Search

Els transistors orgànics de capa prima són candidats prometedors per a noves aplicacions electròniques a causa de la possibilitat de fabricar dispositius electrònics orgànics a baixes temperatures sobre substrats flexibles com el plàstic o el paper. Aquesta tesi doctoral tracta del desenvolupament d'un model compacte basat en la càrrega per a la descripció del comportament capacitiu i del soroll de baixa freqüència en transistors orgànics de capa prima. A partir d'un model de corrent continu existent, es deriven expressions per a les càrregues totals en condicions d'operació quasi estàtica. Els efectes no quasistàtics es capturen mitjançant diferents mètodes, com ara l'enfocament de segmentació de canals o funcions d'escalat depenents de la freqüència de les àrees del transistor on es calculen les càrregues. El model de les càrregues totals es verifica mitjançant mesures de capacitat d'un TFT orgànic esglaonat i per simulacions numèriques de TFT orgànics en les arquitectures esglaonades i coplanars mitjançant el simulador de dispositiu Sentaurus TCAD. Els models no quasistàtics es verifiquen mitjançant mesures d'admitància depenents de la freqüència d'un transistor esglaonat i per mesures de paràmetres de dispersió de transistors coplanars i esglalonats. El model compacte s'implementa en el llenguatge de descripció de hardware Verilog-A i la simulació d'un amplificador diferencial es compara amb les mesures, amb les quals es mostra un bon acord. El model de soroll es verifica mitjançant mesures de TFT orgànics esglalonats i simulacions TCAD. El model compacte mostra en general una bona concordança i flexibilitat en general pel que fa a l'arquitectura del dispositiu (per exemple, esglaonat o coplanar) i els materials utilitzats. Los transistores orgánicos de capa fina son candidatos prometedores para nuevas aplicaciones electrónicas debido a la posibilidad de fabricar dispositivos electrónicos orgánicos a bajas temperaturas en sustratos flexibles como plástico o papel. Esta tesis doctoral trata del desarrollo de un modelo compacto basado en la carga para la descripción del comportamiento capacitivo y el ruido de baja frecuencia en transistores orgánicos de capa fina. A partir de un modelo DC existente, se desarrollan expresiones para las cargas totales en condiciones de operación cuasiestáticas. Los efectos no cuasiestáticos se capturan mediante diferentes métodos, como la aproximación de segmentación del canal o las funciones de escalado dependientes de la frecuencia de las áreas del transistor donde se calculan las cargas. El modelo para las cargas totales se verifica mediante medidas de capacitancia de un TFT orgánico escalonado y mediante simulaciones numéricas de TFT orgánicos en las arquitecturas escalonada y coplanar utilizando el simulador de dispositivo TCAD Sentaurus. Los modelos no cuasiestáticos se verifican mediante medidas de admitancia dependientes de la frecuencia de un transistor escalonado y mediante medidas de parámetros de dispersión de transistores coplanares y escalonados. El modelo compacto se implementó en el lenguaje de descripción de hardware Verilog-A y la simulación de un amplificador diferencial se compara con medidas, observándose una buena concordancia. El modelo de ruido se verifica mediante medidas de TFT orgánicos escalonados y mediante simulaciones TCAD. El modelo compacto muestra en general una buena concordancia y flexibilidad con respecto a la arquitectura del dispositivo (p. ej. escalonado o coplanar) y los materiales utilizados. Organic thin-film transistors are promising candidates for novel electronics applications due to the possibility of fabricating organic electronic devices at low temperatures on flexible substrates like plastic or paper. This doctoral thesis deals with the development of a charge-based compact model for the description of the capacitive behavior and the low-frequency noise in organic thin-film transistors. Based on an existing DC model, expressions for the total charges under quasistatic operation conditions are derived. Non-quasistatic effects are captured by different methods, such as the channel-segmentation approach or frequency-dependent scaling functions of the areas in the transistor where charges are calculated. The model for the total charges is verified by capacitance measurements of a staggered organic TFT and by numerical simulations of organic TFTs in the staggered and coplanar architectures using the device simulator Sentaurus TCAD. The non-quasistatic models are verified by frequency-dependent admittance measurements of a staggered transistor and by scattering-parameter measurements of coplanar and staggered transistors. The compact model is implemented in the hardware description language Verilog-A and the simulation of a differential amplifier is compared to measurements, which shows a good agreement. The noise model is verified by measurements of staggered organic TFTs and by TCAD simulations. The compact model shows an overall good agreement and flexibility with respect to the device architecture (e. g. staggered or coplanar) and the used materials.

Les geometries de transistors d'avui són al rang de nanòmetres d'un sol dígit. En conseqüència, les funcionalitats dels dispositius es veuen afectades negativament pels efectes de canal curt i de mecànica quàntica (SCE i QMEs). Una transició de la geometria del transistor d'efecte de camp de tipus FinFET a Gate-All-Around (GAA) FETs com FETs de nanofils cilíndrics (NW) i de nanoplaques de silici (SiNS) es preveuen en els propers nodes tecnològics per suprimir els SCE i garantir una major miniaturització del MOSFET Aquesta dissertació se centra en el modelat analític de FETs de tipus NW i SiNS de canal ultracurt.S'introdueix un concepte de dimensions de doble porta (DG) equivalent per transferir un model de potencial de DG analític a FET de NW. Un model de corrent de DG compacte es modifica aprofitant la simetria rotacional dels FET de NW. L'efecte del confinament quàntic (QC) és implementat considerant l'eixamplament addicional de la banda prohibida al càlcul d'una concentració de portadors de càrrega intrínseca efectiva i al càlcul del voltatge llindar. L'efecte de corrent túnel directe de font a drenador (DSDT) a SiNS FET ultraescalats es modela amb el nou mètode de wavelets. Aquest model calcula analíticament la probabilitat de tunelització per a cada energia de l'electró, aproximant la forma de la barrera potencial mitjançant una barrera rectangular amb una altura de barrera equivalent. A causa de la fórmula de corrent túnel de Tsu-Esaki no analíticament integrable, es presenta un mètode analític anomenat model quasi-compacte (QCM). Aquest enfocament requereix, entre altres aproximacions, una iteració de Newton i una interpolació lineal de la densitat de corrent amb efecte túnel. A més, es realitza una anàlisi criogènica de temperatura i dopatge. S'investiga la forta influència de la distància del nivell de Fermi a la font des de la vora de la banda de conducció sobre el pendent subumbral, el corrent i la reducció de la barrera induïda per drenador (DIBL). A més, es demostra i explica la fusió de dos efectes relacionats amb el pendent subumbral i el DIBL. La validesa del concepte de dimensions DG equivalents es demostra mitjançant el mesurament i les dades de simulació de TCAD Sentaurus, mentre que el mètode de wavelets es verifica mitjançant simulacions NanoMOS NEGF. Las geometrías de transistores de hoy están en el rango de nanómetros de un solo dígito. En consecuencia, las funcionalidades de los dispositivos se ven afectadas negativamente por los efectos de canal corto y de mecánica cuántica (SCE y QMEs). Una transición de la geometría del transistor de efecto de campo de tipo FinFET a Gate-All -Around (GAA) FETs tales como FETs de nanohilos cilíndricos (NW) y de nanoplacas de silicio (SiNS) se prevén en los próximos nodos tecnológicos para suprimir los SCE y garantizar una mayor miniaturización del MOSFET. Esta disertación se centra en el modelado analítico de FETs de tipo NW y SiNS de canal ultracorto. Se introduce un concepto de dimensiones de doble puerta (DG) equivalente para transferir un modelo de potencial de DG analítico a FET de NW. Un modelo de corriente de DG compacto se modifica aprovechando la simetría rotacional de los FET de NW. El efecto del confinamiento cuántico (QC) es implementado considerando el ensanchamiento adicional de la banda prohibida en el cálculo de una concentración de portadores de carga intrínseca efectiva y en el cálculo del voltaje de umbral. El efecto de corriente túnel directa de fuente a drenador (DSDT) en SiNS FET ultraescalados se modela con el nuevo método de wavelets. Este modelo calcula analíticamente la probabilidad de tunelización para cada energía del electrón aproximando la forma de la barrera de potencial mediante una barrera rectangular con una altura de barrera equivalente. Usando la fórmula de corriente túnel de Tsu-Esaki no analíticamente integrable, se presenta un método analítico denominado modelo cuasi-compacto (QCM), querequiere una iteración de Newton y una interpolación lineal de la densidad de corriente de efecto túnel. Además, se realiza un análisis criogénico en temperatura y dopaje. Se investiga la fuerte influencia del nivel de Fermi de la fuente la sobre la pendiente subumbral, la corriente y la reducción del efecto DIBL. Además, se demuestra y explica la fusión de dos efectos relacionados con la pendiente subumbral y el DIBL. La validez del concepto de dimensiones DG equivalentes se demuestra mediante datos de mediciones y de simulaciones TCAD Sentaurus, mientras que el método de wavelets se verifica mediante simulaciones NanoMOS NEGF. Today's transistor geometries are in the single-digit nanometer range. Consequently, device functionalities are negatively affected by short-channel and quantum mechanical effects (SCEs & QMEs). A transition from fin field-effect transistor (FinFET) geometry to gate-all-around (GAA) FETs such as cylindrical nanowire (NW) and silicon nanosheet (SiNS) FETs is envisioned in the upcoming technology nodes to suppress SCEs and ensure further MOSFET miniaturization. This dissertation focuses on the analytical modeling of ultrashort-channel NW and SiNS FETs. An equivalent double-gate (DG) dimensions concept is introduced to transfer an analytical DG potential model to NW FETs. A compact DG current model is modified by exploiting the rotational symmetry of NW FETs. The effect of quantum confinement (QC) is implemented by considering the additional bandgap widening in the calculation of an effective intrinsic charge carrier concentration and in the calculation of the threshold voltage. The effect of direct source-to-drain tunneling (DSDT) current in ultrascaled SiNS FETs is modeled with the new wavelet approach. This model calculates the tunneling probability analytically for each electron energy by approximating the potential barrier shape by a rectangular barrier with an equivalent barrier height. Due to the nonanalytically integrable Tsu-Esaki tunneling formula an analytical approach named quasi-compact model (QCM) is presented. This approach requires, among other approximations, a Newton iteration, and a linear interpolation of the tunneling current density. Furthermore, a cryogenic temperature and doping analysis is performed. The strong influence of the distance of the source related Fermi level from the conduction band edge on the subthreshold swing, current, and drain-induced barrier lowering (DIBL) saturation is investigated. Also, the merging of two subthreshold swing and DIBL effects is demonstrated and explained. The validity of the equivalent DG dimensions concept is proven by measurement and TCAD Sentaurus simulation data, while the wavelet approach is verified by NanoMOS NEGF simulations.

Els transistors orgànics de capa fina (TFT) són dispositius prometedors per a les pantalles flexibles de matriu activa i els conjunts de sensors, ja que poden fabricar-se a temperatures de procés relativament baixes i, per tant, no sols en vidre, sinó també en substrats polimèrics. Per a millorar el rendiment dinàmic dels dispositius i circuits TFT , una reducció agressiva de la longitud de canal provoca efectes extrínsecs en els dispositius que han de ser capturats per models compactes. Aquesta tesi presenta models analítics, basats en la física, de la degradació de la pendent subumbral, el roll-off del voltatge llindar i l'efecte DIBL en TFTs coplanars i escalonats que poden ser implementats en qualsevol model compacte de corrent continu arbitrari que estigui definit pel voltatge llindar i la pendent subumbral. Per tant, l'equació diferencial de Laplace es resol per a la geometria coplanar i escalonada aplicant la transformación Schwarz-Cristoffel. Les solucions del potencial serveixen de base per a la definició de les equacions del model. A més, es desenvolupen models compactes de les barreres Schottky dependents de la polarització en les interfícies font/semiconductor i drenador/semiconductor en els TFT coplanars i escalonats, que modelen la injecció i l'ejecció de portadors de càrrega, respectivament, com a corrent d'emissió termoiònica. Los transistores orgánicos de capa fina (TFT) son dispositivos prometedores para las pantallas flexibles de matriz activa y los conjuntos de sensores, ya que pueden fabricarse a temperaturas de proceso relativamente bajas y, por tanto, no sólo en vidrio, sino también en sustratos poliméricos. Para mejorar el rendimiento dinámico de los dispositivos y circuitos TFT, una reducción agresiva de la longitud de los canales provoca efectos extrínsecos en los dispositivos que tienen que ser capturados por modelos compactos. Esta tesis presenta modelos analíticos, basados en la física, de la degradación de la pendiente subumbral, el roll-off del voltaje umbral y el efecto DIBL en TFTs coplanares y escalonados que pueden ser implementados en cualquier modelo compacto de corriente continua arbitrario que esté definido por el voltaje umbral y la pendiente subumbral. Por lo tanto, la ecuación diferencial de Laplace se resuelve para la geometría coplanar y escalonada aplicando la transformación Schwarz-Christoffel. Las soluciones del potencial sirven de base para la definición de las ecuaciones del modelo. Además, se desarrollan modelos compactos de las barreras Schottky dependientes de la polarización en las interfaces fuente/semiconductor y drenador/semiconductor en los TFT coplanares y escalonados, que modelan la inyección y la eyección de portadores de carga, respectivamente, como corriente de emisión termoiónica Organic thin-film transistors (TFTs) are promising devices for flexible active-matrix displays and sensor arrays, since they can be fabricated at relatively low process temperatures and thus not only on glass, but also on polymeric substrates. In order to improve the dynamic TFT and circuit performance, an aggressive reduction of the channel length causes extrinsic de-vice effects that have to be captured by compact models. This dissertation presents analytical, physics-based models of the subthreshold-swing degra-dation, the thresholdvoltage roll-off and DIBL effects in coplanar and staggered TFTs that can be implemented in any arbitrary compact dc model that are defined by the threshold voltage and the subthreshold swing. Therefore, Laplace’s differential equation is solved for the coplanar and staggered geometry by applying the Schwarz-Christoffel transformation. The potential solutions serve as a basis for the definition of the model equations. Further-more, compact models of the biasdependent Schottky barriers at the source/semiconductor and drain/semiconductor interfaces in coplanar and staggered TFTs are derived, which model the charge carriers injection and ejection, respectively, as thermionic emission cur-rent. Thereby, in case of the source barrier, the Schottky barrier lowering effect due to im-age charges is captured and therefore, an analytical expression of the electric field at the source barrier is derived.

En aquesta tesis utilitzant principalment Aerosol Assited Chemical Vapor Deposition, AACVD, com a metodologia de síntesis d'òxid de tungstè nanoestructurat s'han fabricat diferents sensors de gasos. Per tal d'estudiar la millora en la selectivitat i la sensibilitat dels sensors de gasos basats en òxid de tungstè aquest s'han decorat, via AACVD, amb nanopartícules d'altres òxids metàl·lics per a crear heterojuncions per tal d'obtenir un increment en la sensibilitat electrònica, les propietats químiques del material o bé ambdues. En particular, s'han treballat en diferents sensors de nanofils d'òxid de tungstè decorats amb nanopartícules d'òxid de níquel, òxid de cobalt i òxid d'iridi resultant en sensors amb un gran increment de resposta i selectivitat cap al sulfur d'hidrogen, per a l'amoníac i per a l'òxid de nitrogen respectivament a concentracions traça. A més a més, s'han estudiat els mecanismes de reacció que tenen lloc entre les espècies d'oxigen adsorbides a la superfície del sensor quan interactua amb un gas. I també s'ha treballat en intentar controlar el potencial de superfície de les capes nanoestructurades per tal de controlar la deriva en la senyal al llarg del temps, quan el sensor està operant, a través d'un control de temperatura. En esta tesis utilizando principalmente Aerosol Assited Chemical Vapor Deposition, AACVD, como metodología de síntesis de óxido de tungsteno nanoestructurado se han fabricado diferentes sensores de gases. Para estudiar la mejora en la selectividad y la sensibilidad de los sensores de gases basados en óxido de tungsteno estos se han decorado, vía AACVD, con nanopartículas de otros óxidos metálicos para crear heterouniones para obtener un incremento en la sensibilidad electrónica, las propiedades químicas del material o bien ambas. En particular, se han trabajado en diferentes sensores de nanohilos de óxido de tungsteno decorados con nanopartículas de óxido de níquel, óxido de cobalto y óxido de iridio resultante en sensores con un gran incremento de respuesta y selectividad hacia el sulfuro de hidrógeno, para el amoníaco y para el óxido de nitrógeno respectivamente a concentraciones traza. Además, se han estudiado los mecanismos de reacción que tienen lugar entre las especies de oxígeno adsorbidas en la superficie del sensor cuando interactúa con un gas. Y también se ha trabajado en intentar controlar el potencial de superficie de las capas nanoestructuradas para controlar la deriva en la señal a lo largo del tiempo, cuando el sensor está trabajando, a través de un control de temperatura. In this thesis, using mainly Aerosol Assited Chemical Vapor Deposition, AACVD, as a synthesis methodology for nanostructured tungsten oxide, different gas sensors have been manufactured. To study the improvement in the selectivity and sensitivity of gas sensors based on tungsten oxide, they have been decorated, via AACVD, with nanoparticles of other metal oxides to create heterojunctions to obtain an increase in electronic sensitivity, in the chemical properties of the material or at the same time in both. Particularly, we have worked on different tungsten oxide nanowire sensors decorated with nanoparticles of nickel oxide, cobalt oxide and iridium oxide resulting in sensors with a large increase in response and selectivity towards hydrogen sulfide, for ammonia. and for nitrogen oxide respectively at trace concentrations. In addition, the reaction mechanisms that take place between oxygen species adsorbed on the sensor surface when it interacts with a gas have been also studied. Furthermore, efforts have been put on trying to control the surface potential of the nanostructured layers to control the drift in the signal over time, when operating the sensors, through temperature control.

Aquesta tesi està enfocada en dues línies d'investigació. La primera aborda el desenvolupament d'una metodologia basada en llum polsada per modulació de sensors químic-resistius per a l'extracció d'informació del senyal transitòri, i la segona planteja la implementació d'una xarxa sense fils de sensors (WSN) basada en tecnologia LoRa per al monitoratge de la qualitat de l'aire (AQM) i la detecció d'esdeveniments de fuita de gasos. Aquest document està estructurat en quatre capítols organitzats de la següent manera: el Capítol 1 presenta l'estat de l'art, una introducció als mecanismes de millora de l'comportament dels sensors químic-resistius, així com una introducció a la implementació de xarxes sense fils de sensors per a la monitorització de la qualitat de l'aire; el Capítol 2 està compost pels dos articles publicats relacionats amb la metodologia basada en la modulació utilitzant llum polsada per a l'extracció d'informació del senyal transitòria de sensors químic-resistius; el Capítol 3 presenta l'article publicat relacionat amb la implementació d'una WSN per a AQM; el Capítol 4 presenta les conclusions derivades dels resultats obtinguts durant el desenvolupament de el projecte de tesi i les recomanacions per al treball futur associat a la continuïtat dels principals resultats d'aquesta tesi La presente tesis está enfocada en dos líneas de investigación, La primera aborda el desarrollo de una metodología basada en luz pulsada para modulación de sensores químico-resistivos para la extracción de información de la señal transitoria; y la segunda plantea la implementación de una red inalámbrica de sensores (WSN) basada en tecnología LoRa para la monitorización de la calidad del aire (AQM) y la detección de eventos de fuga de gases. Este documento está estructurado en cuatro capítulos organizados de la siguiente forma: el Capítulo 1 presenta el estado del arte, una introducción a los mecanismos de mejora del comportamiento de los sensores químico-resistivos, así como una introducción a la implementación de redes inalámbricas de sensores para la monitorización de la calidad del aire; el Capítulo 2 está compuesto por los dos artículos publicados relacionados con la metodología basada en la modulación utilizando luz pulsada para la extracción de información de la señal transitoria de sensores químico-resistivos; el Capítulo 3 presenta el artículo publicado relacionado con la implementación de una WSN para AQM; el Capítulo 4 presenta las conclusiones derivadas de los resultados obtenidos durante el desarrollo de el proyecto de tesis y las recomendaciones para el trabajo futuro asociado a la continuidad de los principales resultados de esta tesis. The present thesis project is focused in two different yet related research lines. The first one addresses the development of a pulsed light-based chemiresistive sensor modulation methodology for transient information extraction. The second research line developed deals with the implementation of a LoRa-based portable, scalable, low-cost, and low power Wireless Sensor Network (WSN) for Air Quality Monitoring (AQM) and gas leakage events detection. This document is structured in four Chapters organized as follows: Chapter 1 presents the state of the art, an introduction to sensing performance enhancement and transient data extraction methods, as well as an introduction to the implementation of WSN for AQM; Chapter 2 is composed of the two published paper related to the pulsed light modulation methodology for transient information extraction; Chapter 3 presents the published paper related to the implementation of a LoRa-based WSN for AQM; Chapter 4 states the conclusions derived from the results obtained during this thesis project and the recommendations for the future work associated to the continuity of this thesis findings.

L'alliberament controlat de fàrmacs en llocs indicats del cos humà ha estat sempre un desafiament en aplicacions d'administració de tractaments. En aquest respecte, diferents materials porosos nanoestructurats com l'òxid de silici, l'òxid de titani i l'òxid d'alumini s'han explorat de forma continuada a causa de les seves facilitat de preparació, excel·lent biocompatibilitat i propietats físicoquímiques. Tot i que l'alliberament de fàrmacs des de les estructures esmentades ha estat estudiat prèviament, encara cal establir una explicació detallada de la cinètica de l'alliberament i dels seus mecanismes. Aquesta tesi proposa desenvolupar una metodologia per investigar l'alliberament de fàrmacs des de l'alúmina porosa nanoestructurada. Per aconseguir-ho s'han utilitzat diferents estratègies d'anodització per preparar nanoestructures poroses avançades, infiltrar-les amb fàrmacs i estudiar-ne l'alliberament controlat. Dissenyant nanoestructures amb una banda prohibida fotònica a la mateixa regió espectral que l'absorció òptica del fàrmac és possible obtenir una mesura de la quantitat de fàrmac a l'interior dels porus. A més, la regió espectral lluny de l'esmentada absorció es fa servir com a referència per compensar els canvis no relacionats amb el propi procés d'alliberament. La infiltració del fàrmac s'ha aconseguit amb el mètode de 'drop-casting' i s'ha estudiat en detall mitjançant espectroscòpia UV-Visible. L'alliberament del fàrmac s'ha estudiat en temps real mitjançant espectroscòpia de reflexió integrada en una cel·la de fluids, amb la llargada dels porus i la magnitud del flux com a variables. La cinètica s'ha explorat amb un model que demostra un alliberament des de la nanoestructura controlat per la difusió. En resum, les estructures fotòniques avançades desenvolupades en aquesta tesi estableixen un punt de partida per a l'estudi de la cinètica d'alliberament amb l'objectiu d'obtenir administracions sostingudes de fàrmacs. La descarga controlada de fármacos en lugares indicados del cuerpo humano siempre ha sido un desafío en aplicaciones de administración de tratamientos. En este respecto, diferentes materiales porosos nanoestructurados como el óxido de silicio, el óxido de titanio y el óxido de aluminio se han explorado continuadamente a causa de su facilidad de preparación, excelente biocompatibilidad y sus propiedades fisicoquímicas. Aunque la descarga de fármacos desde las mencionadas estructuras porosas ha sido estudiada previamente, se debe establecer aún una explicación detallada de la cinética de la descarga y de sus mecanismos. Esta tesis propone desarrollar una metodología para investigar la descarga de fármacos desde la alúmina porosa nanoestructurada. Para conseguirlo se han usado diferentes estrategias de anodización para preparar nanoestructuras porosas avanzadas, infiltrarlas con fármacos y estudiar su descarga controlada. Diseñando nanoestructuras con una banda prohibida fotónica en la misma región espectral que la absorción óptica del fármaco es posible obtener una medida de la cantidad de fármaco en el interior de los poros. Además, la región espectral lejos de la mencionada absorción se utiliza como referencia para compensar aquellos cambios no relacionados con el propio proceso de descarga. La infiltración del fármaco se ha conseguido con el método de 'drop-casting' y se ha estudiado en detalle mediante espectroscopía UV-Visible. La descarga del fármaco se ha estudiado en tiempo real mediante espectroscopía de reflexión integrada en una celda de fluidos, con la longitud de los poros y la magnitud del flujo como variables. La cinética se ha explorado con un modelo que demuestra una descarga desde la nanoestructura controlada por la difusión. En resumen, las estructuras porosas fotónicas avanzadas desarrolladas en esta tesis establecen un punto de partida para el estudio de la cinética de descarga con el objetivo de obtener administraciones sostenidas de fármacos. Controlled drug release at targeted sites has always been a challenging problem in therapeutic delivery approaches. In this regard, several porous nanostructured materials like silica, titania, and alumina have continuously been explored due to their ease of preparation, excellent biocompatibility, and physicochemical properties. Although the release of drug from the mentioned above structures has been previously studied, a detailed explanation of the release kinetics and their mechanisms is still yet to be established. This thesis proposes to develop a methodology to investigate the drug release from nanoporous anodic alumina. To achieve this different anodization strategies have been employed to prepare advanced nanostructures, load them with drugs and study their controlled release. By designing nanostructures with a photonic stop band in the same spectral region as the optical absorption of the drug, it is possible to obtain a measure of the amount of drug infiltrating the pores. Furthermore, the spectral region far from such absorption is used as a reference to compensate for any changes not related to the very release process. The drug infiltration has been achieved with the drop-casting method and studied thoroughly using UV-Visible spectroscopy. The drug release was studied in real-time by reflectance spectroscopy integrated in a flow cell, with the pore length and flow rate as variables. The kinetics of the drug release has been explored with a model that demonstrates a diffusion-controlled release from the nanostructures. In brief, the advanced photonic structures developed in this thesis could pave the way as a starting point in studying the drug release kinetics with the main aim of achieving a sustained drug release.

Aquesta tesi presenta equips, models i estratègies de control que han estat desenvolupats amb l'objectiu final de millorar el funcionament d'una microxarxa CC. Es proposen dues estratègies de control per a millorar l'eficiència dels convertidors CC-CC que interconnecten les unitats de potència de la microxarxa amb el bus CC. La primera estratègia, Control d'Optimització de Tensió de Bus centralitzat, administra la potència del Sistema d'Emmagatzematge d'Energia en Bateries de la microxarxa per aconseguir que la tensió del bus segueixi la referència dinàmica de tensió òptima que minimitza les pèrdues dels convertidors. La segona, Optimització en Temps Real de la Freqüència de Commutació, consisteix a operar localment cada convertidor a la seva freqüència de commutació òptima, minimitzant les seves pèrdues. A més, es proposa una nova topologia d'equilibrador actiu de bateries mitjançant un únic convertidor CC-CC i s'ha dissenyat la seva estratègia de control. El convertidor CC-CC transfereix càrrega cel·la a cel·la, emprant encaminament de potència a través d'un sistema d'interruptors controlats. L'estratègia de control de l'equalitzador aconsegueix un ràpid equilibrat del SOC evitant sobrecompensar el desequilibri. Finalment, es proposa un model simple de degradació d'una cel·la NMC amb elèctrode negatiu de grafit. El model combina la simplicitat d'un model de circuit equivalent, que explica la dinàmica ràpida de la cel·la, amb un model físic del creixement de la capa Interfase Sòlid-Electròlit (SEI), que prediu la pèrdua de capacitat i l'augment de la resistència interna a llarg termini. El model proposat quantifica la incorporació de liti al rang de liti ciclable necessària per a aconseguir els límits de OCV després de la pèrdua de liti ciclable en la reacció secundària. El model de degradació SEI pot emprar-se per a realitzar un control predictiu de bateries orientat a estendre la seva vida útil. Aquesta tesi presenta equips, models i estratègies de control que han estat desenvolupats amb l'objectiu final de millorar el funcionament d'una microxarxa CC. Es proposen dues estratègies de control per a millorar l'eficiència dels convertidors CC-CC que interconnecten les unitats de potència de la microxarxa amb el bus CC. La primera estratègia, Control d'Optimització de Tensió de Bus centralitzat, administra la potència del Sistema d'Emmagatzematge d'Energia en Bateries de la microxarxa per aconseguir que la tensió del bus segueixi la referència dinàmica de tensió òptima que minimitza les pèrdues dels convertidors. La segona, Optimització en Temps Real de la Freqüència de Commutació, consisteix a operar localment cada convertidor a la seva freqüència de commutació òptima, minimitzant les seves pèrdues. A més, es proposa una nova topologia d'equilibrador actiu de bateries mitjançant un únic convertidor CC-CC i s'ha dissenyat la seva estratègia de control. El convertidor CC-CC transfereix càrrega cel·la a cel·la, emprant encaminament de potència a través d'un sistema d'interruptors controlats. L'estratègia de control de l'equalitzador aconsegueix un ràpid equilibrat del SOC evitant sobrecompensar el desequilibri. Finalment, es proposa un model simple de degradació d'una cel·la NMC amb elèctrode negatiu de grafit. El model combina la simplicitat d'un model de circuit equivalent, que explica la dinàmica ràpida de la cel·la, amb un model físic del creixement de la capa Interfase Sòlid-Electròlit (SEI), que prediu la pèrdua de capacitat i l'augment de la resistència interna a llarg termini. El model proposat quantifica la incorporació de liti al rang de liti ciclable necessària per a aconseguir els límits de OCV després de la pèrdua de liti ciclable en la reacció secundària. El model de degradació SEI pot emprar-se per a realitzar un control predictiu de bateries orientat a estendre la seva vida útil. This dissertation presents a set of equipment, models and control strategies, that have been developed with the final goal of improving the operation of a DC microgrid. Two control strategies are proposed to improve the efficiency of the DC-DC converters that interface the microgrid’s power units with the DC bus. The first strategy is centralized Bus Voltage Optimization Control, which manages the power of the microgrid’s Battery Energy Storage System to make the bus voltage follow the optimum voltage dynamic reference that minimizes the converters’ losses. The second control strategy is Online Optimization of Switching Frequency, which consists in locally operating each converter at its optimum switching frequency, again minimizing power losses. The two proposed optimization strategies have been validated in simulations. Moreover, a new converter-based active balancing topology has been proposed and its control strategy has been designed. This equalizer topology consists of a single DC-DC converter that performs cell-to-cell charge transfer employing power routing via controlled switches. The control strategy of the equalizer has been designed to achieve rapid SOC balancing while avoiding imbalance overcompensation. Its performance has been validated in simulation. Finally, a simple degradation model of an NMC battery cell with graphite negative electrode is proposed. The model combines the simplicity of an equivalent circuit model, which explains the fast dynamics of the cell, with a physical model of the Solid-Electrolyte Interphase (SEI) layer growth process, which predicts the capacity loss and the internal resistance rise in the long term. The proposed model fine-tunes the capacity loss prediction by accounting for the incorporation of unused lithium reserves of both electrodes into the cyclable lithium range to reach the OCV limits after the side reaction has consumed cyclable lithium. The SEI degradation model can be used to perform predictive control of batteries oriented toward extending their lifetime.

El fum de tabac residual (Thirdhand smoke en anglès, THS) és una forma d'exposició passiva als residus del fum del tabac que es dipositen, envelleixen i romanen en les superfícies molt temps després de fumar. A causa de la presència ubiqua intrínseca del THS, caracteritzar l'impacte de la seva exposició sobre la salut ha esdevingut una prioritat en salut pública, particularment en poblacions vulnerables com ara els nens petits. Fins la data, l'estudi dels efectes de toxicitat derivats del THS es limita a mecanismes anticipats, estudiats mitjançant mètodes dirigits i reduccionistes. Aquesta tesi té com a objectiu ampliar el coneixement actual sobre els efectes sobre la salut derivats de l'exposició al THS utilitzant per primera vegada mètodes avançats de metabolòmica no dirigida. Per acomplir aquest objectiu, s'han utilitzat dos models de vertebrats: ratolins exposats a THS imitant l'exposició de no fumadors que conviuen amb no fumadors, i embrions de peix zebra, un model emergent per a estudiar la toxicitat durant el desenvolupament primerenc. Els resultats obtinguts demostren variacions metabòliques induïdes per l'exposició al THS, sent el metabolisme del triptòfan una de les principals vies alterades. Aquesta resposta està acompanyada amb un augment de l’estrès oxidatiu, efecte que es pot monitoritzar de forma no invasiva en orina. El humo de tabaco residual (Thirdhand smoke en inglés, THS) es una forma de exposición pasiva a los residuos del humo del tabaco que se depositan, envejecen y permanecen en las partículas y las superficies mucho tiempo después de haber fumado. Debido a la presencia ubicua del THS, caracterizar el impacto de su exposición sobre la salud se ha convertido en prioridad de salud pública, particularmente en poblaciones vulnerables, incluidos los niños pequeños. Hasta la fecha, el estudio de los efectos de toxicidad derivados del THS se limita a mecanismos conocidos, estudiados a través de métodos dirigidos y reduccionistas. Esta tesis tiene como objetivo ampliar el conocimiento actual sobre los efectos en la salud derivados de la exposición al THS usando por primera vez métodos avanzados de metabolómica no dirigida. Se han utilizado dos modelos de vertebrados para este fin: ratones expuestos a THS que imitan la exposición de no fumadores que conviven con fumadores, y embriones de pez cebra, un modelo emergente para estudiar la toxicidad durante el desarrollo temprano. Los resultados obtenidos demuestran variaciones metabólicas inducidas por la exposición al THS, siendo el metabolismo del triptófano una de las principales vías alteradas. Esta respuesta está acompañada por un incremento del estrés oxidativo, efecto que se puede monitorizar de forma no invasiva en orina Thirdhand smoke (THS) is a form of passive exposure to residues of tobacco smoke that deposits, ages and remains in fabrics, surfaces, and airborne and settled dust particles long after smoking has ceased. Due to the intrinsic ubiquitous presence of THS residues, characterizing the impact of THS exposure on health has turned into a major public health issue, particularly in vulnerable populations including young children. To date, the study of THS-derived toxicity effects is constrained to those anticipated mechanisms, studied through targeted and rather reductionist methods. This thesis aims to expand the current knowledge of the health effects derived from THS exposure by using advanced untargeted metabolomics approaches for the first time. Two vertebrate models have been used to this end: mice exposed to THS mimicking exposure of non-smokers living in smokers’ homes, and zebrafish embryos, an emerging model to study toxicity during early development. The results presented here demonstrate a THS-induced metabolic response in mice upon its exposure with the tryptophan metabolism among the top disrupted pathways. This response is compatible with increased oxidative stress, which can be monitored non-invasively in urine. The results also demonstrate that the exposure to specific THS toxicants induce embryotoxicity in an early development zebrafish model, and that this model is capable of metabolizing such toxicants indicating its suitability for THS-toxicity based assays as an alternative animal model compliant with the twenty-first century guidelines on toxicity testing.

Des del seu descobriment, l'alúmina anòdica porosa s’ha utilitzat com a recobriment protector. El descobriment de la seva estructura porosa va animar els investigadors a desenvolupar nous mètodes de fabricació d'alúmina, obtenint així geometries complexes de propietats diverses. En aquesta tesi es desenvolupen nanotubs d'alúmina anòdica (AANTs) mitjançant un procés d’anodització que es coneix com anodització per polsos. El procés consisteix a entrellaçar polsos de corrent de baixa (~6 mA/cm2) i alta (~290-390 mA/cm2) densitat. Un flux de corrent prou alt produeix un estrenyiment vertical dels porus i unions entre cel·les més febles. L'atac electroquímic selectiu i la sonicació en aigua de l'estructura resultant permeten produir col·loides de nanotubs. El primer objectiu d'aquesta tesi és una anàlisi exhaustiva del procés per comprendre millor el mecanisme de formació dels AANTs i relacionar les condicions d’anodització amb la seva geometria resultant. El segon objectiu és avaluar i optimitzar el seu postprocessat, investigant nous mètodes d'alteració de les seves propietats fisicoquímiques. L'últim objectiu és dissenyar i fabricar nanotubs i proposar les seves aplicacions. Aquest treball investiga l'evolució del perfil de l'alúmina en funció dels paràmetres d’anodització. A més, el corrent i el potencial del procés s'associen amb la geometria i les propietats dels nanotubs obtinguts: longitud, diàmetre intern i extern, potencial Z i tamany. En resum, un corrent més alt condueix a nanotubs més llargs i estrets amb menor càrrega superficial. S'avaluen i optimitzen les condicions de sonicació. Es demostra que el recuit a alta temperatura dels nanotubs té un impacte en la seva estructura cristal·lina i composició elemental. Posteriorment, els nanotubs es decoren electrostàticament amb nanopartícules magnètiques i es modifica el seu interior amb una proteïna marcada amb fluoròfor. Aquests col·loides magnètics han demostrat ser útils per a la detecció de la catepsina B, el que demostra la seva utilitat com a sensors. La anodización del aluminio tiene casi un siglo de historia. La alúmina anódica se utilizó inicialmente como recubrimiento protector, pero el desarrollo de la microscopía electrónica reveló la morfología porosa de este óxido. Este descubrimiento animó a los investigadores a desarrollar nuevos métodos de fabricación de la alúmina porosa, obteniendo así geometrías complejas con diversas propiedades. En esta tesis se desarrollan nanotubos de alúmina anódica (AANTs) a través de un proceso de anodización que se conoce como anodización por pulsos. El proceso consiste en entrelazar pulsos de corriente de baja (~ 6 mA / cm2) y alta (~ 290-390 mA / cm2) densidad. Un flujo de corriente suficientemente alto afecta a la formación de la estructura, resultando en un estrechamiento vertical de los poros y uniones entre celdas más débiles. El ataque electroquímico selectivo y la sonicación en agua de la estructura resultante permiten producir coloides de nanotubos. El primer objetivo de esta tesis es un análisis exhaustivo del proceso para comprender mejor el mecanismo de formación de los AANTs y conectar con precisión las condiciones de anodización con la geometría resultante de la estructura. El segundo objetivo es evaluar y optimizar su posprocesado, investigando nuevas posibilidades de alterar las propiedades fisicoquímicas de los AANT. El último objetivo es diseñar y fabricar nanotubos funcionales y proponer sus aplicaciones. Este trabajo investiga la evolución del perfil de anodización en función de las condiciones del proceso de anodización. Además, la corriente y el potencial del proceso se asocian con la geometría y las propiedades de los nanotubos obtenidos: longitud, diámetro interno y externo, potencial Z y dispersión de tamaño. En resumen, una corriente más alta conduce a nanotubos más largos y estrechos con una carga superficial más baja. Se evalúan las condiciones de sonicación proponiendo un conjunto de parámetros más óptimo. Se demuestra que el recocido a alta temperatura de los nanotubos tiene un impacto en su estructura cristalina y composición elemental: el aumento de temperatura produce una fracción cristalina más alta y disminuye su contenido de azufre. Posteriormente, los nanotubos se decoran electrostáticamente con nanopartículas de maghemita y se modifica su interior con una proteína marcada con Most of the time since its discovery, nanoporous anodic alumina was used as a protective coating. The intrinsic property revealed by the electron microscope – porosity – encouraged researchers to investigate new methods of porous alumina fabrication, obtaining complex geometries with various properties. In this thesis, anodic alumina nanotubes (AANTs) are developed through a carefully adjusted anodization process defined as pulse anodization. The process consists of interlacing current pulses of low (~6 mA/cm2) and high (~290-390 mA/cm2) density. Sufficiently high current flow affects the formation of the structure, resulting in vertical pore narrowings and weaker cell junctions. Selective acid etching and sonication in water enables to yield colloids of nanotubes. First aim of this thesis is a thorough analysis of the process to better understand the formation mechanism of AANTs and precisely connect anodization conditions with the resultant geometry of the structure. Second goal is to evaluate and optimize post-processing investigating further possibilities to alter physio-chemical properties of AANTs. Last objective is to design and fabricate functional nanotubes and propose their applications. This work reports the evolution of the anodization profile depending on the process conditions. Further, current and potential of the process are associated with the geometry and the properties of the obtained nanotubes: length, inner and outer diameter, z-potential and size dispersity. In brief, higher current leads to longer and narrower nanotubes with lower surface charge. Sonication conditions are evaluated leading to the proposal of a more optimal set of parameters. Annealing of the nanotubes is demonstrated to impact on their crystalline structure and elemental composition: temperature increase leads to higher crystalline fraction and decrease their sulfur content. Nanotubes are later electrostatically-decorated with maghemite nanoparticles and modified inside with a fluorophore labelled protein. These magnetically responsive colloids demonstrate stimuli-responsive detection of cathepsin B, supporting its utility as a sensor.

El fum de tabac residual (thirdhand smoke en anglès, THS) és una via d'exposició a compostos tòxics de fum tabac poc estudiada fins ara. El THS es produeix per la deposició de parEcules i gasos en superFcies i pols, on es poden reemetre i/o reaccionar produint nous compostos tòxics, alguns d'ells carcinògens. Malgrat les creixents evidències, els riscos inherents a l'exposició a THS encara no s'han descrit completament. L'objecKu principal d'aquesta tesi és avançar en la caracterització química del THS i dels efectes per a la salut derivats d'aquesta exposició mitjançant l'aplicació de mètodes analíKcs dirigits i no dirigits. Aquesta tesi presenta el desenvolupament de un nou mètode analíKc per determinar simultàniament tòxics del tabac en pols domèsKca, mitjançant cromatografia líquida (UHPLC). En aquesta tesi, també s'ha desenvolupat un mètode d'anàlisi no dirigit basat en l'adquisició de mostres per UHPLC acoblada a espectrometria de masses d'alta resolució (HR-MS), amb l'aplicació d'estratègies avançades de processament de dades, la priorització estadísKca d’ions rellevants i una nova estratègia per a l'anotació de compostos. La combinació d'aquests dos mètodes va proporcionar per primera vegada l'anotació de dotzenes de tòxics relacionats amb la contaminació per THS adherits a la pols domèsKca. Pel que fa als efectes sobre la salut, presentem el primer estudi metabolòmic no dirigit en fetge de ratolins exposats a THS. L'aplicació de les tècniques UHPLC-HRMS i ressonància magnèKca nuclear (RMN) va permetre idenKficar dotzenes de metabòlits hepàKcs alterats, mentre que les imatges d'espectrometria de masses (MSI) van mostrar la distribució espacial diferencial de lípids en fetge induïda per THS. Aquests resultats confirmen els perills de l'exposició a THS i el paper clau de la introducció de noves estratègies metodològiques en la invesKgació en salut ambiental. El humo de tabaco residual (thirdhand smoke en inglés, THS) es una vía de exposición a compuestos tóxicos del humo del tabaco poco estudiada hasta la fecha. El THS se produce por la deposición de parBculas y gases en superficies y polvo, dónde se pueden reemiEr y/o reaccionar produciendo nuevos compuestos tóxicos, algunos de ellos carcinógenos. A pesar de las crecientes evidencias, los riesgos inherentes a la exposición a THS aún no se han descrito por completo. El objeEvo principal de esta tesis es avanzar en la caracterización química del THS y de los efectos para la salud derivados de esta exposición mediante la aplicación de métodos analíEcos dirigidos y no dirigidos. Esta tesis presenta el desarrollo de un nuevo método analíEco para determinar simultáneamente tóxicos del tabaco en polvo domésEco mediante cromatograMa líquida (UHPLC). En esta tesis, también se ha desarrollado un método de análisis no dirigido basado en la adquisición de muestras por UHPLC acoplada a espectrometría de masas de alta resolución (HR-MS), con la aplicación de estrategias avanzadas de procesamiento de datos, la priorización estadísEca de iones relevantes y una nueva estrategia para la anotación de compuestos. La combinación de estos dos métodos proporcionó por primera vez la anotación de docenas de tóxicos relacionados con la contaminación por THS adheridos al polvo domésEco.Respecto a los efectos sobre la salud, presentamos el primer estudio metabolómico no dirigido en hígado de ratones expuestos a THS. La aplicación de las técnicas UHPLC-HRMS y resonancia magnéEca nuclear (RMN) permiEó idenEficar docenas de metabolitos hepáEcos alterados, mientras que las imágenes de espectrometría de masas (MSI) mostraron la distribución espacial diferencial de lípidos en hígado inducida por THS. Estos resultados confirman los peligros de la exposición a THS y el papel clave de nuevos enfoques metodológicos en la invesEgación en salud ambiental. Thirdhand tobacco smoke (THS) is a novel and poorly understood pathway of tobacco exposure produced by the deposi=on and ageing of tobacco smoke par=cles and toxicants in surfaces and dust. This aged tobacco smoke could reemit into the air or react with other atmospheric chemicals to yield new toxicants, including carcinogens and becoming increasingly toxic with age. Although growing evidences of THS hazards, its chemical characteriza=on and the related health effects remain to be fully elucidated. Hence, this thesis aims to advance on the current knowledge on THS chemical characteriza=on and on the health effects derived from THS exposure by applying novel targeted and untargeted approaches. To advance on THS chemical characteriza=on, we have developed an efficient, quick and robust analy=cal method for simultaneously determining tobacco-specific compounds in household dust by ultra-highperformance liquid-chromatography coupled to tandem mass spectrometry (UHPLC-MSMS). We applied this target method in combina=on with untargeted strategies for a comprehensive characteriza=on of THS toxicants aNached to household dust. The developed untargeted workflow combines the sample acquisi=on by UHPLC coupled to high-resolu=on mass spectrometry (HR-MS) with the applica=on of advanced data processing strategies, the sta=s=cal priori=za=on of relevant features and a novel strategy for compound annota=on. The combina=on of these two approaches provided for the first =me the annota=on of dozens of toxicants related to THS contamina=on. To advance on the health effects, this thesis presents the first mul=plaQorm untargeted metabolomics study to unravel the molecular altera=ons of liver from mice exposed to THS. UHPLC-HRMS and nuclear magne=c resonance (NMR) revealed dozens of hepa=c metabolites altered in THS-exposed mice whilst mass spectrometry imaging (MSI) showed the differen=al spa=al distribu=on of lipids induced by THS. The results presented here confirm the hazards of THS exposure and the key role of combined untargeted and targeted methods in environmental health research.

La caracterització in situ de la composició molecular dels teixits biològics és indispensable en la investigació clínica, farmacèutica i forense. Les tècniques d’imatge molecular, com l’espectrometria de masses d’imatge i les imatges per espectroscòpia Raman, empren materials nanoestructurats per abordar reptes com la baixa sensibilitat, l’especificitat i la resolució lateral. L’objectiu d’aquesta tesi és dissenyar, fabricar, avaluar i aplicar un substrat nanoestructurat basat en or i silici (que denominem “AuBSi”) compatible amb aplicacions d’espectrometria de masses d’imatges per desorció/ionització per làser assistides per superfície (SALDI-MS) i espectroscòpia Raman intensificada per superfície (SERS). Els resultats demostren que el substrat AuBSi és reproduïble, fàcil de fer servir, rendible i altament fiable. Assegura una fàcil preparació de la mostra i és totalment compatible amb les dues modalitats d’imatge, cosa que permet un enfocament veritablement multimodal. Mostrem que hi ha una unificació entre els formats de dades SALDI i SERS que permet la integració completa del flux de treball de processament d’imatges i el co-registre d’imatges.. S’han provat les capacitats d’obtenció d’imatges del substrat AuBSi en diverses solucions d’estàndards, seccions histològiques de teixit animal (fetge, ronyó i cervell de ratolí) i empremtes dactilars. L’anàlisi multimodal d’empremtes dactilars va destacar les excel·lents capacitats del substrat per acoblar imatges SALDI i SERS, alhora que s’aconsegueix pal·liar les limitacions de cada tècnica. Així doncs, el substrat AuBSi desenvolupat en aquesta tesi facilita els estudis de metabolòmica in situ dirigits i/o no dirigits per a diversos camp com la investigació clínica, medioambiental, forense i farmacèutica. La caracterización in situ de la composición molecular de los tejidos biológicos es indispensable en la investigación clínica, farmacéutica y forense. Las técnicas de imagen molecular, como la espectrometría de masas de imagen y las imágenes por espectroscopia Raman, emplean materiales nanoestructurados para abordar desafíos como la baja sensibilidad, la especificidad y la resolución lateral. El objetivo de esta tesis es diseñar, fabricar, evaluar y aplicar un sustrato nanoestructurado basado en oro y silicio (que denominamos “AuBSi”) compatible con aplicaciones de espectrometría de masas de imágenes por desorción / ionización por láser asistidas por superficie (SALDI-MS) y espectroscopía Raman intensificada por superficie (SERS). Los resultados demuestran que el sustrato AuBSi es reproducible, fácil de usar, rentable y altamente confiable. Garantiza una fácil preparación de la muestra y es totalmente compatible con ambas modalidades de imagen, lo que permite un enfoque verdaderamente multimodal. Mostramos que existe una unificación entre los formatos de datos SALDI y SERS, que permite la integración completa del flujo de trabajo de procesamiento de imágenes y el coregistro de imágenes.Se han probado las capacidades de obtención de imágenes del sustrato AuBSi en varias soluciones de estándares, secciones histológicas de tejido animal (hígado, riñón y cerebro de ratón) y huellas dactilares. El análisis multimodal de huellas dactilares destacó las excelentes capacidades del sustrato para acoplar imágenes SALDI y SERS, al tiempo que se consiguen paliar las limitaciones de cada técnica. Así, el sustrato AuBSi desarrollado en esta tesis facilita los estudios de metabolómica in situ dirigidos y / o no dirigidos para diversos campos como la investigación clínica, medioambiental, forense y farmacéutica. Characterising in situ the molecular composition of biological tissues is an indispensable tool in clinical, pharmaceutical and forensic research. Imaging modalities such as mass spectrometry imaging and Raman spectroscopy imaging employ nanostructured materials for addressing challenges such as low sensitivity, specificity and lateral resolution. The aim of this thesis is to design, fabricate, evaluate and apply a gold- and silicon-based nanostructured substrate (named AuBSi) compatible with surface-assisted laser desorption/ionization (SALDI) and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) imaging applications. Results demonstrate that the AuBSi substrate is reproducible, user-friendly, cost effective and highly reliable. It ensures easy sample preparation and is fully compatible with both imaging modalities, enabling a genuine multimodal approach. We show that there is a unification between SALDI and SERS data formats that allows the full integration of the image processing workflow and the straightforward coregistration of images. We tested the imaging capabilities of the AuBSi on several standard solutions, animal tissue sections (mouse liver, kidney and brain) and fingerprints. The multimodal analysis of fingerprints highlighted the excellent capabilities of the substrate to couple SALDI and SERS imaging, while dealing with the challenges of each technique. Thus, the AuBSi substrate developed in this thesis facilitates targeted and/or untargeted in situ metabolomics studies for various fields such as clinical, environmental, forensics, and pharmaceutical research.

S'ha demostrat que les propietats òptiques de l'alúmina nanoporosa depenen intrínsecament de la seva arquitectura, el que fa possible modular la seva índex de refracció per fabricar materials avançats amb propietats òptiques úniques com les estructures fotòniques. Aquesta tesi té com a objectiu principal, la fabricació d'estructures fotòniques basades en Alúmina nanoporosa. Les estructures Fotonicas van ser fabricades amb alúmina nanoporosa (NAA-PSS) mitjançant l'anodització d'alumini amb diferents perfils de anodització (sinusoïdal i gaussià) així com la fabricació de microcavitats òptiques. Es van estudiar les seves propietats òptiques i la seva influència quan la mida de porus és més gran. Un cop fabricades i caracteritzades, les NAA-PSS van ser avaluades com a plataformes per desenvolupar sensors òptics mitjançant la tècnica d'espectroscòpia interferomètrica reflectant (rifs). Les estructures van ser analitzades utilitzant diferents concentracions de glucosa, solucions d'alcohols i clorur de sodi. Es van provar amb diferents mides de porus així com amb diferents tipus d'estructures modificant els paràmetres de fabricació. Amb els resultats obtinguts en aquesta tesi doctoral, es va demostrar que les estructures Fotonicas basada en alúmina nanoporosa tenen la capacitat de ser usades com una plataforma amb potencial per desenvolupar sensors òptics. Se ha demostrado que las propiedades ópticas de la alúmina nanoporosa dependen intrínsecamente de su arquitectura, lo que hace posible modular su indice de refracción para fabricar materiales avanzados con propiedades ópticas únicas como las estructuras fotónicas. Esta tesis tiene como objetivo principal, la fabricación de estructuras fotónicas basadas en Alúmina Nanoporosa. Las estructuras fotonicas fueron fabricadas con alúmina nanoporosa (NAA-PSs) mediante la anodización de aluminio con diferentes perfiles de anodización (sinusoidal y gaussiano) así como la fabricación de microcavidades ópticas. Se estudiaron sus propiedades ópticas y su influencia cuando el tamaño de poro es mayor. Una vez fabricadas y caracterizadas, las NAA-PSs fueron evaluadas como plataformas para desarrollar sensores ópticos mediante la técnica de espectroscopia interferométrica reflectante (RIfs). Las estructuras fueron analizadas usando diferentes concentraciones de glucosa, soluciones de alcoholes y cloruro de sodio. Se probaron con diferentes tamaños de poro así como con diferentes tipos de estructuras modificando los parámetros de fabricación. Con los resultados obtenidos en esta tesis doctoral, se demostró que las estructuras fotonicas basada en alúmina nanoporosa tienen la capacidad de ser usadas como una plataforma con potencial para desarrollar sensores ópticos. The optical properties of nanoporous alumina have been shown to be intrinsically dependent upon its architecture, making it possible to modulate its refractive index to fabricate advanced materials with unique optical properties such as photonic structures. This thesis has as its main objective, the manufacture of photonic structures based on Nanoporous Alumina. The photonic structures were fabricated with nanoporous alumina (NAA-PSs) by anodizing aluminum with different anodizing profiles (sinusoidal and Gaussian) as well as the fabrication of optical microcavities. Its optical properties and its influence when the pore size is larger were studied. Once manufactured and characterized, the NAA-PSs were evaluated as platforms to develop optical sensors using the reflective interferometric spectroscopy (RIfs) technique. The structures were analyzed using different concentrations of D-glucose, alcohol solutions and sodium chloride. They were tested with different pore sizes as well as with different types of structures by modifying the fabrication parameters. With the obtained results in this doctoral thesis, iwas demonstrated that photonic structures based on nanoporous alumina have the ability to be used as a potential platform to develop optical sensors.

En aquesta tesi es planteja fabricar una cel·la solar nano-estructurada de perovskita utilitzant alúmina nano-porosa anoditzada (NAA en les seves sigles en anglès) com a suport. Es va escollir la perovskita perquè les cel·les solars d'aquest material han assolit una eficiència molt similar a les cel·les existents de silici. A més a més, són barates i fàcils de preparar. El fet que la cel·la estigui nano-estructurada aportarà estabilitat davant la radiació, la temperatura i la humitat, sent aquest el principal problema d'aquests dispositius. Els nano-porus de la NAA tenen una forma cilíndrica molt ben definida on la grandària es pot controlar fàcilment sent tots els nano-porus iguals, el qual permetrà un major control sobre l'homogeneïtat del material infiltrat. Per tant l'objectiu de la tesi és aplicar la tecnologia de NAA a les cel·les solars de perovskita (CSP). Per això, primer va tenir lloc un procés de familiarització amb la fabricació i caracterització de NAA, així com dels CPSs d'alta eficiència, mitjançant mètodes estàndards coneguts. Un cop es va aconseguir la fabricació de NAA amb diferents mides de porus, la capa barrera d'alúmina que existeix entre l'alumini i el fons del porus va haver de ser eliminada, per poder aprofitar l'alumini (base de la NAA) com a contacte elèctric. Pel qual es va investigar i desenvolupar un nou mètode, ja que els mètodes existents no són adequats per eliminar la capa de barrera de gruixos superiors als 200 nm. Finalment es va estudiar la infiltració dels materials que formen una CSP en els nano-porus, mitjançant mètodes simples de deposició. Es va obtenir una cel·la solar nano-estructurada de perovskita utilitzant com a suport NAA, dels quals resultats d'eficiència són humils, pel fet que l'estructura plantejada en aquest treball és totalment innovadora. Fet que obre un ampli camí per futurs treballs. En esta tesis se plantea fabricar una celda solar nano-estructurada de perovskita utilizando alúmina nano-porosa anodizada (NAA de sus siglas en inglés) como soporte. Se eligió la perovskita ya que las celdas solares de este material han alcanzado una eficiencia muy similar a las celdas existentes de silicio. Además, son baratas y fáciles de preparar. El hecho de que la celda este nano-estructurada aportará estabilidad frente a la radiación, temperatura y humedad, siendo este el principal problema de estos dispositivos. Los nano-poros de la NAA tienen una forma cilíndrica muy bien definida cuyo tamaño se puede controlar fácilmente siendo todos los nano-poros iguales, lo cual permitirá un mayor control sobre la homogeneidad del material infiltrado. Por lo que el objetivo de esta tesis es aplicar la tecnología de NAA a las celdas solares de perovskita (CSP). Para ello primero tuvo lugar el proceso de familiarización con la fabricación y caracterización de NAA, así como de CSPs de alta eficiencia, mediante métodos estándar conocidos. Una vez se consiguió la fabricación de NAA con diferentes tamaños de poro, la capa barrera de alúmina que existe entre el aluminio y el fondo del poro tuvo que ser eliminada, para poder aprovechar el aluminio (base de la NAA) como contacto eléctrico. Para lo cual se investigó y desarrolló un nuevo método, ya que los métodos existentes no son adecuados para eliminar capa de barrera de espesores superiores a los 200 nm. Finalmente se estudió la infiltración de los materiales que forman una CSP en los nano-poros, mediante métodos simples de deposición. Se obtuvo una celda solar nano-estructurada de perovskita utilizando como soporte NAA, cuyos resultados de eficiencia son humildes, debido a que la estructura planteada en este trabajo es totalmente novedosa. Lo cual abre un amplio camino para futuros trabajos. In this thesis, the nanostructured perovskite solar cell manufacture using nanoporous anodic alumina (NAA) as a scaffold is proposed. The perovskite was chosen since the solar cells made with this material have achieved very similar efficiency to silicon cells. Also, they are cheap and easy to prepare. The fact that the cell will be nanostructured will provide stability against radiation, temperature and humidity, this being the main problem of these devices. The NAA nanopores have a very well defined cylindrical shape, whose size can be easily controlled, all nanopores being ident, which will allow greater control over the homogeneity of the infiltrated material. Therefore, this thesis aims to apply NAA technology to perovskite solar cells (PSCs). First, the familiarization process with the manufacture and characterization of NAA, as well as of high-efficiency PSCs, through known standard methods were carried out. Once the manufacture of NAA with different pore sizes was achieved, the alumina barrier layer that exists between the aluminium and the bottom of the nanopores had to be removed, to take advantage of the aluminium (base of the NAA) as an electrical contact. For which a new method was investigated and developed since existing methods are not suitable for removing barrier layer thicknesses greater than 200 nm. Finally, the infiltration of the materials that form a PSC within the nanopores was studied, utilizing simple deposition methods. A full working nanostructured perovskite solar cell was obtained using NAA as a scaffold, whose efficiency results are modest because the structure proposed in this work is novel. Which opens a wide path for future work.

Els últims avenços en recerca biomèdica han generat la necessitat de nous mètodes analítics. Els biosensors van sorgir com una eina extremadament útil per desenvolupar nous mètodes d'anàlisi. Després dels primers biosensors dissenyats per a la detecció de glucosa, es van començar a investigar nous tipus de sensors i de materials per a fabricar aquests biosensors. Les principals característiques a tenir en compte a l'hora de fabricar un biosensor són: El receptor que reconeixerà específicament a la molècula sota estudi, el material sobre el qual es construirà el sensor i el mètode de detecció que es farà servir. Pel que fa als receptors, els aptàmers han demostrat ser molt útils per detectar de manera molt específica qualsevol tipus de molècula. D'altra banda, estudis amb alúmina nanoporosa anoditzada (NAA de les seves sigles en anglès) han posat en relleu que és un material que aporta gran estabilitat i biocompatibilitat, així com una gran capacitat superfície-volum. Pel que fa a l'mètode de detecció, s'ha demostrat que el mètode de Espectroscòpia d'Interferència Reflectométrica (rifs de les seves sigles en anglès) permet detectar en NAA laEls últims avenços en recerca biomèdica han generat la necessitat de nous mètodes analítics. Els biosensors van sorgir com una eina extremadament útil per desenvolupar nous mètodes d'anàlisi. Després dels primers biosensors dissenyats per a la detecció de glucosa, es van començar a investigar nous tipus de sensors i de materials per a fabricar aquests biosensors. Les principals característiques a tenir en compte a l'hora de fabricar un biosensor són: El receptor que reconeixerà específicament a la molècula sota estudi, el material sobre el qual es construirà el sensor i el mètode de detecció que es farà servir. Pel que fa als receptors, els aptàmers han demostrat ser molt útils per detectar de manera molt específica qualsevol tipus de molècula. D'altra banda, estudis amb alúmina nanoporosa anoditzada (NAA de les seves sigles en anglès) han posat en relleu que és un material que aporta gran estabilitat i biocompatibilitat, així com una gran capacitat superfície-volum. Pel que fa a l'mètode de detecció, s'ha demostrat que el mètode de Espectroscòpia d'Interferència Reflectométrica (rifs de les seves sigles en anglès) permet detectar en NAA la presència de determinades molècules d'una manera barata i senzilla. En aquesta tesi presentem el procés d'optimització i fabricació en NAA d'un biosensor basat en aptàmers usant el mètode rifs com a mètode de detecció presència de determinades molècules d'una manera barata i senzilla. En aquesta tesi presentem el procés d'optimització i fabricació en NAA d'un biosensor basat en aptàmers usant el mètode rifs com a mètode de detecció Los últimos avances en investigación biomédica han generado la necesidad de nuevos métodos analíticos. Los biosensores surgieron como una herramienta extremadamente útil para desarrollar nuevos métodos de análisis. Después de los primeros biosensores diseñados para la detección de glucosa, se empezaron a investigar nuevos tipos de sensores y de materiales para fabricar dichos biosensores. Las principales características a tener en cuenta a la hora de fabricar un biosensor son: El receptor que reconocerá específicamente a la molécula bajo estudio, el material sobre el cual se construirá el sensor y el método de detección que se usará. Con respecto a los receptores , los aptámeros han demostrado ser muy útiles para detectar de manera muy específica cualquier tipo de molécula. Por otra parte, estudios con alúmina nanoporosa anodizada (NAA de sus siglas en inglés) han puesto de relieve que es un material que aporta gran estabilidad y biocompatibilidad, así como una gran capacidad superficie-volumen. Con respecto al método de detección, se ha demostrado que el método de Espectroscopía de Interferencia Reflectométrica (RIfS de sus siglas en inglés) permite detectar en NAA la presencia de determinadas moléculas de una manera barata y sencilla . En esta tesis presentamos el proceso de optimización y fabricación en NAA de un biosensor basado en aptameros usando el método RIfS como método de detección. The latest advances in biomedical research have generated the need of new analytical methods. Biosensors emerged as an extremely useful tool for developing new analysis methods. After the first biosensors designed for glucose detection, new types of sensors and materials to manufacture such biosensors began to be investigated. The main characteristics to take into account in the fabrication of a biosensor are: the receptor that will specifically bind to the molecule under study, the material on which the sensor will be built and the detection method that will be used. Regarding to receptors, aptamers in recent years have proven to be very useful for detecting any type of molecule in a very specific manner. On the other hand, studies with nanoporous alumina have highlighted that it is a material that provides great stability and biocompatibility, as well as great surface-volume capacity. Regarding the detection method, the Reflectometric Interference Spectroscopy (RIfS) method has been shown to detect the presence of certain molecules in a cheap and simple way in NAA. Therefore, in this thesis we present the optimization and manufacture in NAA of an aptamer-based biosensor using the RIfS method as a detection method.

L’ implementació de la tecnologia de comunicació de camp proper (NFC) en els telèfons intel·ligents no para de créixer degut a l’ús d’aquesta per fer pagaments, això, junt amb el fet de poder aprofitar l’energia generada pel mòbil no només per la comunicació, sinó també per transmetre energia, el baix cost dels xips NFC, i el fet de que els telèfons tinguin connectivitat amb internet, possibilita i fa molt interesant el disseny d’etiquetes sense bateria incorporant-hi sensors i poder enviar la informació al núvol, dins del creixent escenari de l’internet de les coses (IoT). La present Tesi estudia la viabilitat d’aquests sensors, analitzant la màxima distància entre lector i sensor per proveir la potència necessària, presenta tècniques per augmentar el rang d’operació, i analitza els efectes de certs materials quan aquests estan propers a les antenes. Diversos sensors han estat dissenyats i analitzats i son presentats en aquest treball. Aquests son: Una etiqueta que mesura la humitat de la terra, la temperatura i la humitat relativa de l’aire per controlar les condicions de plantes. Un sensor per detectar la humitat en bolquers, imprès en material flexible que s’adapta a la forma del bolquer. Dues aplicacions, una per estimació de pH i una altre per avaluar el grau de maduració de fruites, basats en un sensor de color. I, per últim, s’estudia la viabilitat de sensors en implants per aplicacions mèdiques, analitzant l’efecte del cos i proposant un sistema per augmentar la profunditat a la que aquests es poden llegir utilitzant un telèfon mòbil. Tots aquests sensors poden ser alimentats i llegits per qualsevol dispositiu que disposin de connexió NFC. La implementación de la tecnología de comunicaciones de campo cercano (NFC) en los teléfonos inteligentes no para de crecer debido al uso de esta para llevar a cabo pagos, esto, junto con el hecho de poder aprovechar la energía generada por el móvil no sólo para la comunicación, sino también para transmitir energía, el bajo coste de los chips NFC, i el hecho que los teléfonos tengan conectividad a internet, posibilita y hace muy interesante el diseño de etiquetas sin batería que incorporen sensores i poder enviar la información a la nube, enmarcado en el creciente escenario del internet de las cosas (IoT). La presente Tesis estudia la viabilidad de estos sensores, analizando la máxima distancia entre lector i sensor para proveer la potencia necesaria, presenta técnicas para aumentar el rango de operación, y analiza los efectos de ciertos materiales cuando estos están cerca de las antenas. Varios sensores han sido diseñados y analizados y son presentados en este trabajo. Estos son: Una etiqueta que mide la humedad de la tierra, la temperatura y la humedad relativa del aire para controlar las condiciones de plantas. Un sensor para detectar la humedad en pañales, impreso en material flexible que se adapta a la forma del pañal. Dos aplicaciones, una para estimación de pH y otra para evaluar el grado de maduración de frutas, basados en un sensor de color. Y, por último, se estudia la viabilidad de sensores en implantes para aplicaciones médicas, analizando el efecto del cuerpo y proponiendo un sistema para aumentar la profundidad a la que estos se pueden leer usando un teléfono móvil. Todos estos sensores pueden ser alimentados y leídos por cualquier dispositivo que disponga de conexión NFC. The implementation of near field communication (NFC) technology into smartphones grows rapidly due the use of this technology as a payment system. This, altogether with the fact that the energy generated by the phone can be used not only to communicate but for power transfer as well, the low-cost of the NFC chips, and the fact that the smartphones have connectivity to internet, makes possible and very interesting the design of battery-less sensing tags which information can be sent to the cloud, within the growing internet of things (IoT) scenario. This Thesis studies the feasibility of these sensors, analysing the maximum distance between reader and sensor to provide the necessary power, presents techniques to increase the range of operation, and analyses the effects of certain materials when they are near to the antennas. Several sensors have been designed and analysed and are presented in this work. These are: a tag that measures the soil moisture, the temperature and the relative humidity of the air to control the conditions of plants. A moisture sensor for diapers, printed on flexible material that adapts to the diaper shape. Two applications, one for pH estimation and another for assessing the degree of fruit ripening, based on a colour sensor. And finally, the feasibility of sensors in implants for medical applications is studied, analysing the effect of the body and proposing a system to increase the depth at which they can be read using a mobile phone. All of these sensors can be powered and read by any NFC enabled device.

En aquest treball es presenta l'anàlisi, disseny i realització d'un sistema per a la recollida d'energia undimotriu de baixa potència, és a dir, extreure petita energia de les onades de la mar per a l'alimentació d'un equip autònom alimentat per bateria.Aquest sistema consta d'un captador d'energia flotant, i d'una etapa processadora d'energia per interconnectar l'element captador amb la bateria de el sistema. El captador d'energia és un dispositiu articulat realitzat en fusta i conté tres transductors inductius interconnectats entre si. Després de la introducció i l'estat de l'art, la tesi comença examinant diversos dispositius comercials de captació d'energia, després, presenta el transductor inductiu desenvolupat, el sistema de recollida articulada, els processadors d'energia estudiats, i després de les simulacions i verificacions experimentals corresponents , conclusions i línies futures de treball. Per extreure petites quantitats d'energia de les onades de la mar, aquest prototip, coordina el moviment de tres imants interns a tres bobines individuals interconnectades elèctricament entre si. Aprofitant la pujada i baixada de les onades de la mar, es produeix un moviment oscil·lant lineal de cada imant a l'interior de l'transductor (bobina) que genera un pols elèctric induït a la bobina. L'energia així recol·lectada s'emmagatzemarà en una bateria la qual alimentarà un sistema autònom, per exemple, un equip de telemetria, estació meteorològica, etc., situada a alta mar. Per maximitzar l'energia recol·lectada, es requereix d'un circuit interfície que adapti la impedància entre el conjunt de transductors que forma el generador i la bateria de el sistema. Es proposen dos circuits convertidors DC / DC, un Híbrid Buck-Boost (HBB) i un convertidor SEPIC com circuits adaptadors d'impedància. Tots dos convertidors es controlaran en mode lliscant, així doncs, els convertidors es comportaran com una resistència lliure de pèrdues (LFR-Loss Free Resistor), la impedància d'entrada està regulada per a que coincideixi amb la impedància de sortida de el generador. Després d’estudi i anàlisis teòriques, s’ofereixen diversos resultats de simulació i experimentació que permeten comparar el rendiment d’ambdós circuits adaptadors. En este trabajo se presenta el análisis, diseño y realización de un sistema para la recolección de energía undimotriz de baja potencia, es decir, extraer pequeña energía de las olas del mar para la alimentación de un equipo autónomo alimentado por batería. Este sistema consta de un captador de energía flotante, y de una etapa procesadora de energía para interconectar el elemento captador con la batería del sistema. El captador de energía es un dispositivo articulado realizado en madera y contiene tres transductores inductivos interconectados entre sí. Tras la introducción y el estado del arte, la tesis comienza examinando diversos dispositivos comerciales de captación de energía, después, presenta el transductor inductivo desarrollado, el sistema de recolección articulada, los procesadores de energía estudiados, y después de las simulaciones y verificaciones experimentales correspondientes, conclusiones y líneas futuras de trabajo. Para extraer pequeñas cantidades de energía de las olas del mar, este prototipo, coordina el movimiento de tres imanes internos a tres bobinas individuales interconectadas eléctricamente entre sí. Aprovechando la subida y bajada de las olas del mar, se produce un movimiento oscilante lineal de cada imán en el interior del transductor (bobina) que genera un pulso eléctrico inducido en la bobina. La energía así recolectada se almacenará en una batería la cual alimentará un sistema autónomo, por ejemplo, un equipo de telemetría, estación meteorológica, etc., situada en alta mar. Para maximizar la energía recolectada, se requiere de un circuito interfaz que adapte la impedancia entre el conjunto de transductores que forma el generador y la batería del sistema. Se proponen dos circuitos convertidores DC/DC, uno Híbrido Buck-Boost (HBB) y un convertidor SEPIC como circuitos adaptadores de impedancia. Ambos convertidores se controlarán en modo deslizante, así pues, los convertidores se comportaran como una resistencia libre de pérdidas (LFR-Loss Free Resistor), cuya impedancia de entrada está regulada para que coincida con la impedancia de salida del generador. Después del estudio y análisis teórico, se ofrecen varios resultados de simulación y experimentales que permiten comparar el rendimiento de ambos circuitos adaptadores. In this work, the analysis, design and realization of a system for the collection of low-energy wave energy for the feeding of an autonomous battery-powered equipment is presented. This system consists of a floating energy sensor, and an energy processing stage to interconnect the sensor element with the system battery. The energy collector is an articulated device made of wood and contains three inductive transducers interconnected with each other. After this introduction and the state of the art, the thesis begins by examining various commercial energy collection devices, then introducing the developed inductive transducer, the articulated collection system, then the energy processors studied, and after the corresponding simulations and verifications experimental, future conclusions and lines of work are addressed. To extract small amounts of energy from the waves of the sea, this prototype, coordinates the movement of three internal magnets to three individual coils electrically interconnected with each other. Taking advantage of the rise and fall of sea waves, there is a linear oscillating movement of each magnet inside the transducer (coil) that generates an induced electrical pulse in the coil. The energy harvested by the developed prototype will be stored in a battery and can be used as the energy source of a self-powered autonomous electrical system like for example a telemetry equipment, a weather station, etc., located on the high seas. In order to maximize the energy harvested by this process, an impedance matching interface circuit between the battery and the transducers (energy generator) must be developed. Two DC-DC converters, a hybrid Buck-Boost (HBB) converter and a SEPIC converter are proposed in this work as impedance matching circuits. Both converters will be controlled in sliding mode. Hence, the converters will behave as a Loss Free Resistor (LFR) where the input impedance is regulated to match the output impedance of the generator. Several simulated and experimental results have been obtained based on the previous theoretical analysis of the proposed system. Based on this results, a comparison between the performance of both impedance matching circuits has been carried out.

Aquesta tesi està centrada en el desenvolupament de diferents sensors de gasos mitjançant la modificació de nanomaterials de carboni. Concretament, al llarg d’aquest treball s’han modificat nanotubs de carboni (CNT), grafè i nanodiamants, amb diferents aproximacions. Per exemple, s’ha procedit a la seva decoració amb nanopartícules d’òxids metàl·lics, la formació de monocapes auto-assemblades o la seva funcionalització amb diferents molècules o àtoms, entre altres estratègies. Malgrat que els nanomaterials de carboni presenten extraordinàries propietats electròniques, fisico-químiques, i mecàniques, encara no s’han pogut desenvolupar sensors a escala comercial basats en el seu ús. Açò és a causa de problemes intrínsecs en la detecció de molècules gasoses, com per exemple la seva baixa especificitat i limitada reactivitat. Per tant, en aquesta tesi s’han desenvolupat diversos sensors modificant els diferents nanomaterials de carboni amb la finalitat de millorar paràmetres clau en el sensat de gasos, com poden ser la selectivitat, sensibilitat i temps de resposta. A més a més, s’ha dut a terme una exhaustiva caracterització dels nous nanomaterials desenvolupats mitjançant tècniques espectroscòpiques i microscòpiques. Així mateix, s’han proposat detallats mecanismes de sensat, és a dir, s’han estudiat les interaccions fisico-químiques entre els nanomaterials i els gasos. Per tant, aquest treball ofereix una visió integral per al desenvolupament de nous sensors, des del seu disseny i caracterització, fins als seus principis de funcionament a escala atòmica. A més a més, considerant les inquietuds de la nostra societat, els sensors desenvolupats solen treballar a temperatura ambient, amb la conseqüent dràstica reducció del consum energètic. Com a conclusió, els nanomaterials de carboni desenvolupats són capaços de detectar gasos tòxics, com per exemple el diòxid de nitrogen, a concentracions traça, molt per sota dels límits establerts per la legislació. Esta tesis está centrada en el desarrollo de distintos sensores de gases mediante la modificación de nanomateriales de carbono. Concretamente, a lo largo de este trabajo se han modificado nanotubos de carbono (CNT), grafeno y nanodiamantes, con distintas aproximaciones. Por ejemplo, se ha procedido a su decoración con nanopartículas de óxidos metálicos, la formación de monocapas autoensambladas o su funcionalización con distintas moléculas o átomos, entre otras estrategias. A pesar de las extraordinarias propiedades electrónicas, físico-químicas y mecánicas de los nanomateriales de carbono, todavía no se han podido desarrollar sensores a nivel comercial basados en su uso. Esto es debido a sus problemas intrínsecos en la detección de moléculas gaseosas, como por ejemplo su baja especificidad y limitada reactividad. Por tanto, en esta tesis se han desarrollado diversos sensores modificando los nanomateriales de carbono con la finalidad de mejorar parámetros clave en la monitorización de gases, como puede ser la selectividad, sensibilidad y tiempos de respuesta. Además, se ha llevado a cabo una exhaustiva caracterización de los nuevos nanomateriales desarrollados mediante técnicas espectroscópicas y microscópicas. Asimismo, se han propuesto detallados mecanismos de detección, es decir, se han estudiado las interacciones físico-químicas entre los nanomateriales y los gases. Por tanto, este trabajo ofrece una visión integral para el desarrollo de nuevos sensores, desde su diseño y caracterización, hasta sus principios de funcionamiento a nivel atómico. Además, considerando las inquietudes de nuestra sociedad, los sensores desarrollados suelen trabajar a temperatura ambiente, con la consiguiente drástica reducción del consumo energético. Como conclusión, los nanomateriales de carbono desarrollados son capaces de detectar gases tóxicos, como por ejemplo el dióxido de nitrógeno, a concentraciones traza, muy por debajo de los límites establecidos por la legislación. This thesis focuses in the development of different gas sensors through the modification of carbon nanomaterials. In particular, we employed carbon nanotubes (CNT), graphene and diamondoids, with different approaches. For instance, these nanomaterials were either decorated with metal oxide nanoparticles, modified of self-assembled monolayers of thiols or functionalized with different molecules or atoms, among other strategies. Despite the outstanding properties of carbon nanomaterials, such as their electronic, physicochemical and mechanical properties, it has not been possible so far to develop commercial sensors based on these nanomaterials. The main reason is derived from their inherent problems in the gas molecule detection process, such as low specificity and limited reactivity. Thus, we developed new gas sensors by modifying carbon nanomaterials to improve essential gas sensing parameters, such as selectivity, sensitivity and response time. Furthermore, an exhaustive material characterization was carried out through spectroscopic and microscopic techniques. Also, detailed gas sensing mechanisms were proposed, ergo, the physicochemical interactions between nanomaterials and gases were studied. In consequence, this thesis provides a comprehensive vision for the development of new gas sensors employing carbon nanomaterials, from their design and characterization to their working principles at to the atomic scale. In consideration of the social concerns, the sensors developed usually work at room temperature. Therefore, the device power-consumption was drastically reduced. In summary, the modified carbon nanomaterials employed in this thesis can detect harmful gases, such as nitrogen dioxide, at trace concentration, even at lower levels than those established by law as threshold limit values.

En aquesta tesi, tenim com a objectiu el modelat de corrent de desguàs per a transistors orgànics de pel·licula fina (OTFTs) i transistors de pel·lícula fina de l'oxi Indium-GalliumZinc (TFTGZO) de 150K a 370K, a més, presentem un model per a la capacitancça gate-gate per OTFTs. utilitzant els models de corrent desenvolupats, analitzen les dependències de temperatura aplicant mètodes d'extracció de paràmetres directes a les característiques experimental I-V aplicant temperatures de 150 a 370K per a OTFTs i GZOs, A més analitzen el comportament de la capacitança de la porta de temperatures que oscil·len entre 200K i 300K. La majoria dels paràmetres del model de capacitança de la porta s'extreuen de les característiques I-V. Hem validat correctament els nostres models en compració amb les característiques experimentals I-V tant de OTFTs com de TFT IGZO de 150k a 370K i C-V a diferents freqüències de OTFTs.

La miniaturització dels MOSFET en els circuits integrats ha elevat la tecnologia microelectrònica. Aquesta tendència també augmenta el grau de complexitat d'aquests circuits i els seus components bàsics. En els MOSFET convencionals, el corrent es basa en l'emissió termoiònica de portadors de càrrega, que per això limita el pendent subumbral en aquests transistors a 60 mV / dec. Per tant, per superar aquest límit i continuar amb la miniaturització per mantenir el ritme de la llei de Moore, es requereixen estructures alternatives. Entre aquestes, el transistor d'efecte de camp per túnel (TFET) es considera un possible successor de l'MOSFET. A causa del seu mecanisme alternatiu de transport de corrent, conegut com a túnel de banda a banda (B2B), el pendent subumbral en TFET pot fer-se inferior al límit de 60 mV / dec. Per comprendre i estimar el comportament dels TFET, no només com un element únic sinó també a nivell de circuit, es requereix un model compacte d'aquest dispositiu. En aquesta tesi es presenta un model basat en càrrega per descriure el comportament capacitiu d'un TFET de doble porta (DG TFET). No obstant això, la simplicitat i la flexibilitat de el model permeten usar-lo per a un altre tipus d'estructures TFET, com els TFET planars o de nanofils d'una sola porta (SG TFETs). El model és verificat amb les simulacions TCAD, així com amb mesures experimentals de TFET fabricats. El model de capacitància també inclou l'efecte dels elements paràsits. A més, en el context d'aquest treball també s'investiga la influència dels contactes de barrera Schottky en el comportament capacitiu dels TFET. Aquest model finalment es combina amb un model DC compacte existent per formar un model TFET compacte complet. A continuació, el model compacte s'implementa per a simulacions transitòries de circuits oscil·ladors d'anell basats en TFET. La miniaturización de los MOSFET en los circuitos integrados ha elevado la tecnología microelectrónica. Esta tendencia también aumenta el grado de complejidad de estos circuitos y sus componentes básicos. En los MOSFET convencionales, la corriente se basa en la emisión termoiónica de portadores de carga, que por ello limita la pendiente subumbral en estos transistores a 60 mV/dec. Por tanto, para superar este límite y continuar con la miniaturización para mantener el ritmo de la ley de Moore, se requieren estructuras alternativas. Entre estas, el transistor de efecto de campo por túnel (TFET) se considera un posible sucesor del MOSFET. Debido a su mecanismo alternativo de transporte de corriente, conocido como túnel de banda a banda (B2B), la pendiente subumbral en TFET puede hacerse inferior al límite de 60 mV/dec. Para comprender y estimar el comportamiento de los TFET, no sólo como un elemento único sino también a nivel de circuito, se requiere un modelo compacto de este dispositivo. En esta tesis se presenta un modelo basado en carga para describir el comportamiento capacitivo de un TFET de doble puerta (DG TFET). Sin embargo, la simplicidad y la flexibilidad del modelo permiten usarlo para otro tipo de estructuras TFET, como los TFET planares o de nanohílos de una sola puerta (SG TFETs). El modelo es verificado con las simulaciones TCAD, así como con medidas experimentales de TFET fabricados. El modelo de capacitancia también incluye el efecto de los elementos parásitos. Además, en el contexto de este trabajo también se investiga la influencia de los contactos de barrera Schottky en el comportamiento capacitivo de los TFET. Este modelo finalmente se combina con un modelo DC compacto existente para formar un modelo TFET compacto completo. A continuación, el modelo compacto se implementa para simulaciones transitorias de circuitos osciladores de anillo basados en TFET. Miniaturization of the MOSFETs on the integrated circuits has elevated the microelectronic technology. This trend also increases the degree of complexity of these circuits and their building blocks. In conventional MOSFETs the current is based on the thermionic—emission of charge carrier, which therefore limits the subthreshold swing in these transistors to 60 mV/dec. Hence, to overcome this limit and continue with down scaling to keep pace with the Moor’s law, alternative structures are required. Among these, the tunnel—field—effect transistor (TFET) is considered as a potential successor of the MOSFET. Due to its alternative current transport mechanism, known as band—to—band (B2B) tunneling, the subthreshold swing in TFETs can overcome the 60 mV/dec limit. In order to comprehend and estimate the behavior of TFETs, not only as a single element but also on the circuit level, a compact model of this device is required. In this dissertation a charge –based model to describes the capacitive behavior of a double—gate (DG) TFET is presented. However, simplicity and flexibility of the model allow to use it for other type of TFET structures such as single—gate (SG) planar or nanowire TFETs. The model is verified with the TCAD simulations as well as the measurement data of fabricated TFETs. The capacitance model also includes the effect of the parasitic elements. Furthermore, in the context of this work also the influence of Schottky barrier contacts on the capacitive behavior of TFETs is investigated. This model is finally combined with an existing compact DC model to form a complete compact TFET model. The compact model is then implemented for transient simulations of TFET—based inverter and ring—oscillator circuits.

Aquesta tesi aborda el problema de trobar solucions confortables, de baixa potència i sense fils per aplicacions mèdiques. La tesi tracta els avantatges i les limitacions de tres tecnologies de comunicació diferents per la mesura de paràmetres del cos i mètodes per redissenyar sensors per avaluacions òptimes centrades en el cos. La tecnologia RFID es considera una de les solucions més influents per superar el problema del consum d'energia limitat, a causa de la presència de molts sensors connectats. També s'ha estudiat la tecnologia Bluetooth de baixa energia per resoldre els problemes de seguretat i la distància de lectura que, en general, representen el coll d'ampolla de RFID pels sensors de cos. Els dispositius analògics poden reduir dràsticament les necessitats d'energia a causa dels sensors i les comunicacions, considerant pocs elements i un mètode de transmissió simple. S'estudia un mètode de comunicació completament passiu, basat en FSS, que permet una distància de lectura raonable amb capacitats de detecció precises i confiables, que s'ha discutit en aquesta tesi. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar múltiples tecnologies sense fils per dispositius portàtils per identificar solucions adequades per aplicacions particulars en el camp mèdic. El primer objectiu és demostrar la facilitat d'ús de les tecnologies econòmiques sense bateria com un indicador útil de paràmetres fisiopatològics mitjançant la investigació de les propietats de les etiquetes RFID. A més a més, s'ha abordat un aspecte més complex respecte a l'ús de petits components passius com sensors sense fils per trastorns del son. Per últim, un altre objectiu de la tesi és el desenvolupament d'un sistema completament autònom que utilitzi tecnologia BLE per obtenir propietats avançades mantenint baix tant el consum com el preu Esta tesis aborda el problema de encontrar soluciones confortables, inalámbricas y de baja potencia para aplicaciones médicas. La tesis discute las ventajas y limitaciones de tres tecnologías de comunicación diferentes para la medición en el cuerpo y los métodos para elegir y remodelar los sensores para evaluaciones óptimas centradas en el cuerpo. La tecnología RFID se considera una de las soluciones más influyentes para superar el consumo de energía limitado debido a la presencia de muchos sensores conectados. Además, la baja energía de Bluetooth se ha estudiado se ha estudiado la tecnologia Bluetooth de baja energia para resolver los problemas de seguridad y la distancia de lectura que, en general, representan el cuello de botella de la RFID para los sensores de cuerpo. Los dispositivos analógicos pueden reducir drásticamente las necesidades de energía debido a los sensores y las comunicaciones, considerando pocos elementos y un método de transmisión simple. Se estudia un método de comunicación completamente pasivo, basado en FSS, que permite una distancia de lectura razonable con capacidades de detección precisas y confiables, que se ha discutido en esta tesis. El objetivo de esta tesis es investigar múltiples tecnologías inalámbricas para dispositivos portátiles para identificar soluciones adecuadas para aplicaciones particulares en campos médicos. El primer objetivo es demostrar la facilidad de uso de las tecnologías económicas sin batería como un indicador útil de dichos parámetros fisiopatológicos mediante la investigación de las propiedades de las etiquetas RFID. Además, se ha abordado un aspecto más complejo con respecto al uso de pequeños componentes pasivos como sensores inalámbricos para enfermedades del sueño. Por último, un resultado de la tesis es desarrollar un sistema completamente autónomo que utilice la tecnología BLE para obtener propiedades avanzadas que mantengan la baja potencia y un precio bajo. This thesis addresses the problem of comfortable, low powered and, wireless solutions for specific body-worn sensing. The thesis discusses advantages and limitations of three different communication technologies for on body measurement and investigate methods to reshape sensors for optimum body-centric assessments. The RFID technology is considered one of the most influential solutions to overcome the limitated power consumption due to the presence of many sensors connected. Further, the Bluetooth low energy has been studied to solve security problems and reading distance that overall represent the bottleneck of the RFID for the body-worn sensors. Analog devices can drastically reduce the energy needs due to the sensors and the communications, considering few elements and a simple transmitting method. An entirely passive communication method, based on FSS is studied, enabling a reasonable reading distance with precise and reliable sensing capabilities, which has been discussed in this thesis. The objective of this thesis is to investigate multiple wireless technologies for wearable devices to identify suitable solutions for particular applications in medical fields. The first objective is to demonstrate the usability of the inexpensive battery-less technologies as a useful indicator of such a physio-pathological parameters by investigating the properties of the RFID tags. Furthermore, a more complex aspect regards the use of small passive components as wireless sensors for sleep diseases has been addressed. Lastly, an outcome of the thesis is to develop an entirely autonomous system using the BLE technology to obtain advanced properties keeping low power and a low price.

Aquesta tesis inclou el treball fet en ICIQ sobre fabricació, caracterització, i modelització de cel·les solars de perovskita híbrida. Agafades des de la recerca en altres tipus de cel·les solars, les eines de anàlisi, les metodologies i, més important, la seva interpretació han sigut analitzades i adaptades a aquest nou tipus de dispositiu. Llavors, aquestes tècniques han sigut utilitzades per analitzar i entendre la influència de quatre diferents i nous transportadors de forats electrònics sobre el voltatge de cel·les de perovskita. Un altre estudi ha investigat la acumulació dels electrons en les cel·les per mig de petits canvis en el gruix de cada capa i analitzant les mostres per mig de les mateixes tècniques. Des de la meva estada internacional en els grups de Dr. Piers Barnes i Prof. Jenny Nelson en Imperial College London un altre estudi ha sigut complert sobre la complexa interpretació dels resultats de espectroscòpia de impedància en presència de ions mobles en les cel·les de perovskita. També està exposat tot el programari lliure que ha sigut desenvolupat per la adquisició i processament de dades i per la modelització deriva-difusió de cel·les solars de perovskita. Una versió actualitzada de aquesta tesis es pot trobar en https://github.com/ilario/documents_in_latex-PhD_thesis/ Esta tesis incluye el trabajo hecho en ICIQ sobre fabricación, caracterización, y modelización de celdas solares de perovskita hibrida. Provenientes desde la investigación en otros tipos de celdas solares, las herramientas de análisis, las metodologías, y, aún más importante, su interpretación han sido analizadas y adaptadas a este nuevo tipo de dispositivo. Entonces, estas técnicas han sido utilizadas para analizar y entender la influencia de cuatros diferentes y novedosos transportadores de huecos electrónicos sobre el voltaje de celdas de perovskita. Otro estudio ha investigado la acumulación de electrones en las celdas utilizando pequeños cambios en el grosor de cada capa y analizando las muestras con las mismas técnicas. Desde mi estancia internacional en los grupos del Dr. Piers Barnes y de la Prof. Jenny Nelson en Imperial College London otro estudio ha sido llevado al cabo sobre la complexa interpretación de los resultados de espectroscopia de impedancia en presencia de iones móviles en las celdas de perovskita. Además, se expone todos los programas libres que han sido desarrollados para la adquisición y procesamiento de datos y para la modelización deriva-difusión de celdas solares de perovskita. Una versión actualizada de esta tesis se puede encontrar en https://github.com/ilario/documents_in_latex-PhD_thesis/ This thesis includes the work done in ICIQ about fabrication, characterization, and modelling of hybrid perovskite solar cells. Coming from other kind of solar cells, the analysis tools, the methods, and, most importantly, their interpretation have been analysed and adapted to this new kind of device. Then, these techniques has been employed for analysing and understanding the influence of four different and novel hole transport materials on perovskite solar cells voltage. Another study focussed on the electrons accumulation in devices employing small variations in each stacked layer thickness and analysing the samples using the same techniques. From by international stay in Dr. Piers Barnes and Prof. Jenny Nelson groups in Imperial College London another study was originated exploring the complex interpretation of impedance spectroscopy results when applied on perovskite solar cells with mobile ions. Finally, all the free software that has been developed for data acquisition and processing and for drift-diffusion modelling of perovskite solar cells have been exposed. An updated version of this thesis can be found on https://github.com/ilario/documents_in_latex-PhD_thesis/

Intro Generic: Nanotechnology research has gained much interest in the last decades. Fabrication of materials at nano-scale levels has brought to light many new unique physico–chemical characteristics of materials which are otherwise not present in their bulk counterpart. Harvesting these new properties has led to many unique applications in biotechnology, medicine and environmental sciences in recent years. Even though many exciting innovations have already been presented, a wealth of possibilities still lies ahead further uniting the fields of biology, physics, chemistry and material science. Many of the fundamental biochemical reactions making life possible take place at the nanoscale level and being able to fabricate and modify materials at such level brings about benefits of understanding and controlling biological interactions of living cells, complex tissues or entire organisms with novel materials. Medical applications are bound to be made in the fields of drug delivery, tissue regeneration and wound healing. Environmental applications will further advance the detection and remediation of pollutants. Filtering gas, ions or other small molecules or harvesting and directing electromagnet waves are current applications in the fields of chemistry and physics. Interdisciplinary techniques finding application across biology, chemistry and physics can be found in the form of sensing systems. The detection of substances or monitoring events at the nanoscale level can be found in cancer diagnostics, detection of environmental pollutants or the detection and monitoring of gaseous substances and light intensities. The advantages of sensors based on nanomaterials lie in the application of ultra-small sample volumes, which is especially important in the field of biology where tissue samples are often minute or biological reagents are very expensive. Furthermore the downscaling of the reactions has led to new technologies such as lab-on-a-chip (LOC) or point-of-care (POC) devices which have the great potential of being small and portable and can be applied in situ, for faster and cheaper retrieval of data. Nano-optofluidics is a recently introduced term which typically describes applications interfacing liquids carrying an analyte of interest with a solid as the matrix producing an optical signal detected by a measurement system. Nano-optofluidics possesses great potential for the development of novel LOC and POC devices which is what this PhD dissertation is aiming at.Intro Technical: Efforts put into exploiting optical properties of thin films for the development of optical biosensors date back until the 1970s where the vast majority of research output focused on surface plasmon resonance (SPR). The advent of nanostructures made of noble metals has since then spawned new research on localized SPR (LSPR) and waveguides. A huge leap forward in research of optical sensing with Nanoporous Anodic Alumina (NAA) was seen when reflectometric interference spectroscopy (RIfS) was naturally adapted to NAA from porous silicon and other materials. Conventionally, RIfS is based on the detection of effective refractive index shifts in single layered NAA upon infiltrating with analytes presented as wellresolved peaks generated by the Fabry-Pérot effect. More recently Bragg reflectors (multi-layered structures of a nanoporous material with periodic refractive index) were presented as a promising alternative as sensing matrix which allows monitoring of optical transmittance dip position and intensity. The term optofluidics was introduced in 2004 and represents a fairly young discipline which combines the fields of optics and fluidics at the micro- and nanoscale. Monitoring the infiltration of liquid into nanoporous structures via laser interferometry has very recently been demonstrated as a novel nano-characterisation tool in nanometrology. Main Objectives: The main objective of this PhD dissertation lies in working towards the development of a novel type of nano-optofluidic biosensor based on nanopore radius reduction by advancing a recently introduced nano-metrological technique monitoring a laser reflected of the top and bottom surface of a nanoporous membrane while a liquid is traveling through the pores. This technique was termed fluid imbibition-coupled laser interferometry (FICLI) and will be referred to as such throughout this PhD dissertation. It was at first necessary to learn different fabrication strategies of nanoporous anodic alumina (NAA) leading to a variety of nanostructured architectures which served as the basic porous matrix for the liquid to pass through for subsequent pore radius estimations using FICLI. Additionally, a range of chemical and biological surface modification strategies had to be controlled for the strategic immobilization of target analytes to the inside pore walls of NAA. For a better comparison of the FICLI technique it was necessary to apply further traditional optical NAA sample characterization techniques, such as scanning electron microscopy (SEM), confocal microscopy, UV/Vis, FTIR and photoluminescence spectroscopy. A first milestone of this PhD dissertation was set to assess the sensitivity, accuracy and reproducibility of FICLI towards the estimation of pore radius modifications across different liquid-surface interfaces by using different liquids travelling through the pores of a set of consecutively modified NAA structures fabricated with different anodization electrolyte solutions. A second milestone aimed at assessing complex chemical surface functionalizations and target specific immobilization of biological analytes onto the NAA pore walls and the effects on the estimations of pore radius changes via FICLI. Results: In chapter 3 we addressed the fabrication of NAA membranes and how we modified and functionalized the surfaces of the pore walls. The FICLI set up and basic foundation of monitoring fluid movement within nanopores in real time and the subsequent pore radius estimation procedure were presented. In an experimental approach we discussed limitations and possibilities of FICLI and its advantages over alternative methods. With the considerations made in this chapter we established a FICLI measurement protocol for the following experiments. FICLI pore radius estimates are robust and reproducible and ready to be applied in large experiments in the following chapters In chapter 4 we addressed the reproducibility and accuracy of fluid imbibition coupled laser interferometry (FICLI) as a pore radius estimation technique under a set of changes to the physico-chemical parameters of the liquid-surface interface. We validated the technique by comparing it to results obtained by environmental scanning electron microscopy (ESEM). The results showed good reproducibility and accuracy of FICLI when carefully adjusting the physico-chemical parameters of the liquids and carrier matrix in use and we obtained a linear relationship between pore widening times and increasing pore radius estimates in accordance to the literature for these materials. However, FICLI and ESEM both present limiting bottlenecks towards the estimation of a pore radius with sub-nanometer accuracy. FICLI pore radius estimations are dependent on the use of accurate physico-chemical parameters of the liquid-surface interface during the analysis of the time-resolved interferograms. Herein lies the challenge, as certain parameters are still under ongoing discussion in the scientific community such as the dynamic contact angle within the nanopores and the changes of fluid parameters (i.e. viscosity, surface tension) due to the nano-confinement. In contrast, insufficient resolution of the ESEM images are the main limiting factor during radius estimations via image analysis as obscure boarders between pore and pore wall with low resolution lead to a highly subjective selection of measurement alignments. Finally, we demonstrated that, in contrast to the purely topological nature of ESEM, FICLI is capable to characterize NAA beyond the surface and allows getting an insight into the internal geometry by giving pore radius estimates of NAA double and triple layer structures. In chapter 5, it was demonstrated that FICLI is a highly sensitive method to detect and quantify changes in the pore surface properties and dimensions of NAA after the attachment of different biological and chemical analytes. The accuracy of FICLI for the characterization of pore size changes of NAA produced in oxalic and sulfuric acids has been shown. The radius increase due to wet chemical pore widening was detected irrespective of the electrolyte used to prepare the NAA, and the results are in good agreement with traditional NAA characterization methods such as ESEM and the literature. The electrostatic immobilization of biomolecules to the pore walls is a common and fast NAA modification technique. In this study, it was shown that the pore radius reduction of the NAA due to the immobilization of BSA is accurately estimated by FICLI. The radius reduction estimates fall into the expected size dimensions of the protein, and the radius reductions are reproducible irrespective of the NAA material and initial pore radius. Only slight differences are observed for NAA obtained with different electrolytes, which is an indication that the surface contact angle for such structures depends slightly of the electrolyte. The pore radius reduction due to the functionalization of NAA pore walls with APTES􀃭GTA was characterized. The observed radius reduction value suggests the deposition of an APTES multilayer due to reaction conditions. The subsequent covalent immobilization of streptavidin via imine bonds was further detected by a radius reduction. The dimensions of the protein were slightly overestimated and also suggest a multilayer deposition of the protein. The immobilization of IgGs via immune complexation with PA and secondary IgGs was detected by the characterization of NAA pore radius reductions and changing capillary filling dynamics. It was shown that a chain of immobilization events starting with the electrostatic immobilization of PA, followed by specific immune complexations of IgG and secondary IgG can be demonstrated by the size reduction of NAA pores. These findings provide great potential for the future development of target-specific biosensing systems based on the radius reduction of NAA and the changes in nanopore filling dynamics. Further research on real-time monitoring of filling dynamics variations can open the way to new sensing devices with a view to miniaturization. Summary: In summary, the results presented in this PhD dissertation demonstrated the applicability of time-resolved interferometric monitoring of fluid dynamics as a powerful tool for the characterisation of nanopores. The accurate estimation of pore radii across a variety of different liquid surface interfaces showed the capability of this system to resolve changes in the nanopore pore dimension of below 2nm. Monitoring binding events of polymers and biomolecules on the pore walls immobilised via different strategies showed the potential for target-specific biosensing based on radius reduction in NAA and may well have opened the door for the development of novel lab-on-chip and point-of-care sensing devices. In conclusion FICLI is a beneficial addition to nanometrology and relevant for applications where the characterisation of pores with a resolution on the nanometer level is important. Other nano-characterisation and sensing applications might benefit from FICLI’s ease of use and sensitivity. For example the fabrication of carbon- or polymer-based nanotubes via NAA scaffolds might be a useful future application for FICLI to characterise the growth rate or total thickness of fabricated tubes before etching off the alumina matrix. Polyelectrolytes can be stimulated to swell or shrink by changing the local environment. Estimating the degree of swelling of such a functionalisation might give relevant insight for the development and characterisation of drug loading and releasing of drug delivery systems. Determining the liquid contact angle within nanopores is currently still openly discussed and monitoring the pore filling dynamics in combination with high resolution electron microscopy producing more accurate pore radius estimates via image analysis, FICLI might contribute producing more accurate data on the dynamic contact angle within the nano-confinement.

En aquesta tesi es proposa l'ús d'un convertidor Buck-Boost no inversor situat entre les bateries i l'inversor per regular el bus de contínua del sistema de tracció d'un vehicle elèctric (VE). El convertidor es basa en el Buck-Boost versàtil que ha demostrat un comportament excel·lent en aplicacions de baixa potència i commutació dura en diferents sistemes basats en piles d'hidrogen. A partir d'aquí, ampliar l'ús del convertidor per aplicacions de més alta tensió com les del VE és un repte que s'aborda en aquest treball. L'ús d'un convertidor reductor/elevador d'alta eficiència en el sistema de tracció d'un VE, com és el cas del convertidor versàtil, pot millorar l'eficiència del conjunt per a un rang més ampli de velocitat del motor elèctric que inclou cicles de conducció urbans i en autovia mentre permet la funció tant en tracció com en regeneració (fre regeneratiu). El sistema de control del convertidor consisteix en un llaç extern de tensió i un llaç intern de corrent programats amb el controlador digital de senyal (DSC) TMS320F28377S. Les anàlisis teòriques han estat validades a través de simulacions i proves experimentals realitzades en un prototip construït per a treballar a 400 V i 1,6 kW. En esta tesis se propone el diseño de un convertidor bidireccional no inversor buck-boost localizado entre la batería y el inversor para regular la tensión dc del sistema de tracción de un vehículo eléctrico (VE). La topología del convertidor está basada en el convertidor versátil buck-boost, el cual para aplicaciones en baja tensión y conmutación dura ha mostrado un gran desempeño, principalmente en distintas topologías de sistemas con pilas de combustible. Por lo tanto, este trabajo se direcciona en el uso de este convertidor para aplicaciones de alta tensión, tal como el vehículo eléctrico. El uso de un convertidor elevador / reductor con alta eficiencia, como en el caso del convertidor versátil, en el sistema de tracción de un VE puede mejorar la eficiencia de todo el sistema para una amplia gama de velocidades del motor eléctrico que comprende las zonas urbanas permitiendo la operación en condiciones de motorización y regeneración (frenos regenerativos). El control propuesto para el convertidor corresponde a un controlador en cascada de retroalimentación con un lazo externo de tensión y un control digital de corriente interno que utiliza el controlador de señal digital (DSC) TMS320F28377S. Los análisis teóricos se han validado mediante simulaciones y pruebas experimentales realizadas en un prototipo construido de 400 V y 1.6 kW. In this thesis a bidirectional noninverting buck-boost converter located between a battery pack and the inverter to regulate the dc bus in electric vehicle (EV) powertrain is proposed. The converter is based on the versatile buck-boost converter, which in low voltage and hard-switching applications has shown a great performance in different topologies of fuel cell systems. Therefore, extending the use of the converter to higher voltage applications such as the EV is a challenge that is addressed in this work. The use of a high-efficiency step-up/step-down converter, as in the case of the versatile converter, in an EV powertrain can improve the whole system efficiency for an extent range of electric motor speeds which comprises urban and highway driving cycles while allowing the operation under motoring and regeneration (regenerative brake) conditions. The proposed converter control corresponds to an outer voltage feedback loop and an inner current programmed controller using the digital signal controller (DSC) TMS320F28377S. The theoretical analyses have been validated by means of simulations and experimental tests performed on a 400-V 1.6-kW purpose built-prototype.

La utilització de materials orgànics per a la fabricació de cèl·lules solars és una de les alternatives considerades actualment per a reduir els costos de fabricació de sistemes fotovoltaics. Els materials orgànics tenen coeficients d’absorció elevats que permeten la utilització de capes primes i tècniques de fabricació de baix cost. L’objectiu d’aquesta tesi ha estat contribuir a la millora de les cèl·lules solars orgàniques d’heterounió massiva, mitjançant la incorporació de nous materials acceptors i donadors d’electrons, així com de capes de blocatge de forats depositades a partir de solucions. S’ha dut a terme l’estudi dels efectes de les capes transportadores d’electrons i forats en termes d’eficiència i de degradació dels dispositius fotovoltaics. S’han estudiat i fabricat capes de blocatge de forats amb bathocuproïna (BCP) depositada a través d’una tecnologia de solucions com a substitució del calci. El empleo de materiales orgánicos en la fabricación de celulas solares es una de las alternativas actualmente consideradas para reducir los costes de fabricación de los sistemas fotovoltaicos. Los materiales organicos tienen coeficientes de absorpción elevados, permitiendo el uso de capas finas y técnicas de fabricación de bajo coste. El objectivo de esta tesis ha sido contribuir en la mejora de las células solares orgánicas de heterounión masiva, mediante la incorporación de nuevos materiales aceptores de la familia de los PDI, y de capas bloqueadoras de huecos depositadas a partir de soluciones. Se han estudiado los efectos de las capas transportadoras de electrones y huecos en términos de eficiencia y degradación de dispositivos fotovoltaicos. Se han fabricado capas bloqueadoras de huecos con bathocuproine (BCP) depositada a través de una tecnología de soluciones como sustituyente del Calcio. Se han estudiato y caracterizado las propriedades morfologicas y optoelectronicas de celulas solares con las estructuras ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PDI/Ca/Ag y ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PCBM/BCP/Ag. Se ha llevado a cabo una caracterización de las propiedades morfológicas y fotofísicas de los dispositivos fotovoltaicos fabricados a través de varios métodos de investigación, entre los cuales medidas J-V, EQE, Difracción de rayos X, medidas espectroscopia UV-Vis, medidas de movilidad de portadores, medidas de extracción de carga y foto-voltaje transitorio, AFM y medidas de ángulo de contacto. The search for low cost photovoltaics has led to the use of organic materials as possible candidates to substitute silicon based solar devices. Organic materials have high absorption coefficients, allowing the use of thin layers and low cost solution phase manufacturing techniques. The objective of this thesis has been to contribute to the improvement of bulk-heterojunction organic solar cells through the incorporation of new acceptor materials of the PDI family and of a film layer of Bathocuproine (BCP) as hole blocking layer. The BCP layer was spin coated from a dilute toluene/methanol solution directly on top of the active layer. The morphological, optoelectronic properties of solar cells with the following structures have been studied and characterized: ITO / PEDOT: PSS / PTB7: PDI / Ca / Ag and ITO / PEDOT: PSS / PTB7: PCBM / BCP / Ag. For this purpose various characterization methods has been carried out, including JV measurements, EQE, X-ray diffraction, UV-Vis spectroscopy, carrier mobility measurements , charge extraction and transient photo-voltage measurements and AFM.

Les malalties tropicals desateses (MTD) pertanyen al grup de malalties infeccioses. Són endèmiques en la major part del món i afecten més de mil milions de persones a tot el món, especialment a les poblacions de baixos ingressos de les regions en desenvolupament. La infecció en humans es caracteritza per un període d'incubació asimptomàtica crònica i perllongada sense símptomes notables de la malaltia, el que retarda la prescripció d'un tractament mèdic adequat i oportú. La prevenció, el diagnòstic i el control d'aquestes malalties segueixen sent un desafiament metge no resolt encara. Aquesta tesi ha tingut com a objectiu desenvolupar una metodologia no invasiva, segura i amigable per al pacient per a un diagnòstic ràpid de les MTD. L'enfocament de la meva tesi es va basar en el diagnòstic de la malaltia a través de l'anàlisi de mostres d'alè exhalat, que són fàcils d'obtenir i no presenten molèsties ni riscos per a la salut dels pacients. El treball de la meva tesi es va centrar en tres tipus diferents de malalties tropicals desateses (dengue, equinococcosi i leishmaniosi) causades per tres patògens diferents (infeccions virals, helmínticas i protozoàries, respectivament). Les mostres d'alè es van recollir amb dispositius homologats Bio-VOC, que són fàcils d'usar i requereixen d'una preparació mínima. Per analitzar les mostres d'alè, primer es van emprar tècniques analítiques estàndard per a la identificació dels biomarcadors volàtils d'aquestes malalties. Un altre dels objectius de la meva tesi va ser dissenyar i fabricar una matriu de sensors químics de gasos amb sensibilitats creuades basats en nanopartícules de metall ultrapur funcionalitzades amb diversos compostos orgànics, per la qual cosa vaig emprar una tècnica innovadora basada en deposició física en fase vapor. Els nous sensors van ser caracteritzats i es van emprar per identificar els patrons de les malalties estudiades en les mostres d'alè. Les respostes dels sensors químics de gasos exposats a les mostres d'alè es van usar per a construir models de reconeixement de patrons per al diagnòstic d'aquestes malalties. Els resultats obtinguts han revelat que l'anàlisi de l'alè exhalat amb una matriu de sensors de gasos basats en nanoensamblajes de nanopartícules de metall ultrapur té un gran potencial com a prova diagnòstica fiable per a les MTD. Las enfermedades tropicales desatendidas (ETD) pertenecen al grupo de enfermedades infecciosas. Son endémicas en la mayor parte del mundo y afectan a más de mil millones de personas en todo el mundo, especialmente a las poblaciones de bajos ingresos de las regiones en desarrollo. La infección en humanos se caracteriza por un período de incubación asintomática crónica y prolongada sin síntomas notables de la enfermedad, lo que retrasa la prescripción de un tratamiento médico adecuado y oportuno. La prevención, el diagnóstico y el control de estas enfermedades siguen siendo un desafío médico no resuelto aún. Esta tesis ha tenido como objetivo desarrollar una metodología no invasiva, segura y amigable para el paciente para un diagnóstico rápido de las ETD. El enfoque de mi tesis se basó en el diagnóstico de la enfermedad a través del análisis de muestras de aliento exhalado, que son fáciles de obtener y no presentan molestias ni riesgos para la salud de los pacientes. El trabajo de mi tesis se centró en tres tipos diferentes de enfermedades tropicales desatendidas (dengue, equinococosis y leishmaniasis) causadas por tres patógenos diferentes (infecciones virales, helmínticas y protozoarias, respectivamente). Las muestras de aliento se recogieron con dispositivos homologados Bio-VOC, que son fáciles de usar y requieren de una preparación mínima. Para analizar las muestras de aliento, primero se emplearon técnicas analíticas estándar para la identificación de los biomarcadores volátiles de estas enfermedades. Otro de los objetivos de mi tesis fue diseñar y fabricar una matriz de sensores químicos de gases con sensibilidades cruzadas basados en nanopartículas de metal ultrapuro funcionalizadas con diversos compuestos orgánicos, para lo cual empleé una técnica innovadora basada en deposición física en fase vapor. Los nuevos sensores fueron caracterizados y se emplearon para identificar los patrones de las enfermedades estudiadas en las muestras de aliento. Las respuestas de los sensores químicos de gases expuestos a las muestras de aliento se usaron para construir modelos de reconocimiento de patrones para el diagnóstico de estas enfermedades. Los resultados obtenidos han revelado que el análisis del aliento exhalado con una matriz de sensores de gases basados en nanoensamblajes de nanopartículas de metal ultrapur Neglected Tropical Diseases (NTDs) belong to the group of infectious diseases. They are endemic in most parts of the world, affecting more than one billion people worldwide, especially low income populations from developing regions. The infection to humans is characterized by a chronic and prolonged asymptomatic incubation period without noticeable symptoms of the disease, which delays the prescription of a suitable and timely medical treatment. The prevention, diagnosis and control of these diseases still remain an unsolved medical challenge. This thesis aimed to develop a non-invasive, safe and patient-friendly methodology for rapid diagnosis of NTDs. The thesis approach was based on disease diagnosis via exhaled breath samples analyses, which are easy to obtain and present no discomfort or risk for patients’ health. The thesis work was focused on three different types of neglected tropical diseases (Dengue, Echinococcosis and Leishmaniasis) caused by three different pathogens (viral, helminthic and protozoan infections, respectively). Breath collection was realized with homologated Bio-VOCTM breath samplers, which are simple and user friendly and require minimal training. For analyzing the breath samples, at first standard analytical techniques were employed for the identification of the breath volatile biomarkers of these diseases. As another objective of my thesis, an array of cross reactive chemical gas sensors based on ultrapure metal nanoparticles – ligand nanoassemblies comprising diverse functional organic ligands was designed and fabricated employing an innovative physical deposition route. The new sensors were characterized and employed for the analysis of the breath print profiles of the diseases under study. The responses of the chemical gas sensors to the breath samples were used to build predictive pattern recognition models for the diagnoses of these diseases. The results obtained revealed that exhaled breath analysis with cross reactive gas sensors arrays based on ultrapure metal nanoparticles-ligand nanoassemblies holds significant potential as a cost-effective, simple and non-invasive diagnostic test for NTDs.

Aquesta tesi analitza l'efecte dels desequilibris del sistema de tensió trifàsic en màquines d'inducció i en transformadors trifàsics, mitjançant factors de desequilibri. Primer, s’ha caracteritzat un desequilibri de tensió mitjançant quatre paràmetres: tipus de desequilibri (q), component directa de la tensió (V1), VUF i angle del factor complex de desequilibri de tensió. Per analitzar els efectes de desequilibris en motors d'inducció, s’han realitzat simulacions en dos motors, i assajos de laboratori i simulacions en un tercer motor. S’ha observat que els paràmetres de desequilibri de tensió i angle del CVUF no tenen influència en el CUF i el TRF. També s’ha observat que hi ha una tendència lineal entre el CUF i el TRF respecte al VUF (per a valors constants de V1) i que hi ha una tendència lineal entre el CUF i el TRF respecte a V1 (per a valors constants de VUF). Petits desequilibris de tensió poden generar grans desequilibris de corrent i un fort arrissat de parell. En els assaigs de laboratori es s’han obtingut resultats molt propers als obtinguts mitjançant la simulació del motor 3. Aquests resultats han estat qualitativament iguals als obtinguts per als motors 1 i 2. S’han observat desequilibris en un transformador trifàsic. S’ha observat que els desequilibris de tensió en el debanat primari provoquen desequilibris en les tensions del secundari i en els corrents del primari i del secundari. També s’han observat tendències lineals entre els mateixos factors que els analitzats amb motors. Finalment, s’ha desenvolupat un nou mètode d'estimació de paràmetres del transformador monofàsic a partir d'assajos en càrrega mitjançant un algoritme que minimitzava l'error de pèrdues elèctriques de potència i de caiguda de tensió del debanat secundari. S’ha aconseguit estimar paràmetres més precisos del circuit equivalent Gamma del transformador monofàsic que els obtinguts amb els assajos de buit i curtcircuit. Esta tesis analiza el efecto de los desequilibrios del sistema de tensión trifásico en máquinas de inducción y en transformadores trifásicos, mediante factores de desequilibrio. Primero, Se caracterizó un desequilibrio de tensión mediante cuatro parámetros: tipo de desequilibrio (q), componente directa de la tensión (V1), VUF y ángulo del factor complejo de desequilibrio de tensión. Para analizar los efectos de desequilibrios en motores de inducción, se realizaron simulaciones en dos motores, y ensayos de laboratorio y simulaciones en un tercer motor. Se observó que los parámetros de desequilibrio de tensión y ángulo del CVUF no tienen influencia en el CUF y el TRF. También se observó que existe una tendencia lineal entre el CUF y el TRF respecto al VUF (para valores constantes de V1) y que existe una tendencia lineal entre el CUF y el TRF respecto a V1 (para valores constantes de VUF). Pequeños desequilibrios de tensión pueden generar grandes desequilibrios de corriente y un fuerte rizado de par. En los ensayos de laboratorio se obtuvieron resultados muy cercanos a los obtenidos mediante la simulación del motor 3. Dichos resultados fueron cualitativamente iguales a los obtenidos para los motores 1 y 2. Se simularon desequilibrios en un transformador trifásico. Se observó que los desequilibrios de tensión en el devanado primario provocan desequilibrios en las tensiones del secundario y en las corrientes del primario y del secundario. También se observaron tendencias lineales entre los mismos factores que los analizados con motores. Por último, se desarrolló un nuevo método de estimación de parámetros del transformador monofásico a partir de ensayos en carga mediante un algoritmo que minimizaba el error de pérdidas eléctricas de potencia y de caída de tensión del devanado secundario. Se consiguieron estimar parámetros más precisos del circuito equivalente Gamma del transformador monofásico que los obtenidos con los ensayos de vacío y cortocircuito. This thesis analyses the effect of the unbalance of the three-phase voltage system in induction machines and in three-phase transformers, by means of unbalance factors. First, a voltage unbalance was characterized by four parameters: type of unbalance (q), positive-sequence voltage (V1), VUF and angle of the complex factor of voltage unbalance. To analyse the effects of unbalances in induction motors, simulations were carried out in two motors, and laboratory tests and simulations in a third motor. It was observed that the unbalance voltage and angle parameters of the CVUF have no influence on the CUF and the TRF. It was also observed that there is a linear trend between the CUF and the TRF versus VUF (for constant values of V1) and that there is a linear tendency between the CUF and the TRF versus V1 (for constant values of VUF). Small voltage unbalances can generate large current unbalances and strong torque ripple. In the laboratory tests, results very close to those obtained by the simulation of motor 3 were obtained. These results were qualitatively equal to those obtained for motors 1 and 2. Unbalances were simulated in a three-phase transformer. It was observed that the voltage unbalance in the primary winding causes unbalance in the secondary voltages and in the primary and secondary currents. Linear trends were also observed among the same factors as those analysed with motors. Finally, a new method for estimating the parameters of the single-phase transformer was developed from load tests using an algorithm that minimized the error of electrical power losses and voltage drop of the secondary winding. More precise parameters of the equivalent Gamma circuit of the single-phase transformer were estimated than those obtained with the open-circuit and short-circuit tests.

En l'última dècada, el transistor d'efecte de camp amb efecte túnel (TFET) ha guanyat molt interès i es maneja com un possible successor de la tecnologia MOSFET convencional. El transport de càrrega en un TFET es basa en el mecanisme de túnel de banda a banda (B2B) i, per tant, el pendent sub-llindar a temperatura ambient pot superar el límit de 60 mV / dec. Per descriure i analitzar el comportament del TFET en les simulacions de circuits, aquesta dissertació introdueix un model compacte de CC per TFET de doble comporta. L'enfocament de modelatge considera l'efecte túnel B2B amb l'efecte parasitari del corrent túnel assistida per trampes (TAT) en l'estat ON i ambipolar del TFET. Inclou un paquet d'equacions compactes per al potencial 2D per descriure el diagrama de banda del TFET. Basat en el diagrama de banda, el B2B i el corrent TAT es deriven per separat. Per fer-ho, primer es troba una expressió compacta per la llargada túnel, que després s'utilitza juntament amb un enfocament numèric robust de tipus Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) per calcular la probabilitat túnel. Després, usant l'equació de túnel de Landauer, la taxa de generació túnel es calcula i s'aproxima per arribar a una expressió de forma tancada per a la densitat de corrent. Amb una aproximació addicional de la densitat de corrent utilitzant una funció matemàtica, s'aconsegueixen expressions compactes per al túnel B2B resultant i el corrent TAT. La verificació del model es realitza amb l'ajuda de les dades de simulació TCAD Sentaurus per diverses configuracions de simulació. A més, la validesa del model es demostra mitjançant mesuraments de TFET complementaris fabricats. Per demostrar l'estabilitat numèrica i la continuïtat, així com la flexibilitat, es realitzen i analitzen simulacions de circuits lògics basats en TFET com un inversor d'una sola etapa o una cel·la SRAM. La combinació del model CC amb un model TFET AC permet una simulació transitòria d'un oscil·lador en anell de 11 etapes. En la última década, el transistor de efecto de campo con efecto túnel (TFET) ha ganado mucho interés y se maneja como un posible sucesor de la tecnología MOSFET convencional. El transporte de carga en un TFET se basa en el mecanismo de túnel de banda a banda (B2B) y, por lo tanto, la pendiente sub-umbral a temperatura ambiente puede superar el límite de 60 mV / dec. Para describir y analizar el comportamiento del TFET en las simulaciones de circuitos, esta disertación introduce un modelo compacto de CC para TFET de doble compuerta. El enfoque de modelado considera el efecto túnel B2B con el efecto parasitario de la corriente túnel asistida por trampas (TAT) en el estado ON y AMBIPOLAR del TFET. Incluye un paquete de ecuaciones compactas del potencial 2D para describir el diagrama de banda del TFET. Basado en el diagrama de banda, el B2B y la corriente TAT se derivan por separado. Para hacerlo, primero se encuentra una expresión compacta para la longitud túnel, que luego se utiliza junto con un enfoque numérico robusto de tipo Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) para calcular la probabilidad túnel. Luego, usando la ecuación de túnel de Landauer, la tasa de generación túnel se calcula y aproxima para llegar a una expresión de forma cerrada para la densidad de corriente. Con una aproximación adicional de la densidad de corriente por una función matemática, se logran expresiones compactas para el túnel B2B resultante y la corriente TAT. La verificación del modelo se realiza con la ayuda de los datos de simulación TCAD Sentaurus para varias configuraciones de simulación. Además, la validez del modelo se demuestra mediante mediciones de TFET complementarios fabricados. Para demostrar la estabilidad numérica y la continuidad, así como la flexibilidad, se realizan y analizan simulaciones de circuitos lógicos basados en TFET como un inversor de una sola etapa o una celda SRAM. La combinación del modelo CC con un modelo TFET AC permite una simulación transitoria de un oscilador en anillo de 11 etapas. In the last decade, the tunnel field-effect transistor (TFET) has gained a lot of interest and is handled as a possible successor of the conventional MOSFET technology. The current transport of a TFET is based on the band-to-band (B2B) tunneling mechanism and therefore, the subthreshold slope at room temperature can overcome the limit of 60 mV/dec. In order to describe and analyze the TFET behavior in circuit simulations, this dissertation introduces a compact DC model for double-gate TFETs. The modeling approach considers the B2B tunneling and the parasitic effect of trap-assisted tunneling (TAT) in the ON- and AMBIPOLAR-state of the TFET. It includes a 2D compact potential equation package to de-scribe the band diagram of the TFET. Based on the band diagram, the B2B tunneling and TAT current part are derived separately. In order to do so, firstly a compact expression for the tunneling length is found, which is then used together with a numerical robust Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approach to calculate the tunneling probability. Afterwards, using Landauer’s tunneling equation, the tunneling generation rate is calculated and approximated to come to a closed-form expression for the current density. Further approximation of the current density by a mathematical function, compact expressions for the resulting B2B tun-neling and TAT current are achieved. The verification of the model is done with the help of TCAD Sentaurus simulation data for various simulation setups. Furthermore, the validity of the model is proven by measurements of fabricated complementary TFETs. In order to demonstrate the numerical stability and continuity as well as the flexibility, simulations of TFET-based logic circuits like a single-stage inverter or an SRAM cell are performed and analyzed. The combination of the DC model with an TFET AC model allows for a transient simulation of an 11-stage ring oscillator.

Aquesta tesi descriu de manera analítica la connexió en cascada de convertidors amb les condicions de subministrament de la potència constant i proposa estratègies simples de control que poden fer front a la inestabilitat causada per la càrrega de potència constant (CPL). Amb aquest objectiu, s'estudia l'ús de diferents estratègies com; el control lineal, el control de manera lliscant (SMC), el control digital de mode (DSMC) i el control PWM no lineal a la regulació d'un convertidor elevador que subministra una CPL. El punt de partida és l'anàlisi dels convertidors elementals que s'ha posat en funcionament a la frontera entre el mode de conducció continuada (CCM) i el mode de conducció discontinu (DCM). Després s'analitza en temps continu el control en mode lliscant d'un convertidor elevador que alimenta una CPL que resulta en una implementació analògica. També, s'aborda el control en mode lliscant amb PWM en temps de discret que resulta en una implementació digital. Dos controls analògics no lineals amb modulador per amplitud de pols son presentats com a solucions alternatives per regular el voltatge de sortida d'un convertidor a una freqüència de commutació constant. Primer, una malla virtual s'utilitza tant per estabilitzar el convertidor com per regular indirectament la tensió de sortida. Seguidament, es presenta un mecanisme per estimar la potència de la CPL. Finalment, s'apropa la implementació de convertidors que funcionin com a CPL mitjançant la presentació d'un procediment sistemàtic general de síntesi. Esta tesis describe analíticamente la conexión en cascada de convertidores en condiciones de suministro de potencia constante y propone estrategias simples de control que pueden hacer frente a la inestabilidad causada por la carga de potencia constante (CPL). Con este objetivo, se estudia el uso de diferentes estrategias como; el control lineal, el control de modo deslizante (SMC), el control digital de modo deslizante (DSMC) y el control PWM no lineal en la regulación de un convertidor elevador que suministra una CPL. El punto de partida es el análisis de los convertidores elementales en lazo abierto operando en la frontera entre el modo de conducción continua (CCM) y el modo de conducción discontinua (DCM). Después se analiza en tiempo continuo el control de modo deslizante de un convertidor elevador que alimenta una CPL lo que resulta en una implementación analógica. También, se aborda el control en modo deslizante con PWM en tiempo discreto que resulta en una implementación digital. Dos controles analógicos no lineales con modulador por anchura de pulsos son presentados como soluciones alternativas para regular el voltaje de salida del convertidor a una frecuencia de conmutación constante. Primero, una malla virtual es utilizada tanto para estabilizar el convertidor como para regular indirectamente la tensión de salida. Luego, se presenta un mecanismo para estimar la potencia de la CPL. Finalmente, se aborda la implementación de convertidores actuando como CPL mediante la presentación de un procedimiento sistemático general de síntesis. This thesis describes analytically the cascade connection of converters under constant power supply conditions, and propose simple control solutions that can cope with the potential instability caused by the constant power load (CPL). With this aim, the use of different strategies such as linear control, sliding-mode control (SMC), digital SMC (DSMC), and nonlinear PWM control is studied in the regulation of a boost converter supplying a CPL. The starting point is the analysis of the elementary converters in open-loop in the boundary between continuous conduction-mode (CCM) and discontinuous conduction-mode (DCM). Then, the SMC of a boost converter feeding a CPL is exhaustingly covered by a continuous-time approach leading to an analogue implementation. A discrete-time approach for sliding-mode control using a PWM resulting in a digital implementation is presented. Two analogue PWM-based nonlinear controllers as alternative solutions to regulate the output voltage in constant switching frequency operation are proposed. First, the use of a virtual mesh is developed to both stabilize the converter and indirectly regulate the output voltage. Then, a mechanism to estimate the power of the CPL is presented. Finally, the implementation of converters with CPL behavior by presenting a general systematic procedure of synthesis is addressed.

La inflamació és una resposta biològica complexa d'un organisme davant d'estímuls de diversa etiologia. Durant la resposta inflamatòria es produeix una variació en les concentracions de certes proteïnes presents en plasma anomenades “proteïnes de fase aguda”. La majoria d'aquestes proteïnes són proteïnes glicadas. El procés de glicosilació de proteïnes augmenta en resposta a citocines proinflamatòries i es caracteritza per la unió d'un o diversos monosacàrids (com són GlcNAc, GalNAC i Neu5Ac, entre d'altres) a la cadena d'aminoàcids de la proteïna. Actualment hi ha un interès creixent en el descobriment de nous biomarcadors capaços d'avaluar el grau d'inflamació sistèmica degut, en part, a la gran variabilitat intraindividual que presenten els marcadors actualment utilitzats en clínica, com és la PCR. Durant els últims anys la tecnologia d'alt rendiment RMN s'ha convertit en una eina cada vegada més utilitzada en la pràctica clínica a causa dels seus grans avantatges. Un exemple d'això són els tests avançats de lipoproteïnes (ex. Liposcale a Biosfer Teslab o Lipoprofile en Labcorp). En aquesta tesi presentem un mètode de quantificació de glicoproteïnes basat en RMN amb la finalitat de determinar el seu interès clínic. A diferència d'altres mètodes de RMN descrits en la literatura que quantifiquen GlycA i GlycB, corresponents a la concentració dels grups acetil dels residus GlcNAc, GalNac i Neu5AC, nosaltres vam presentar nous paràmetres no descrits anteriorment com són GlycF i les ràtios H / W de GlycA i GlycB, que han demostrat estar fortament associats al grau d'inflamació. Els resultats obtinguts en els estudis presentats en aquesta tesi són prometedors des del punt de vista clínic i metodològic. El perfilat de glicoproteïnes a través de 1H-NMR llança un nou paradigma encoratjador per a la seva futura incorporació al diagnòstic clínic. La inflamación es una respuesta biológica compleja de un organismo frente a estímulos de diversa etiología. Durante la respuesta inflamatoria se produce una variación en las concentraciones de ciertas proteínas presentes en plasma llamadas proteínas de fase aguda. La mayoría de estas proteínas son proteínas glicadas. El proceso de glicosilación de proteínas aumenta en respuesta a citoquinas proinflamatorias y se caracteriza por la unión de uno o varios monosacáricos (como son GlcNAc, GalNAC y Neu5Ac, entre otros) a la cadena de aminoácidos de la proteína. Actualmente existe un creciente interés en el descubrimiento de nuevos biomarcadores capaces de evaluar el grado de inflamación sistémica debido en parte a la gran variabilidad intraindividual que presentan los marcadores actualmente utilizados en clínica como es la PCR. Durante los últimos años la tecnología de alto rendimiento RMN se ha convertido en una herramienta cada vez más utilizada en la práctica clínica debido a sus grandes ventajas. Un ejemplo de ello son los test avanzados de lipoproteínas (ej. Liposcale en Biosfer Teslab o Lipoprofile en Labcorp). En esta tesis presentamos un método de cuantificación de glicoproteínas basado en RMN con el fin de determinar su interés clínico. A diferencia de otros métodos de RMN descritos en la literatura que cuantifican GlycA y GlycB, correspondientes a la concentración de los grupos acetilo de los residuos GlcNAc, GalNac y Neu5AC, nosotros presentamos nuevos parámetros no descritos anteriormente como son GlycF y los ratios H/W de GlycA y GlycB, que han demostrado estar fuertemente asociados al grado de inflamación. Los resultados obtenidos en los estudios presentados en esta tesis son prometedores desde el punto de vista clínico y metodológico. El perfilado de glicoproteínas a través de 1H-NMR, lanza un nuevo paradigma alentador para su futura incorporación en el diagnostico clínico Inflammation is a complex biological response of an organism to a stimulus of diverse aetiology. During the inflammatory response there is a variation in the concentrations of certain proteins present in plasma called acute phase proteins. Most of these proteins are glycated proteins. The process of protein glycation increases in response to pro-inflammatory cytokines and is characterized by the binding of one or more monosaccharides (such as GlcNAc, GalNAC and Neu5Ac, among others) to the amino acid chain of the protein. Currently there is a growing interest in the discovery of new biomarkers capable of evaluating the degree of systemic inflammation due in part to the great intra-individual variability that present the markers currently used in clinical such as CRP. In recent years, high-performance NMR technology has become an increasingly used tool in clinical practice due to its great advantages. An example of this are the advanced lipoprotein tests (e.g. Liposcale in Biosfer Teslab or Lipoprofile in Labcorp). In this thesis we present a method of quantification of glycoproteins based on NMR in order to determine their clinical interest. Unlike other NMR methods described in the literature that quantify GlycA and GlycB, corresponding to the concentration of the acetyl groups of GlcNAc, GalNac and Neu5AC residues, we present new parameters not previously described such as GlycF and the H/W ratios of GlycA and GlycB, which have been shown to be strongly associated with the degree of inflammation. The results obtained in the studies presented in this thesis are promising from a clinical and methodological point of view. The profiling of glycoproteins through 1H-NMR, launches an encouraging new paradigm for its future incorporation in clinical diagnosis.

En les últimes dècades, la nanociència ha sorgit com una nova tecnologia gràcies a la seva versatilitat per ser emprada en diferents camps. Dins d’aquets grup, un dels nanomaterials més prometedors, els punts quàntics han estat estudiats per la seva extraordinària propietats i la seva versatilitat per utilitzar-los en diferents camps. La present tesis doctoral es centra en la síntesi de diferents punts quàntics, així com en el seu ús en LEDs, cèl·lules solars perovskites i biosensors. S'han sintetitzat tres tipus de punts quàntics: cadmi, perovskites i punts quàntics de carboni. Els dos primers presenten una banda d’emissió estreta i un rendiment quàntic elevat. No obstant, la seva alta toxicitat és un inconvenient que s’ha de tenir en comte. Com alternativa al seu ús, hem sintetitzat punts quàntics fet de carboni. La seva baixa toxicitat i biocompatibilitat és una bona alternativa als nanomaterials que contenen metalls pesants. A més, el material basat en carboni es pot preparar amb productes comuns com ara glucosa o sucrosa i poden ser dissolts en dissolvents no clorats com ara l’etanol o l’aigua. El treball presentat en aquesta tesis es va dur a terme a l'Institut d'Investigació Química de Catalunya (ICIQ) i al centre tecnològic Eurecat de Catalunya, entre març de 2015 i març de 2019. En la última década, la nanociencia se ha convertido en una tecnología novedosa debido a su versatilidad para ser empleada en muchas áreas de investigación. Uno de los nanomateriales más prometedores, los puntos cuánticos coloidales, han sido estudiados en profundidad por su extraordinario optoelectrónico y su versatilidad para usar en diferentes campos. La presente tesis se centra en la síntesis de diferentes puntos cuánticos, así como su uso en LED, células solares de perovskita y biosensores. Se han sintetizado tres puntos cuánticos diferentes: cadmio, perovskita y puntos cuánticos de carbono. Los dos primeros materiales presentan un alto rendimiento cuántico y banda de emisión estrecha. Sin embargo, su alta toxicidad es una inconveniente que se tiene que tener en cuenta. Como alternativa a su uso, sintetizamos puntos cuánticos de carbono. Su baja toxicidad y su biocompatibilidad es una buena alternativa a los nanomateriales que contienen metales pesados. Además, el material a base de carbono se puede preparar utilizando productos de uso diario como azúcar o jugo de naranja y se puede resolver en solventes que no sean de cloro, como etanol o agua. El trabajo presentado en esta tesis se llevó a cabo en el Instituto de Investigación Química de Cataluña (ICIQ) y en Eurecat, el centro tecnológico de Cataluña, entre marzo de 2015 y marzo de 2019. In the last decades, nanoscience has emerged as a novel technology due to its versatility to be employed in many research areas. One of the most promising nanomaterials, colloidal quantum dots have been deeply studied for their extraordinary optoelectronic properties and their versatility in order to use in different fields. The present thesis is focused on the synthesis of different quantum dots as well as their use in LEDs, perovskites solar cells and biosensors. Three different Quantum Dots have been synthetized: cadmium, perovskites and carbon based quantum dots. The first two material present a high quantum yield and narrow emission band. However, their high toxicity is an important drawback. In order to avoid the use of those material we synthetized carbon quantum dots. Their low toxicity and biocompatibility is a good alternative to heavy metal-containing nanomaterials. In addition, carbon based material can be prepared using ordinary products as glucose or sucrose and solved in non-chloro solvents such as ethanol or water. The work discussed in this thesis was carried out at Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ) and Eurecat the technological center of Catalonia, between March 2015 and March 2019.

Els avenços en les tecnologies d'energia renovable encara permeten obtenir bons rendiments amb un cost menor que els preus dels combustibles fòssils. L'energia fotovoltaica (cèl·lules solars) és la tecnologia d'energia solar més desenvolupada pel fet que converteix directament l'energia de la llum solar en electricitat. Les cèl·lules solars orgàniques basades en polímers: materials de fullerne (PSC) es consideren una font d'energia prometedora de baix cost. Avui dia, els PSC han d'exhibir alta eficiència, llarga vida útil, fabricació de baix cost i qualitats amigables amb el medi ambient per a la seva comercialització a gran escala. Aquí es va descriure la fabricació, el modelatge i la caracterització de cèl·lules solars orgàniques basades en polímers amb arquitectura invertida (iPSCs). La tesi se centra en l'estudi de la millora simultània de l'eficiència i l'estabilitat a llarg termini dels iPSCs basats en polímers: fullerens. Els polímers PTB7 i PTB7-Th es van usar com materials donants d'electrons, mentre que el fullereno PC70BM es va usar com a acceptor d'electrons. Es van usar òxid de zinc (ZnO) i òxid de titani (TiOx) com capes de transport d'electrons (ETL), a més es va usar PFN per a propòsits de comparació. Tots els dispositius iPSC es van caracteritzar per mètodes òptics, elèctrics i fotofísics per tal de comprendre els mecanismes de pèrdua involucrats en el procés de degradació. Es van usar models de circuits equivalents per analitzar les característiques de J-V en la foscor i es van usar dades d'impedància espectroscòpica per identificar l'origen dels mecanismes de pèrdua. En aquesta tesi es van demostrar cèl·lules solars orgàniques d'alta eficiència i estables basades en PTB7: PC70BM i PTB7-Th: PC70BM amb arquitectura invertida. A més, el TiOx utilitzat com a capa de transport d'electrons és crucial per millorar l'eficiència i l'estabilitat dels iPSCs. Finalment, també es va demostrar que les capes de ZnO dipositades mitjançant impressió per raig de tinta es poden aplicar amb èxit a la fabricació de iPSCs d'alta eficiència a escala de laboratori. Los avances en tecnologías de energía renovable permiten obtener buenos rendimientos con un costo menor que los precios de los combustibles fósiles. La fotovoltaica es la tecnología de energía solar más desarrollada debido a que convierte directamente la energía de la luz solar en electricidad. Las células solares orgánicas basadas en polímeros: materiales de fullereno (PSC) se consideran una fuente de energía prometedora de bajo costo. Hoy en día, PSC deben exhibir alta eficiencia, larga vida útil, fabricación de bajo costo y cualidades amigables con el medio ambiente para su comercialización a gran escala. Aquí se describió la fabricación,modelado y caracterización de células solares orgánicas basadas en polímeros con arquitectura invertida (iPSCs). La tesis se centra en el estudio de mejoras simultáneas de la eficiencia y estabilidad a largo plazo de iPSCs basados en polímeros: fullerenos. Los polímeros PTB7 y PTB7-Th se usaron como materiales donantes de electrones, mientras que el PC70BM se usó como aceptor de electrones. Se usaron óxido de zinc (ZnO) y titanio (TiOx) como capas de transporte de electrones (ETL), además se usó PFN para propósitos de comparación. Todos los dispositivos iPSC se caracterizaron por métodos ópticos, eléctricos y fotofísicos con el fin de comprender mecanismos de pérdida involucrados en el proceso de degradación. Se usaron modelos de circuitos equivalentes para analizar las características de J-V en oscuridad y se usaron datos de impedancia espectroscópica para identificar el origen de los mecanismos de pérdida. En esta tesis se demostraron células solares orgánicas de alta eficiencia estables basadas en PTB7: PC70BM y PTB7-Th: PC70BM con arquitectura invertida. Además, TiOx utilizado como capa transportadora de electrones crucial para mejorar la eficiencia y la estabilidad de los iPSCs. Finalmente, también se demostró que las capas de ZnO depositadas mediante impresión por chorro de tinta se pueden aplicar con éxito para fabricación de iPSCs de alta eficiencia a escala de laboratorio. The advances on the renewable energy technologies still allow obtaining good performances with lower cost than fossil fuel prices. Photovoltaics (solar cells) is the most developed solar energy technology due to converts directly the sunlight energy into electricity. The organic solar cells based on polymer:fullerne materials (PSCs) are considered as a promising low-cost energy source. Nowadays, the PSCs must exhibit high efficiency, long lifetime, low-cost fabrication, and environmentally friendly qualities for their large-scale commercialization. Herein the fabrication, modelling and characterization of polymer-based organic solar cells with inverted architecture (iPSCs) were described. The thesis focuses on the study of the simultaneous improvement of efficiency and long-term stability of iPSCs based on polymer:fullerenes. The polymers PTB7 and PTB7-Th were used as electron donor materials, whereas the fullerene PC70BM was used as the electron acceptor. Zinc oxide (ZnO) and titanium oxide (TiOx) were used as electron transport layers (ETL), moreover PFN was used for comparison purposes. All iPSC devices were characterized by optical, electrical and photophysical methods in order to understand the loss mechanisms involved in the degradation process. Equivalent circuit models were used to analyze the J-V characteristics in the dark and impedance spectroscopy data was used to identify the origin of the loss mechanisms. High efficient and stable organic solar cells based on PTB7:PC70BM and PTB7-Th:PC70BM with inverted architecture were demonstrated in this thesis. Moreover, TiOx used as an electron transport layer is crucial for improving the efficiency and the stability of iPSCs. Finally, it was also demonstrated that ZnO layers deposited by inkjet printing can be successfully applied to the fabrication of high efficiency iPSCs at laboratory scale.

Aquesta tesi està centrada en explorar la utilitat de la llum ultraviolada per tal d'activar els sensors de gasos basats òxids metàl·lics (MOX), i comparar els resultats amb l'activació per temperatura. Mitjançant l'aplicació d'UV, i més concretament el sistema proposat en aquesta tesi, aplicant llum polsada, hem obtingut resultats prometedors. Per una banda, hem reduït la temperatura necessària per a la detecció dels gasos, possibilitant que puguin treballar fins i tot a temperatura ambient, amb el consequent estalvi energètic. La metodologia proposada consisteix en irradiar el material sensible mitjançant UV polsada, això crea uns transitoris dintre dels cicles de llum i no llum (arrissat en el senyal de la resistència mesurada) on hem observat que aquests transitoris estan relacionats amb la concentració dels gasos a detectar. Durant la il·lumincació UV, es generen en el MOX portadors de càrrega, es modifica la quantitat i/o naturalesa de les espècies d’oxigen ionoadsorbides i s'afavoreix la desorbció d’altres espècies presents en la superficie del material sensible. El fet de polsar la il·luminació sotmet el MOX a treballar en una successió d’estats transitoris. Aquesta metodologia s’ha aplicat a dos òxids metàlics diferents: In2O3 (nanooctahedres) i WO3 (en forma de nanoagulles). Els gasos amb els que s’ha treballat han estat NO2, NH3, Acetona i Etanol, amb diferents condicions d´humitat. Com a conclusió podem dir que amb aquesta metodologia podem millorar el temps de resposta, reduir el consum (temperatura a utilitzar) i millorar la sensibilitat i selectivitat, tant per gasos reductors com oxidants. Esta tesis está centrada en explorar la utilidad de la luz ultravioleta para activar los sensores de gases basados en óxidos metálicos (MOX), y comparar los resultados con la activación por temperatura. Los MOX necesitan subir en temperatura para activar sus propiedades como semiconductores y también propiciar las reacciones con los gases a detectar, donde medimos la variación de la conductividad como respuesta a ese gas. Mediante la aplicación de UV, y más concretamente para el sistema propuesto en esta tesis aplicando pulsos de luz, hemos obtenido resultados prometedores. Por un lado hemos reducido la temperatura de detección de los gases y hemos propiciado reacciones e interacciones con el material que nos permiten discriminar mejor entre los gases. También hemos mejorado el tiempo de respuesta a RT con UV pulsada respecto activación sólo con temperatura. La metodología propuesta consiste en irradiar el material sensible mediante UV pulsada, esto crea unos transitorios dentro de los ciclos de luz y no luz (rizado en la señal) donde hemos observado que estos transitorios están relacionados con la concentración de los gases a detectar. Durante esta tesis hemos estudiado el comportamiento del IN2O3 (octahedros) y WO3 (nanoagujas) para la detección del NO2, NH3, Acetona y Ethanol, también bajo condiciones de humedad. Como conclusión podemos decir que con esta metodología podemos mejorar el tiempo de respuesta, reducir el consumo (temperatura) y mejorar la sensitibilidad y selectividad, tanto para gases reductores como oxidantes. This thesis is focused on exploring the potential of ultraviolet light to activate metal oxide gas sensors (MOX), and to compare the results obtained against those when only temperature activation is used. MOXs need to be heated in order to show their properties as semiconductors and also react, on their surface, with the target gases, where we measure conductivity variations as a response towards those gases. In this thesis we have obtained promising results applying pulses of UV light. First of all, we have reduced the temperature for gas detection, then we have noticed that other kind of interactions appeared when the material is at low temperatures under UV excitation, which allows us to discriminate better between gases. We have also improved the response time at room temperature with pulsed UV in contrast to temperature alone. The proposed methodology consists of irradiating the sensitive material with on and off cycles of UV light, creating transients ( a ripple) in sensor resistance. What we have observed is that these transients are related to the concentration of the pollutant gases. This allows to design strategies to improve selectivity. During this thesis, we have studied In2O3 (octahedra) and WO3 (nanoneedles) as sensing layers for the detection of NO2, NH3, acetone, and ethanol, also under humid conditions. In conclusion we can say that with this methodology we can improve response time, reduce consumption (operation temperature can be lowered significantly) and improve sensitivity and selectivity, both for reducing and oxidizing gases.

La imatge per espectrometria de masses (MSI) mapeja la distribució espacial de les molècules en una mostra. Això permet extreure informació Metabolòmica espacialment corralada d'una secció de teixit. MSI no s'usa àmpliament en la metabolòmica espacial a causa de diverses limitacions relacionades amb les matrius MALDI, incloent la generació d'ions que interfereixen en el rang de masses més baix i la difusió lateral dels compostos. Hem desenvolupat un flux de treball que millora l'adquisició de metabòlits en un instrument MALDI utilitzant un "sputtering" per dipositar una nano-capa d'Au directament sobre el teixit. Això minimitza la interferència dels senyals del "background" alhora que permet resolucions espacials molt altes. S'ha desenvolupat un paquet R per a la visualització d'imatges i processament de les dades MSI, tot això mitjançant una implementació optimitzada per a la gestió de la memòria i la programació concurrent. A més, el programari desenvolupat inclou també un algoritme per a l'alineament de masses que millora la precisió de massa. La imagen por espectrometría de masas (MSI) mapea la distribución espacial de las moléculas en una muestra. Esto permite extraer información metabolòmica espacialmente corralada de una sección de tejido. MSI no se usa ampliamente en la metabolòmica espacial debido a varias limitaciones relacionadas con las matrices MALDI, incluyendo la generación de iones que interfieren en el rango de masas más bajo y la difusión lateral de los compuestos. Hemos desarrollado un flujo de trabajo que mejora la adquisición de metabolitos en un instrumento MALDI utilizando un “sputtering” para depositar una nano-capa de Au directamente sobre el tejido. Esto minimiza la interferencia de las señales del “background” a la vez que permite resoluciones espaciales muy altas. Se ha desarrollado un paquete R para la visualización de imágenes y procesado de los datos MSI, todo ello mediante una implementación optimizada para la gestión de la memoria y la programación concurrente. Además, el software desarrollado incluye también un algoritmo para el alineamiento de masas que mejora la precisión de masa. Mass spectrometry imaging (MSI) maps the spatial distributions of molecules in a sample. This allows extracting spatially-correlated metabolomics information from tissue sections. MSI is not widely used in spatial metabolomics due to several limitations related with MALDI matrices, including the generation of interfering ions and in the low mass range and the lateral compound delocalization. We developed a workflow to improve the acquisition of metabolites using a MALDI instrument. We sputter an Au nano-layer directly onto the tissue section enabling the acquisition of metabolites with minimal interference of background signals and ultra-high spatial resolution. We developed an R package for image visualization and MSI data processing, which is optimized to manage datasets larger than computer’s memory using a mutli-threaded implementation. Moreover, our software includes a label-free mass alignment algorithm for mass accuracy enhancement.

D'acord amb les necessitats actuals per a l'obtenció de l'energia resultat d'una demanda energètica creixent, i on una de les fonts energètiques més utilitzada són els hidrocarburs dels quals danyen al medi ambient, es torna indispensable buscar fonts d'energia més amigables amb el medi ambient, com ho són les energies renovables. D'acord amb l'anterior, una de les hipòtesis de partida d'aquesta tesi consisteix a millorar les prestacions dels sistemes fotovoltaics utilitzats en lluminàries públiques mitjançant la utilització d'un únic convertidor commutat, i crear un model d'innovació que permeti la vinculació entre l'àrea científica i àrea industrial i en aquest cas buscar la comercialització del convertidor commutat únic. La generació d'un nou model d'innovació i la generació d'una nova estructura convertidora juntament amb el seu modelatge matemàtic i aplicació permetessin millorar les prestacions d'un sistema fotovoltaic, són les dues temàtiques principals estudiades en aquesta tesi com esmentem en el paràgraf anterior. Basat en idees prèvies presentades en l'estat de l'art s'aconsegueix realitzar una estructura convertidora punt primordial d'aquesta tesi, anomenada convertidor commutat buck-boost versàtil bidireccional, en què es realitzen dos tipus d'anàlisi aplicant el control en mode de lliscament un per manera diürn i un altre per manera nocturna en els dos casos comptant amb superfícies de commutació complexes, el que va permetre millorar les prestacions d'un sistema fotovoltaic, validades mitjançant mesuraments experimentals, mostrant els avantatges amb què compta aquest convertidor davant d'altres convertidors. Igual que en l'estructura convertidora la creació d'un nou model d'innovació totalment flexible per energies renovables es va realitzar per mitjà d'estudis previs presentats en l'estat de l'art. Aquest model té la particularitat d'adaptar fàcilment per a la realització de qualsevol altre tipus de model d'innovació pel fet que s'explica a detall pas a pas per a la seva realització. De acuerdo con las necesidades actuales por la obtención de la energía resultado de una demanda energética creciente, y donde una de las fuentes energéticas más utilizada son los hidrocarburos los cuales dañan al medio ambiente, se vuelve indispensable buscar fuentes de energía más amigables con el medio ambiente, como lo son las energías renovables. De acuerdo con lo anterior, una de las hipótesis de partida de esta tesis consiste en mejorar las prestaciones de los sistemas fotovoltaicos utilizados en luminarias públicas mediante la utilización de un único convertidor conmutado, y crear un modelo de innovación que permita la vinculación entre el área científica y área industrial y en este caso buscar la comercialización del convertidor conmutado único. La generación de un nuevo modelo de innovación y la generación de una nueva estructura convertidora junto con su modelado matemático y aplicación permitieran mejorar las prestaciones de un sistema fotovoltaico, son las dos temáticas principales estudiadas en esta tesis como mencionamos en el párrafo anterior. Basado en ideas previas presentadas en el estado del arte se logra realizar una estructura convertidora punto primordial de esta tesis, llamada convertidor conmutado buck-boost versátil bidireccional, en el que se realizan dos tipos de análisis aplicando el control en modo de deslizamiento uno para modo diurno y otro para modo nocturno en ambos casos contando con superficies de conmutación complejas, lo que permitió mejorar las prestaciones de un sistema fotovoltaico, validadas mediante mediciones experimentales, mostrando las ventajas con las que cuenta este convertidor frente a otros convertidores. Al igual que en la estructura convertidora la creación de un nuevo modelo de innovación totalmente flexible para energías renovables se realizó por medio de estudios previos presentados en el estado del arte. Este modelo tiene la particularidad de adaptarse fácilmente para la realización de cualquier otro tipo de modelo de innovación debido a que se explica a detalle paso a paso para su realización. In accordance with the current needs for obtaining the energy resulting from an increasing energy demand, and where one of the most used energy sources are hydrocarbons which harm the environment, it becomes essential to look for sources of energy more friendly to the environment environment, as are renewable energies. In accordance with the above, one of the starting hypotheses of this thesis is to improve the performance of photovoltaic systems used in public luminaires by using a single switched converter, and create an innovation model that allows the link between the area scientific and industrial area and in this case seek the commercialization of the single switched converter. The generation of a new model of innovation and the generation of a new converter structure together with its mathematical modeling and application allow to improve the performance of a photovoltaic system, are the two main themes studied in this thesis as mentioned in the previous paragraph. Based on previous ideas presented in the state of the art, a converting structure is achieved, a primordial point of this thesis, called bidirectional versatile buck-boost switched converter, in which two types of analysis are carried out by applying the control in sliding mode one for mode diurnal and another for night mode in both cases counting with complex switching surfaces, which allowed to improve the performance of a photovoltaic system, validated by experimental measurements, showing the advantages with which this converter has against other converters. As in the case of the converter structure, the creation of a completely new model of innovation for renewable energies was carried out through previous studies presented in the state of the art. This model has the particularity of being easily adapted for the realization of any other type of innovation model because it is explained in detail step by step for its realization.