecer ciertas variables ya optimizadas en estudios anteriores y limitar la influencia de ciertos parámetros específicos en la formación del CIAS. La caracterización óptica, estructural, morfológica y eléctrica realizada ha permitido relacionar las propiedades del compuesto con los parámetros experimentales determinados. Se ha observado así que la posición en la que el Al es evaporado dentro de la secuencia precursora determina la distribución final de este elemento en el perfil de composición de las muestras selenizadas, encontrando que la secuencia con Al como última capa precursora lleva a la formación de compuestos CIAS monofásicos con distribución homogénea de las proporciones atómicas de los metales, mientras que la evaporación del Al en una posición más interna promueve la formación de multifases con varios contenidos en Al. Por otro lado, la proporción del Cu ha aparecido como un parámetro crucial respecto a la formación de CIAS monofásicos, puesto que ésta sólo tiene lugar para un preciso ajuste de 1.2Cu/In1.5. Una menor proporción no permite una incorporación efectiva del Al en la red calcopirita, y una proporción mayor promueve la persistencia de fases secundarias de CuSe, empeorando el comportamiento de la capa. Respecto a la temperatura de selenización, se ha encontrado que la formación del CIAS comienza a 500 grados C, aunque es necesario alcanzar el rango 520-540grados C para obtener CIAS monofáisco. En relación al sustrato, la incorporación del Mo como contacto trasero entre el absorbente y el vidrio produce cambios significativos en el proceso de selenización, que depende de la reactividad y permeabilidad al Se de la capa de Mo. Una capa de Mo con una estructura predominante tipo fcc modifica ligeramente la ruta de formación del CIAS, mientras que un sustrato de Mo con una marcada estructura bcc consume el Se presente en la muestra durante la formación del MoSe2, dificultando la formación del CIAS. Este comportamiento puede ser prevenido usando una intercapa de Al entre el Mo y el absorbente, limitando el consumo de Se y promoviendo una incorporación de Al efectiva. Finalmente las películas de CIAS han sido probadas como absorbentes en heterouniones, mostrando actividad fotovoltaica con resultados prometedores.

The field of transition metal oxide (TMOs) is expanding rapidly in recent years, due to the large variety of solid state phases (superconducting, ferromagnetic, multiferroic, metallic, insulating, etc.) coexisting or competing in rich phase diagrams with very similar characteristic energies [1–5]. The discovery of both, high critical temperature superconductors (HTS) [6,7] and colossal magnetoresistance (CMR) materials [4,8], has opened exciting avenues towards potential applications in nanoelectronics and spintronics. In particular, epitaxial thin-film properties of oxide heterostructures are being intensely investigated, because of the novel and interesting properties related with the interfaces phenomena [9,10]. Nevertheless, the hardness, high growth temperature and complex chemistry make nanostructuring processes intrinsically difficult in oxides, what has converted the design of oxide-based nanodevices in a big challenge. The filling of this gap is one of the purposes of this P.h.D. thesis work. Special attention will be paid to the effect of nanostructuring in modifying specific bulk properties of the material when its dimensions are reduced to make them comparable to the specific characteristic lengths of the physical phenomena under study. Different hybrid heterostructures were explored throughout this thesis work. The development of new strategies of TMOs nanofabrication, which preserves all the pristine material properties, provided the possibility to investigate a wide range of novel effects at the range of characteristic length scale of the phenomena. All the experiments highlighted the key role played by complex oxides interfaces. We aim at, designing and engineering a new class of spintronics nanodevices based on complex transition metal oxides. In particular we will examine novel hybrid organic/oxide and superconductor/ferromagnetic planar nanostructures...

En esta tesis se han estudiado varios efectos en el estado mixto de superconductores, cuando están en el régimen mesoscópico. Es decir, cuando el superconductor esta nanoestructurado con tamaños comparables a las longitudes físicas características del superconductor: la longitud coherente y la longitud de penetración. Se han utilizado dos tipos de superconductores y dos modos de introducir la nanoestructuración. Se han utilizado monocristales superconductores laminares, que están nanoestructurados en sí mismos; y películas delgadas superconductoras, en las que se han introducido artificialmente patrones de defectos no superconductores de los tamaños adecuados para poder tener efectos mesoscópicos. Para esto último se han crecido y nanoestructurado películas superconductoras mediante diversas técnicas de micro y nanofabricación (como pulverización catódica, litografía por haz de electrones, litografía óptica o ataque por iones reactivos) con el fin de generar potenciales artificiales de anclaje de vórtices. De esta manera se han estudiado diversos fenómenos de competencia entre superconductividad, magnetismo, geometría y longitudes características. Se ha estudiado la dinámica de vórtices mediante medidas de transporte eléctrico a bajas temperaturas y altos campos magnéticos. Para ello se ha usado un criostato de helio líquido de flujo continuo que permite variar la temperatura de la muestra entre 1.3 K y 300 K, con una bobina superconductora con capacidad de aplicar un campo magnético de 9T; un sistema de recuperación y licuefacción del helio; y un licuefactor de nitrógeno..

Uno de los ternas de investigación que mayor interés despierta entre los materiales magnéticos es el estudio de los materiales de baja dimensionalidad. Estos materiales no solo resultan interesantes por sus potenciales aplicaciones tecnológicas sino también por la posibilidad de estudiar nuevos fenómenos físicos que sólo se muestran a escala muy pequeña. La tecnología de fabricación actual permite fabricar nuevos materiales con dimensiones en la escala nanométrica lo que ha hecho surgir nuevas aplicaciones en diversas áreas. El trabajo que se presenta a continuación está relacionado con dos de ellas: los dispositivos magnéticos y la biomedicina. Las técnicas de fabricación de materiales nanoestructurados son muy variadas pudiendo ser tanto físicas como químicas. En el caso de las nanopartículas magnéticas, las técnicas químicas son muy utilizadas en general ya que se puede obtener gran cantidad de material y resultan rnás económicas. Las técnicas físicas, por su parte, permiten la producción de una menor cantidad de material pero pueden trabajar con una amplia variedad de composiciones y permiten un gran control sobre la estructura. La combinación de técnicas de lámina delgada, junto con litografía óptica o electrónica, es un ejemplo de estas últimas. Gracias a ellas se han podido fabricar nanoestructuras complejas como los antiferromagnéticos sintéticos, materiales con varias capas magnéticas que interaccionan magnetostáticamente y que permiten diferentes estados de imanación en ausencia de campo aplicado. Estructuras como éstas son interesantes en áreas como dispositivos magnéticos o biomedicina, en las que sus propiedades pueden dar lugar a nuevas aplicaciones. En este trabajo se plantea el estudio de nanoestructuras magnéticas multicapa con una geometría tal que favorece la presencia de diferentes estados magnéticos en la remanencia. Estas estructuras están orientadas hacia su aplicación en dispositivos magnéticos y tecnología biomédica. El material magnético estudiado ha sido una aleación de FeCo por su gran imanación de cara a favorecer sus posibles aplicaciones. La primera parte del trabajo se centra en la fabricación de láminas delgadas de este material y su caracterización...

En esta Tesis Doctoral se demuestra, en primer lugar, la existencia de efectos catalíticos inducidos por láser en procesos de captura electrónica disociativa para las moléculas SF6, acrilonitrilo o 2-propenenitrilo (ACN) y CH3I adsorbidas en Ba y ACN adsorbida en Cu policristalino, detectándose como productos SF−5 y SF−6 para SF6/Ba, CN− para ACN/Ba y ACN/Cu y I− para CH3I/Ba. Para el sistema ACN/Cu, la medida del cociente CN−/e− en función de la longitud de onda del láser, demostró la selectividad vibracional del proceso al replicar el espectro de IR del ACN en fase gaseosa desplazado 20,17 cm−1 hacia el rojo. Estos experimentos se realizaron en un sistema experimental expresamente orientado a la espectroscopía en el infrarrojo. En un segundo sistema experimental especialmente diseñado para la detección y el análisis de electrones de baja energía generados en metal mediante luz láser visible, se estudiaron por primera vez las transiciones intrabanda entre estados sp de cobre generadas mediante 2PPE en Cu(100). Como resultado se consiguió identificar y medir la posición en energía del estado de volumen X′4 con alta precisión EX′4 =2,08±0,04 eV. En este sentido se desarrolló un modelo teórico para estudiar las transiciones intrabanda cerca del estado de alta simetría X. Los ajustes del modelo ofrecieron un valor de energía por fonón de ≈5 meV...

El presente documento de tesis, titulado Contactos en células de heterouni ón de silicio , contiene el trabajo realizado para optar al grado de Doctor en Ciencias Físicas. A continuación se describen brevemente los seis capítulos y dos apéndices en los que se divide dicho documento. En el capítulo 1 se describen las células de heterounión de silicio (SHJ, por sus siglas en inglés), así como sus diferencias con respecto a las células convencionales de silicio con emisor difundido; especialmente en lo que concierne a los contactos. En el capítulo 2 se presentan las técnicas experimentales de preparación (sección 2.1) y caracterización (sección 2.2) de los materiales y dispositivos preparados y analizados durante este trabajo de tesis. En el capítulo 3 se trata el problema del contacto frontal en células de SHJ. Primero, se desarrolla un modelo para comprender los mecanimos de colección transversal de los portadores de carga en este tipo de células (secci ón 3.2). Después se presenta un segundo modelo que correlaciona los par ámetros del contacto frontal de las células de SHJ con su resistencia serie (sección 3.3). Por último, se corroboran experimentalmente las predicciones de los citados modelos (sección 3.4). En el capítulo 4 se analizan dos maneras alternativas de mejorar el contacto posterior de las células de SHJ. La primera es la aplicación de la técnica de contacto por microsinterizado láser (LFC, por sus siglas en inglés), que consiste en la realización de contactos puntuales entre absorbente y metal a través de una capa pasivante (sección 4.2). La segunda consiste en la introducción de un emisor de silicio microcristalino dopado de tipo p (sección 4.3) entre el absorbente y la capa metálica posterior, con la intención de crear un campo retrodifusor para los portadores minoritarios que alcanzan la parte posterior. En el capítulo 5 se resumen las conclusiones halladas a lo largo del trabajo y en el capítulo 6 se enumeran las posibles mejoras y experimentos que podrían realizarse en lo sucesivo. En los apéndices A y B se detallan algunos de los cálculos implicados en el modelo de la resistencia serie de la sección 3.3.

El bismuto (Bi) es un semimetal con unas propiedades electrónicas altamente interesantes, entre las que destacan su fuerte interacción espín- órbita, baja densidad de portadores, alta movilidad de éstos y una superficie de Fermi altamente anisótropa. Tanto el recorrido libre medio, como la longitud de onda de Fermi de los electrones tienen valores considerablemente altos en comparación con otros metales. Esto convierte al Bi en un material propicio para la observación de efectos de tamaño, tanto clásicos como cuánticos. Los efectos de tamaño son responsables de las peculiares propiedades de transporte y magnetotransporte del Bi con baja dimensionalidad. Tanto películas delgadas como nanohilos muestran oscilaciones en la conductividad eléctrica, el coeficiente Hall y la magnetorresistencia. Por ejemplo, debido al confinamiento de los electrones, se ha observado una transición semimetal-semiconductor en películas con espesores del orden de 30-40 nm, así como fenómenos de antilocalización débil en nanohilos. Por otro lado, los estados superficiales del Bi son fuertemente metálicos y constituyen la principal contribución de la conductividad y magnetorresistencia a baja temperatura. Además, algunos autores afirman que una película de Bi formada por una única bicapa se comportar a como un aislante topológico. Los efectos anteriormente citados suelen ser altamente sensibles a la calidad cristalina de las nanoestructuras de Bi, ya que defectos extensos y fronteras de grano actúan como centros de dispersión de electrones, reduciendo su recorrido libre medio. Dentro de las técnicas de crecimiento que permiten fabricar películas delgadas de Bi, la electrodeposición se muestra como la más adecuada por su relación calidad-precio...

El objetivo de este trabajo de doctorado consistió en la implementación de la técnica fotoacústica, una herramienta muy poderosa para determinar la difusividad térmica de los materiales. Esta tesis puede dividirse en dos secciones principales: i) el diseño del montaje, implementación y calibración, y ii) medidas de las propiedades térmicas de diferentes tipos de materiales con aplicaciones en la termoelectricidad. La mayor motivación para implementar esta técnica se basa en la importancia de las propiedades térmicas en una amplia variedad de aplicaciones desde gestión térmica en electrónica, industria espacial o medicina, hasta conversión de energía mediante el efecto termoeléctrico. La termoelectricidad consiste en la habilidad de los materiales de convertir diferencias de temperaturas en electricidad y viceversa, de modo que el calor residual podría ser recuperado y reutilizado. La eficiencia de estos materiales está directamente relacionada con la conductividad eléctrica y el coeficiente Seebeck, e inversamente relacionada con la conductividad térmica. La caracterización de la conductividad térmica es por tanto crítica para evaluar a un material como un candidato prometedor en la termoelectricidad. Además, ha sido comprobado cómo la eficiencia termoeléctrica mejora por la reducción de la conductividad térmica debida a la dispersión de fonones por el efecto del tamaño nanométrico. Por consiguiente, la determinación de las propiedades térmicas de estos materiales nanoestructurados es crucial. Para este propósito se han desarrollado métodos de calentamiento de no contacto, los cuales permiten evitar las resistencias térmicas de contacto, uno de los grandes inconvenientes de muchas de las técnicas de medida de propiedades térmicas. Las técnicas de calentamiento en modo no-contacto se basan normalmente en el fenómeno fototérmico, donde el calor es generado por una radiación incidente. En el caso de la técnica fotoacústica, una radiación incidente modulada incide en la muestra por lo que la superficie se calienta y enfría y por tanto, el aire en contacto se expande y contrae como consecuencia de este calentamiento periódico. Debido a este efecto, se crean ondas acústicas que son detectadas mediante un micrófono. La señal proveniente del micrófono se compara con la señal del láser incidente y a partir del desfase entre ambas se pueden obtener las propiedades térmicas del material mediante un modelo teórico apropiado...

The integration of functional polymers in organic electronics has attracted great interest for their potential application in photovoltaics or diodes due to their characteristics such as high chemical tenability, low temperature processing, light weight and durability, among others. The incorporation of polymers into nowadays devices, that tend towards miniaturization, rises several challenges. In general, the macroscopic properties of polymers are closely related to their structure, that is hierarchical, from the nanometer to the millimeter scale. Hence, from a fundamental viewpoint, understanding the effect of the above mentioned miniaturization in the structure and physical phenomena would provide control over the properties of the nanoscaled polymer materials, helping in the design of new potential applications. In this Thesis we have attempted to fulfill the objective of preparing binary systems formed by pairs of functional polymers or pairs of organics materials, and understanding the modification of certain polymer properties when nanostructuring them, mainly in their surfaces. For the preparation of these binary systems we employed different methodologies: direct solution blending (Chapter 3, blends of donor/acceptor organic compounds, Chapter 4, blends of semiconducting and ferroelectric polymers), bilayer structures from semiconducting/ ferroelectric polymers, prepared by sequential spin coating (Chapter 4) and nanostructuring of a ferroelectric polymer in the form of nanospheres to be incorporated in a semiconducting polymer film (Chapter 4). In Chapter 3, the conduction mechanism and the molecular dynamics on a bulk heterojunction formed by a binary blend of donor/acceptor organic compounds have been studied by dielectric spectroscopy. In Chapter 4, the modification of the ferroelectric properties in poly(vinylidene fluoride- trifluoroethylene) copolymers due to nanostructuring and to the combination with a semiconducting polymer have been addressed by Piezoresponse force microscopy. Nanostructured functional polymer surfaces were prepared by laser techniques, mainly Laser Induced Periodic Surface Structures (LIPSS). In Chapter 5, we first report on the creation of LIPSS on a model polymer: polystyrene...

El punto de partida de esta tesis es el registro de un comportamiento inusual en cristales de hematites por el que la susceptibilidad magnética a bajo campo se demuestra estar fuera de la región de Rayleigh para los campos más habituales en instrumentos comerciales. A partir de este registro, se plantea difícil proponer medidas de susceptibilidad a bajo campo para realizar separación de subfábricas magnéticas en muestras ricas en hematites. El principal objetivo de la tesis es determinar qué parámetro físico condiciona dicho comportamiento de la susceptibilidad, con la intención de establecer si es posible, un modelo matemático que sirva en la separación de subfábricas magnéticas y en la corrección por somerización de la inclinación magnética. El primer punto tratado es un análisis estadístico orientado específicamente al tratamiento de medidas de anisotropía de la susceptibilidad magnética para descartar que las variaciones sean consecuencia de una imprecisión instrumental. Para ello se ha realizado un estudio sobre la fiabilidad de los métodos estadísticos empleados en la obtención de los parámetros del elipsoide, en función del error instrumental. A continuación se plantea la dificultad adicional, en cristales de hematites, de proporcionar un valor único de forma y grado del elipsoide de anisotropía de la susceptibilidad, ya que también estos dos parámetros varían en función del campo aplicado. Una vez rechazada la hipótesis de una falta de precisión, los parámetros que se proponen como posibles causas de la variación de la susceptibilidad en función del campo magnético aplicado son: el tamaño de grano, el contenido de cationes, la estructura de las muestras, parámetros magnéticos, la anisotropía del plano basal y el movimiento de las paredes de dominio. Para determinar la influencia del tamaño de grano se han medido fracciones de polvo provenientes de una misma muestra que han sido preparadas hasta obtener especímenes de distintos tamaño de grano. Los resultados muestran, que a excepción de un espécimen con comportamiento lineal, el resto tiene un valor constante de la susceptibilidad en función del campo aplicado, por lo que el tamaño de grano no explicaría la falta de linealidad observada en la susceptibilidad en muestras de cristales naturales. Para determinar el contenido de cationes se han realizado medidas de difracción de rayos X, espectrometría de masas y microsonda. Los resultados indican que la variedad de cationes de las muestras varía dependiendo de la procedencia de las mismas, teniendo todas ellas en común el titanio. Además se puede observar, que muestras con el mismo vii viii Resumen contenido y tipo de cationes exhiben comportamientos distintos, y muestras con distinta cantidad de cationes muestran el mismo comportamiento de la susceptibilidad en cristales naturales. Por esta razón, el contenido de cationes también se descarta como posible factor condicionante del comportamiento de la susceptibilidad...