Light-Emitting-Diodes based on ordered InGaN nanocolumns emitting in the blue, green and yellow spectral range

The growth of ordered arrays of InGaN/GaN nanocolumnar light emitting diodes by molecular beam epitaxy, emitting in the blue (441 nm), green (502 nm), and yellow (568 nm) spectral range is reported. The device active region, consisting of a nanocolumnar InGaN section of nominally constant composition and 250 to 500 nm length, is free of extended defects, which is in strong contrast to InGaN layers (planar) of similar composition and thickness. The devices are driven under pulsed operation up to 1300 A/cm2 without traces of efficiency droop. Electroluminescence spectra show a very small blue shift with increasing current, (almost negligible in the yellow device) and line widths slightly broader than those of state-of-the-art InGaN quantum wells.

Optical properties of ZnMgO films grown by spray pyrolysis and their application to UV photodetection

This work presents a comprehensive optical characterization of Zn1−xMgxO thin films grown by spray pyrolysis (SP). Absorption measurements show the high potential of this technique to tune the bandgap from 3.30 to 4.11 eV by changing the Mg acetate content in the precursor solution, leading to a change of the Mg-content ranging from 0 up to 35%, as measured by transmission electron microscopy-energy dispersive x-ray spectroscopy. The optical emission of the films obtained by cathodoluminescence and photoluminescence spectroscopy shows a blue shift of the peak position from 3.26 to 3.89 eV with increasing Mg incorporation, with a clear excitonic contribution even at high Mg contents. The linewidth broadening of the absorption and emission spectra as well as the magnitude of the observed Stokes shift are found to significantly increase with the Mg content. This is shown to be related to both potential fluctuations induced by pure statistical alloy disorder and the presence of a tail of band states, the latter dominating for medium Mg contents. Finally, metal–semiconductor–metal photodiodes were fabricated showing a high sensitivity and a blue shift in the cut-off energy from 3.32 to 4.02 eV, i.e., down to 308 nm. The photodiodes present large UV/dark contrast ratios (102 − 107), indicating the viability of SP as a growth technique to fabricate low cost (Zn, Mg)O-based UV photodetectors reaching short wavelengths.

Fotodiodos basados en (Zn,Mg)O para la detección de luz ultravioleta

La presente tesis fue ideada con el objetivo principal de fabricar y caracterizar fotodiodos Schottky en capas de ZnMgO y en estructuras de pozo cuántico ZnMgO/ZnO para la detección de luz UV. La elección de este material semiconductor vino motivada por la posibilidad que ofrece de detectar y procesar señales simultáneamente, en un amplio margen de longitudes de onda, al igual que su más directo competidor el GaN. En esta memoria se da en primer lugar una visión general de las propiedades estructurales y ópticas del ZnO, prestando especial atención a su ternario ZnMgO y a las estructuras de pozo cuántico ZnMgO/ZnO. Además, se han desarrollado los conocimientos teóricos necesarios para una mejor compresión y discusión de los resultados alcanzados. En lo que respecta a los resultados de esta memoria, en esencia, estos se dividen en dos bloques. Fotodiodos desarrollados sobre capas delgadas de ZnMgO no-polar, y sobre estructuras de pozo cuántico de ZnMgO/ZnO no-polares y semipolares Fotodiodos de capas delgadas de ZnMgO. Es bien conocido que la adición de Mg a la estructura cristalina del ZnO desplaza el borde de absorción hacia energías mayores en el UV. Se ha aprovechado esto para fabricar fotodiodos Schottky sobre capas de ZnMgO crecidas por MOCVD y MBE, los cuales detecten en un ventana de energías comprendida entre 3.3 a 4.6 eV. Sobre las capas de ZnMgO, con diferentes contenidos de Mg(5.6-18.0 %), crecidas por MOCVD se han fabricado fotodiodos Schottky. Se han estudiado en detalle las curvas corrientevoltaje (I-V). Seguidamente, se ha realizado un análisis de la respuesta espectral bajo polarización inversa. Tanto los valores de responsividad obtenidos como el contraste UV/VIS están claramente aumentados por la presencia de ganancia. Paralelamente, se han realizado medidas de espectroscopia de niveles profundos (DLOS), identificándose la presencia de dos niveles profundos de carácter aceptor. El papel desempeñado por estos en la ganancia ha sido analizado meticulosamente. Se ha demostrado que cuando estos son fotoionizados son responsables directos del gran aumento de la corriente túnel que se produce a través de la barrera Schottky, dando lugar a la presencia de la ganancia observada, que además resulta ser función del flujo de fotones incidente. Para extender el rango detección hasta 4.6 eV se fabricaron fotodiodos sobre capas de ZnMgO de altísima calidad cristalina crecidas por MBE. Sobre estos se ha realizado un riguroso análisis de las curvas I-V y de las curvas capacidad-voltaje (CV), para posteriormente identificar los niveles profundos presentes en el material, mediante la técnica de DLOS. Así mismo se ha medido la respuesta espectral de los fotodetectores, la cual muestra un corte abrupto y un altísimo contraste UV/VIS. Además, se ha demostrado como estos son perfectos candidatos para la detección de luz en la región ciega al Sol. Por otra parte, se han fabricado fotodiodos MSM sobre estas mismas capas. Se han estudiado las principales figuras de mérito de estos, observándose unas corrientes bajas de oscuridad, un contraste UV/VIS de 103, y la presencia de fotocorriente persistente. Fotodiodos Schottky de pozos cuánticos de ZnO/ZnMgO. En el segundo bloque de esta memoria, con el objeto final de clarificar el impacto que tiene el tratamiento del H2O2 sobre las características optoelectrónicas de los dispositivos, se ha realizado un estudio detallado, en el que se han analizado por separado fotodiodos tratados y no tratados con H2O2, fabricados sobre pozos cuánticos de ZnMgO/ZnO. Se ha estudiado la respuesta espectral en ambos casos, observándose la presencia de ganancia en los dos. A través de un análisis meticuloso de las características electrónicas y optoeletrónicas de los fotodiodos, se han identificado dos mecanismos de ganancia internos diferentes en función de que la muestra sea tratada o no-tratada. Se han estudiado fotodetectores sensibles a la polarización de la luz (PSPDs) usando estructuras de pozo cuántico no-polares y semipolares sobre sustratos de zafiro y sustratos de ZnO. En lo que respecta a los PSPDs sobre zafiro, en los cuales el pozo presenta una tensión acumulada en el plano, se ha visto que el borde de absorción se desplaza _E _21 meV con respecto a luz linealmente polarizada perpendicular y paralela al eje-c, midiéndose un contraste (RE || c /RE c)max _ 6. Con respecto a los PSPDs crecidos sobre ZnO, los cuales tienen el pozo relajado, se ha obtenido un 4E _30-40, y 21 meV para las heteroestructuras no-polar y semipolar, respectivamente. Además el máximo contraste de responsividad fue de (RE || c /RE c)max _ 6 . Esta sensibilidad a la polarización de la luz ha sido explicada en términos de las transiciones excitónicas entre la banda de conducción y las tres bandas de valencia. ABSTRACT The main goal of the present thesis is the fabrication and characterization of Schottky photodiodes based on ZnMgO layers and ZnMgO / ZnO quantum wells (QWs) for the UV detection. The decision of choosing this semiconductor was mainly motivated by the possibility it offers of detecting and processing signals simultaneously in a wide range of wavelengths like its main competitor GaN. A general overview about the structural and optical properties of ZnO, ZnMgO layers and ZnMgO/ZnO QWs is given in the first part of this thesis. Besides, it is shown the necessary theoretical knowledge for a better understanding of the discussion presented here. The results of this thesis may be divided in two parts. On the one hand, the first part is based on studying non-polar ZnMgO photodiodes. On the other hand, the second part is focused on the characterization of non-polar and semipolar ZnMgO / ZnO QWs Schottky photodiodes. ZnMgO photodiodes. It is well known that the addition of Mg in the crystal structure of ZnO results in a strong blue-shift of the ZnO band-gap. Taking into account this fact Schottky photodiodes were fabricated on ZnMgO layers grown by MOCVD and MBE. Concerning ZnMgO layers grown by MOCVD, a series of Schottky photodiodes were fabricated, by varying the Mg content from 5.6% to 18 %. Firstly, it has been studied in detail the current-voltage curves. Subsequently, spectral response was analyzed at reverse bias voltage. Both the rejection ratio and the responsivity are shown to be largely enhanced by the presence of an internal gain mechanism. Simultaneously, measurements of deep level optical spectroscopy were carried out, identifying the presence of two acceptor-like deep levels. The role played for these in the gain observed was studied in detail. It has been demonstrated that when these are photoionized cause a large increase in the tunnel current through the Schottky barrier, yielding internal gains that are a function of the incident photon flux. In order to extend the detection range up to 4.6 eV, photodiodes ZnMgO grown by MBE were fabricated. An exhaustive analysis of the both I-V and CV characteristics was performed. Once again, deep levels were identified by using the technique DLOS. Furthermore, the spectral response was measured, observing sharp absorption edges and high UV/VIS rejections ratio. The results obtained have confirmed these photodiodes are excellent candidates for the light detection in the solar-blind region. In addition, MSM photodiodes have also been fabricated on the same layers. The main figures of merit have been studied, showing low dark currents, a large UV/VIS rejection ratio and persistent photocurrent. ZnMgO/ZnO QWs photodiodes. The second part was focused on ZnMgO/ ZnO QWs. In order to clarify the impact of the H2O2 treatment on the performance of the Schottky diodes, a comparative study using treated and untreated ZnMgO/ZnO photodiodes has been carried out. The spectral response in both cases has shown the presence of gain, under reverse bias. Finally, by means of the analysis of electronic and optoelectronic characteristics, two different internal gain mechanisms have been indentified in treated and non-treated material. Light polarization-sensitive UV photodetectors (PSPDs) using non-polar and semipolar ZnMgO/ZnO multiple quantum wells grown both on sapphire and ZnO substrates have been demonstrated. For the PSPDs grown on sapphire with anisotropic biaxial in-plain strain, the responsivity absorption edge shifts by _E _21 meV between light polarized perpendicular and parallel to the c-axis, and the maximum responsivity contrast is (RE || c /RE c)max _ 6 . For the PSPDs grown on ZnO, with strain-free quantum wells, 4E _30-40, and 21 meV for non-polar and semipolar heterostructures, and maximum (R /R||)max _10. for non-polar heterostructure was achieved. These light polarization sensitivities have been explained in terms of the excitonic transitions between the conduction and the three valence bands.

Self assembled and ordered group III nitride nanocolumnar structures for light emitting applications

El objetivo de este trabajo es un estudio profundo del crecimiento selectivo de nanoestructuras de InGaN por epitaxia de haces moleculares asistido por plasma, concentrandose en el potencial de estas estructuras como bloques constituyentes en LEDs de nueva generación. Varias aproximaciones al problema son discutidas; desde estructuras axiales InGaN/GaN, a estructuras core-shell, o nanoestructuras crecidas en sustratos con orientaciones menos convencionales (semi polar y no polar). La primera sección revisa los aspectos básicos del crecimiento auto-ensamblado de nanocolumnas de GaN en sustratos de Si(111). Su morfología y propiedades ópticas son comparadas con las de capas compactas de GaN sobre Si(111). En el caso de las columnas auto-ensambladas de InGaN sobre Si(111), se presentan resultados sobre el efecto de la temperatura de crecimiento en la incorporación de In. Por último, se discute la inclusión de nanodiscos de InGaN en las nanocolumnas de GaN. La segunda sección revisa los mecanismos básicos del crecimiento ordenado de nanoestructuras basadas en GaN, sobre templates de GaN/zafiro. Aumentando la relación III/V localmente, se observan cambios morfológicos; desde islas piramidales, a nanocolumnas de GaN terminadas en planos semipolares, y finalmente, a nanocolumnas finalizadas en planos c polares. Al crecer nanodiscos de InGaN insertados en las nanocolumnas de GaN, las diferentes morfologias mencionadas dan lugar a diferentes propiedades ópticas de los nanodiscos, debido al diferente carácter (semi polar o polar) de los planos cristalinos involucrados. La tercera sección recoge experimentos acerca de los efectos que la temperatura de crecimiento y la razón In/Ga tienen en la morfología y emisión de nanocolumnas ordenadas de InGaN crecidas sobre templates GaN/zafiro. En el rango de temperaturas entre 650 y 750 C, la incorporacion de In puede modificarse bien por la temperatura de crecimiento, o por la razón In/Ga. Controlar estos factores permite la optimización de la longitud de onda de emisión de las nanocolumnas de InGaN. En el caso particular de la generación de luz blanca, se han seguidos dos aproximaciones. En la primera, se obtiene emisión amarilla-blanca a temperatura ambiente de nanoestructuras donde la región de InGaN consiste en un gradiente de composiciones de In, que se ha obtenido a partir de un gradiente de temperatura durante el crecimiento. En la segunda, el apilamiento de segmentos emitiendo en azul, verde y rojo, consiguiendo la integración monolítica de estas estructuras en cada una de las nanocolumnas individuales, da lugar a emisores ordenados con un amplio espectro de emisión. En esta última aproximación, la forma espectral puede controlarse con la longitud (duración del crecimiento) de cada uno de los segmentos de InGaN. Más adelante, se presenta el crecimiento ordenado, por epitaxia de haces moleculares, de arrays de nanocolumnas que son diodos InGaN/GaN cada una de ellas, emitiendo en azul (441 nm), verde (502 nm) y amarillo (568 nm). La zona activa del dispositivo consiste en una sección de InGaN, de composición constante nominalmente y longitud entre 250 y 500 nm, y libre de defectos extendidos en contraste con capas compactas de InGaN de similares composiciones y espesores. Los espectros de electroluminiscencia muestran un muy pequeño desplazamiento al azul al aumentar la corriente inyectada (desplazamiento casi inexistente en el caso del dispositivo amarillo), y emisiones ligeramente más anchas que en el caso del estado del arte en pozos cuánticos de InGaN. A continuación, se presenta y discute el crecimiento ordenado de nanocolumnas de In(Ga)N/GaN en sustratos de Si(111). Nanocolumnas ordenadas emitiendo desde el ultravioleta (3.2 eV) al infrarrojo (0.78 eV) se crecieron sobre sustratos de Si(111) utilizando una capa compacta (“buffer”) de GaN. La morfología y eficiencia de emisión de las nanocolumnas emitiendo en el rango espectral verde pueden ser mejoradas ajustando las relaciones In/Ga y III/N, y una eficiencia cuántica interna del 30% se deriva de las medidas de fotoluminiscencia en nanocolumnas optimizadas. En la siguiente sección de este trabajo se presenta en detalle el mecanismo tras el crecimiento ordenado de nanocolumnas de InGaN/GaN emitiendo en el verde, y sus propiedades ópticas. Nanocolumnas de InGaN/GaN con secciones largas de InGaN (330-830 nm) se crecieron tanto en sustratos GaN/zafiro como GaN/Si(111). Se encuentra que la morfología y la distribución espacial del In dentro de las nanocolumnas dependen de las relaciones III/N e In/Ga locales en el frente de crecimiento de las nanocolumnas. La dispersión en el contenido de In entre diferentes nanocolumnas dentro de la misma muestra es despreciable, como indica las casi identicas formas espectrales de la catodoluminiscencia de una sola nanocolumna y del conjunto de ellas. Para las nanocolumnas de InGaN/GaN crecidas sobre GaN/Si(111) y emitiendo en el rango espectral verde, la eficiencia cuántica interna aumenta hasta el 30% al disminuir la temperatura de crecimiento y aumentar el nitrógeno activo. Este comportamiento se debe probablemente a la formación de estados altamente localizados, como indica la particular evolución de la energía de fotoluminiscencia con la temperatura (ausencia de “s-shape”) en muestras con una alta eficiencia cuántica interna. Por otro lado, no se ha encontrado la misma dependencia entre condiciones de crecimiento y efiencia cuántica interna en las nanoestructuras InGaN/GaN crecidas en GaN/zafiro, donde la máxima eficiencia encontrada ha sido de 3.7%. Como alternativa a las nanoestructuras axiales de InGaN/GaN, la sección 4 presenta resultados sobre el crecimiento y caracterización de estructuras core-shell de InGaN/GaN, re-crecidas sobre arrays de micropilares de GaN fabricados por ataque de un template GaN/zafiro (aproximación top-down). El crecimiento de InGaN/GaN es conformal, con componentes axiales y radiales en el crecimiento, que dan lugar a la estructuras core-shell con claras facetas hexagonales. El crecimiento radial (shell) se ve confirmado por medidas de catodoluminiscencia con resolución espacial efectuadas en un microscopio electrónico de barrido, asi como por medidas de microscopía de transmisión de electrones. Más adelante, el crecimiento de micro-pilares core-shell de InGaN se realizó en pilares GaN (cores) crecidos selectivamente por epitaxia de metal-orgánicos en fase vapor. Con el crecimiento de InGaN se forman estructuras core-shell con emisión alrededor de 3 eV. Medidas de catodoluminiscencia resuelta espacialmente indican un aumento en el contenido de indio del shell en dirección a la parte superior del pilar, que se manifiesta en un desplazamiento de la emisión de 3.2 eV en la parte inferior, a 3.0 eV en la parte superior del shell. Este desplazamiento está relacionado con variaciones locales de la razón III/V en las facetas laterales. Finalmente, se demuestra la fabricación de una estructura pin basada en estos pilares core-shell. Medidas de electroluminiscencia resuelta espacialmente, realizadas en pilares individuales, confirman que la electroluminiscencia proveniente del shell de InGaN (diodo lateral) está alrededor de 3.0 eV, mientras que la emisión desde la parte superior del pilar (diodo axial) está alrededor de 2.3 eV. Para finalizar, se presentan resultados sobre el crecimiento ordenado de GaN, con y sin inserciones de InGaN, en templates semi polares (GaN(11-22)/zafiro) y no polares (GaN(11-20)/zafiro). Tras el crecimiento ordenado, gran parte de los defectos presentes en los templates originales se ven reducidos, manifestándose en una gran mejora de las propiedades ópticas. En el caso de crecimiento selectivo sobre templates con orientación GaN(11-22), no polar, la formación de nanoestructuras con una particular morfología (baja relación entre crecimiento perpedicular frente a paralelo al plano) permite, a partir de la coalescencia de estas nanoestructuras, la fabricación de pseudo-templates no polares de GaN de alta calidad. ABSTRACT The aim of this work is to gain insight into the selective area growth of InGaN nanostructures by plasma assisted molecular beam epitaxy, focusing on their potential as building blocks for next generation LEDs. Several nanocolumn-based approaches such as standard axial InGaN/GaN structures, InGaN/GaN core-shell structures, or InGaN/GaN nanostructures grown on semi- and non-polar substrates are discussed. The first section reviews the basics of the self-assembled growth of GaN nanocolumns on Si(111). Morphology differences and optical properties are compared to those of GaN layer grown directly on Si(111). The effects of the growth temperature on the In incorporation in self-assembled InGaN nanocolumns grown on Si(111) is described. The second section reviews the basic growth mechanisms of selectively grown GaNbased nanostructures on c-plane GaN/sapphire templates. By increasing the local III/V ratio morphological changes from pyramidal islands, to GaN nanocolumns with top semi-polar planes, and further to GaN nanocolumns with top polar c-planes are observed. When growing InGaN nano-disks embedded into the GaN nanocolumns, the different morphologies mentioned lead to different optical properties, due to the semipolar and polar nature of the crystal planes involved. The third section reports on the effect of the growth temperature and In/Ga ratio on the morphology and light emission characteristics of ordered InGaN nanocolumns grown on c-plane GaN/sapphire templates. Within the growth temperature range of 650 to 750oC the In incorporation can be modified either by the growth temperature, or the In/Ga ratio. Control of these factors allows the optimization of the InGaN nanocolumns light emission wavelength. In order to achieve white light emission two approaches are used. First yellow-white light emission can be obtained at room temperature from nanostructures where the InGaN region is composition-graded by using temperature gradients during growth. In a second approach the stacking of red, green and blue emitting segments was used to achieve the monolithic integration of these structures in one single InGaN nanocolumn leading to ordered broad spectrum emitters. With this approach, the spectral shape can be controlled by changing the thickness of the respective InGaN segments. Furthermore the growth of ordered arrays of InGaN/GaN nanocolumnar light emitting diodes by molecular beam epitaxy, emitting in the blue (441 nm), green (502 nm), and yellow (568 nm) spectral range is reported. The device active region, consisting of a nanocolumnar InGaN section of nominally constant composition and 250 to 500 nm length, is free of extended defects, which is in strong contrast to InGaN layers (planar) of similar composition and thickness. Electroluminescence spectra show a very small blue shift with increasing current, (almost negligible in the yellow device) and line widths slightly broader than those of state-of-the-art InGaN quantum wells. Next the selective area growth of In(Ga)N/GaN nanocolumns on Si(111) substrates is discussed. Ordered In(Ga)N/GaN nanocolumns emitting from ultraviolet (3.2 eV) to infrared (0.78 eV) were then grown on top of GaN-buffered Si substrates. The morphology and the emission efficiency of the In(Ga)N/GaN nanocolumns emitting in the green could be substantially improved by tuning the In/Ga and total III/N ratios, where an estimated internal quantum efficiency of 30 % was derived from photoluminescence data. In the next section, this work presents a study on the selective area growth mechanisms of green-emitting InGaN/GaN nanocolumns and their optical properties. InGaN/GaN nanocolumns with long InGaN sections (330-830nm) were grown on GaN/sapphire and GaN-buffered Si(111). The nanocolumn’s morphology and spatial indium distribution is found to depend on the local group (III)/N and In/Ga ratios at the nanocolumn’s top. A negligible spread of the average indium incorporation among different nanostructures is found as indicated by similar shapes of the cathodoluminescence spectra taken from single nanocolumns and ensembles of nanocolumns. For InGaN/GaN nanocolumns grown on GaN-buffered Si(111), all emitting in the green spectral range, the internal quantum efficiency increases up to 30% when decreasing growth temperature and increasing active nitrogen. This behavior is likely due to the formation of highly localized states, as indicated by the absence of a complete s-shape behavior of the PL peak position with temperature (up to room temperature) in samples with high internal quantum efficiency. On the other hand, no dependence of the internal quantum efficiency on the growth conditions is found for InGaN/GaN nanostructures grown on GaN/sapphire, where the maximum achieved efficiency is 3.7%. As alternative to axial InGaN/GaN nanostructures, section 4 reports on the growth and characterization of InGaN/GaN core-shell structures on an ordered array of top-down patterned GaN microrods etched from a GaN/sapphire template. Growth of InGaN/GaN is conformal, with axial and radial growth components leading to core-shell structures with clear hexagonal facets. The radial InGaN growth (shell) is confirmed by spatially resolved cathodoluminescence performed in a scanning electron microscopy as well as in scanning transmission electron microscopy. Furthermore the growth of InGaN core-shell micro pillars using an ordered array of GaN cores grown by metal organic vapor phase epitaxy as a template is demonstrated. Upon InGaN overgrowth core-shell structures with emission at around 3.0 eV are formed. With spatially resolved cathodoluminescence, an increasing In content towards the pillar top is found to be present in the InGaN shell, as indicated by a shift of CL peak position from 3.2 eV at the shell bottom to 3.0 eV at the shell top. This shift is related to variations of the local III/V ratio at the side facets. Further, the successful fabrication of a core-shell pin diode structure is demonstrated. Spatially resolved electroluminescence measurements performed on individual micro LEDs, confirm emission from the InGaN shell (lateral diode) at around 3.0 eV, as well as from the pillar top facet (axial diode) at around 2.3 eV. Finally, this work reports on the selective area growth of GaN, with and without InGaN insertion, on semi-polar (11-22) and non-polar (11-20) templates. Upon SAG the high defect density present in the GaN templates is strongly reduced as indicated by TEM and a dramatic improvement of the optical properties. In case of SAG on non-polar (11-22) templates the formation of nanostructures with a low aspect ratio took place allowing for the fabrication of high-quality, non-polar GaN pseudo-templates by coalescence of the nanostructures.

Binary metal oxides for composite ultrafiltration membranes

A new ultrafiltration membrane was developed by the incorporation of binary metal oxides inside polyethersulfone. Physico-chemical characterization of the binary metal oxides demonstrated that the presence of Ti in the TiO2?ZrO2 system results in an increase of the size of the oxides, and also their dispersity. The crystalline phases of the synthesized binary metal oxides were identified as srilankite and zirconium titanium oxide. The effect of the addition of ZrO2 can be expressed in terms of the inhibition of crystal growth of anocrystalline TiO2 during the synthesis process. For photocatalytic applications the band gap of the synthesized semiconductors was determined, confirming a gradual increase (blue shift) in the band gap as the amount of Zr loading increases. Distinct distributions of binary metal oxides were found along the permeation axis for the synthesized membranes. Particles with Ti are more uniformly dispersed throughout the membrane cross-section. The physico-chemical characterization of membranes showed a strong correlation between some key membrane properties and the spatial particle distribution in the membrane structure. The proximity of metal oxide fillers to the membrane surface determines the hydrophilicity and porosity of modified membranes. Membranes incorporating binary metal oxides were found to be promising candidates for wastewater treatment by ultrafiltration, considering the observed improvement influx and anti-fouling properties of doped membranes. Multi-run fouling tests of doped membranes confirmed the stability of permeation through membranes embedded with binary TiO2?ZrO2 particles.

Infiltration of a photonic crystal fiber with cholesteric liquid crystal and blue phase

Photonic crystal fibers (PCF) have been selectively filled with a cholesteric liquid crystal (ChLC) with special interest in the blue phase (BP) of the liquid crystal. It has been observed thermal tuning of the guided light in the visible region. A dramatically enhance appears when the phase of the liquid crystal changes from cholesteric to blue phase I (BPI). When a thermal range of the blue phase I is achieved, no changes are observed while increasing temperature from BPI through BPII and to the isotropic phase.

Utilizing the Internet of Things to promote energy awareness and efficiency at discrete production processes: Practices and methodology

El actual contexto de fabricación, con incrementos en los precios de la energía, una creciente preocupación medioambiental y cambios continuos en los comportamientos de los consumidores, fomenta que los responsables prioricen la fabricación respetuosa con el medioambiente. El paradigma del Internet de las Cosas (IoT) promete incrementar la visibilidad y la atención prestada al consumo de energía gracias tanto a sensores como a medidores inteligentes en los niveles de máquina y de línea de producción. En consecuencia es posible y sencillo obtener datos de consumo de energía en tiempo real proveniente de los procesos de fabricación, pero además es posible analizarlos para incrementar su importancia en la toma de decisiones. Esta tesis pretende investigar cómo utilizar la adopción del Internet de las Cosas en el nivel de planta de producción, en procesos discretos, para incrementar la capacidad de uso de la información proveniente tanto de la energía como de la eficiencia energética. Para alcanzar este objetivo general, la investigación se ha dividido en cuatro sub-objetivos y la misma se ha desarrollado a lo largo de cuatro fases principales (en adelante estudios). El primer estudio de esta tesis, que se apoya sobre una revisión bibliográfica comprehensiva y sobre las aportaciones de expertos, define prácticas de gestión de la producción que son energéticamente eficientes y que se apoyan de un modo preeminente en la tecnología IoT. Este primer estudio también detalla los beneficios esperables al adoptar estas prácticas de gestión. Además, propugna un marco de referencia para permitir la integración de los datos que sobre el consumo energético se obtienen en el marco de las plataformas y sistemas de información de la compañía. Esto se lleva a cabo con el objetivo último de remarcar cómo estos datos pueden ser utilizados para apalancar decisiones en los niveles de procesos tanto tácticos como operativos. Segundo, considerando los precios de la energía como variables en el mercado intradiario y la disponibilidad de información detallada sobre el estado de las máquinas desde el punto de vista de consumo energético, el segundo estudio propone un modelo matemático para minimizar los costes del consumo de energía para la programación de asignaciones de una única máquina que deba atender a varios procesos de producción. Este modelo permite la toma de decisiones en el nivel de máquina para determinar los instantes de lanzamiento de cada trabajo de producción, los tiempos muertos, cuándo la máquina debe ser puesta en un estado de apagada, el momento adecuado para rearrancar, y para pararse, etc. Así, este modelo habilita al responsable de producción de implementar el esquema de producción menos costoso para cada turno de producción. En el tercer estudio esta investigación proporciona una metodología para ayudar a los responsables a implementar IoT en el nivel de los sistemas productivos. Se incluye un análisis del estado en que se encuentran los sistemas de gestión de energía y de producción en la factoría, así como también se proporcionan recomendaciones sobre procedimientos para implementar IoT para capturar y analizar los datos de consumo. Esta metodología ha sido validada en un estudio piloto, donde algunos indicadores clave de rendimiento (KPIs) han sido empleados para determinar la eficiencia energética. En el cuarto estudio el objetivo es introducir una vía para obtener visibilidad y relevancia a diferentes niveles de la energía consumida en los procesos de producción. El método propuesto permite que las factorías con procesos de producción discretos puedan determinar la energía consumida, el CO2 emitido o el coste de la energía consumida ya sea en cualquiera de los niveles: operación, producto o la orden de fabricación completa, siempre considerando las diferentes fuentes de energía y las fluctuaciones en los precios de la misma. Los resultados muestran que decisiones y prácticas de gestión para conseguir sistemas de producción energéticamente eficientes son posibles en virtud del Internet de las Cosas. También, con los resultados de esta tesis los responsables de la gestión energética en las compañías pueden plantearse una aproximación a la utilización del IoT desde un punto de vista de la obtención de beneficios, abordando aquellas prácticas de gestión energética que se encuentran más próximas al nivel de madurez de la factoría, a sus objetivos, al tipo de producción que desarrolla, etc. Así mismo esta tesis muestra que es posible obtener reducciones significativas de coste simplemente evitando los períodos de pico diario en el precio de la misma. Además la tesis permite identificar cómo el nivel de monitorización del consumo energético (es decir al nivel de máquina), el intervalo temporal, y el nivel del análisis de los datos son factores determinantes a la hora de localizar oportunidades para mejorar la eficiencia energética. Adicionalmente, la integración de datos de consumo energético en tiempo real con datos de producción (cuando existen altos niveles de estandarización en los procesos productivos y sus datos) es esencial para permitir que las factorías detallen la energía efectivamente consumida, su coste y CO2 emitido durante la producción de un producto o componente. Esto permite obtener una valiosa información a los gestores en el nivel decisor de la factoría así como a los consumidores y reguladores. ABSTRACT In today‘s manufacturing scenario, rising energy prices, increasing ecological awareness, and changing consumer behaviors are driving decision makers to prioritize green manufacturing. The Internet of Things (IoT) paradigm promises to increase the visibility and awareness of energy consumption, thanks to smart sensors and smart meters at the machine and production line level. Consequently, real-time energy consumption data from the manufacturing processes can be easily collected and then analyzed, to improve energy-aware decision-making. This thesis aims to investigate how to utilize the adoption of the Internet of Things at shop floor level to increase energy–awareness and the energy efficiency of discrete production processes. In order to achieve the main research goal, the research is divided into four sub-objectives, and is accomplished during four main phases (i.e., studies). In the first study, by relying on a comprehensive literature review and on experts‘ insights, the thesis defines energy-efficient production management practices that are enhanced and enabled by IoT technology. The first study also explains the benefits that can be obtained by adopting such management practices. Furthermore, it presents a framework to support the integration of gathered energy data into a company‘s information technology tools and platforms, which is done with the ultimate goal of highlighting how operational and tactical decision-making processes could leverage such data in order to improve energy efficiency. Considering the variable energy prices in one day, along with the availability of detailed machine status energy data, the second study proposes a mathematical model to minimize energy consumption costs for single machine production scheduling during production processes. This model works by making decisions at the machine level to determine the launch times for job processing, idle time, when the machine must be shut down, ―turning on‖ time, and ―turning off‖ time. This model enables the operations manager to implement the least expensive production schedule during a production shift. In the third study, the research provides a methodology to help managers implement the IoT at the production system level; it includes an analysis of current energy management and production systems at the factory, and recommends procedures for implementing the IoT to collect and analyze energy data. The methodology has been validated by a pilot study, where energy KPIs have been used to evaluate energy efficiency. In the fourth study, the goal is to introduce a way to achieve multi-level awareness of the energy consumed during production processes. The proposed method enables discrete factories to specify energy consumption, CO2 emissions, and the cost of the energy consumed at operation, production and order levels, while considering energy sources and fluctuations in energy prices. The results show that energy-efficient production management practices and decisions can be enhanced and enabled by the IoT. With the outcomes of the thesis, energy managers can approach the IoT adoption in a benefit-driven way, by addressing energy management practices that are close to the maturity level of the factory, target, production type, etc. The thesis also shows that significant reductions in energy costs can be achieved by avoiding high-energy price periods in a day. Furthermore, the thesis determines the level of monitoring energy consumption (i.e., machine level), the interval time, and the level of energy data analysis, which are all important factors involved in finding opportunities to improve energy efficiency. Eventually, integrating real-time energy data with production data (when there are high levels of production process standardization data) is essential to enable factories to specify the amount and cost of energy consumed, as well as the CO2 emitted while producing a product, providing valuable information to decision makers at the factory level as well as to consumers and regulators.

Securing implementations of feedback-shift-register-based ciphers using compiler optimizations and co-processors

Los algoritmos basados en registros de desplazamiento con realimentación (en inglés FSR) se han utilizado como generadores de flujos pseudoaleatorios en aplicaciones con recursos limitados como los sistemas de apertura sin llave. Se considera canal primario a aquel que se utiliza para realizar una transmisión de información. La aparición de los ataques de canal auxiliar (en inglés SCA), que explotan información filtrada inintencionadamente a través de canales laterales como el consumo, las emisiones electromagnéticas o el tiempo empleado, supone una grave amenaza para estas aplicaciones, dado que los dispositivos son accesibles por un atacante. El objetivo de esta tesis es proporcionar un conjunto de protecciones que se puedan aplicar de forma automática y que utilicen recursos ya disponibles, evitando un incremento sustancial en los costes y alargando la vida útil de aplicaciones que puedan estar desplegadas. Explotamos el paralelismo existente en algoritmos FSR, ya que sólo hay 1 bit de diferencia entre estados de rondas consecutivas. Realizamos aportaciones en tres niveles: a nivel de sistema, utilizando un coprocesador reconfigurable, a través del compilador y a nivel de bit, aprovechando los recursos disponibles en el procesador. Proponemos un marco de trabajo que nos permite evaluar implementaciones de un algoritmo incluyendo los efectos introducidos por el compilador considerando que el atacante es experto. En el campo de los ataques, hemos propuesto un nuevo ataque diferencial que se adapta mejor a las condiciones de las implementaciones software de FSR, en las que el consumo entre rondas es muy similar. SORU2 es un co-procesador vectorial reconfigurable propuesto para reducir el consumo energético en aplicaciones con paralelismo y basadas en el uso de bucles. Proponemos el uso de SORU2, además, para ejecutar algoritmos basados en FSR de forma segura. Al ser reconfigurable, no supone un sobrecoste en recursos, ya que no está dedicado en exclusiva al algoritmo de cifrado. Proponemos una configuración que ejecuta múltiples algoritmos de cifrado similares de forma simultánea, con distintas implementaciones y claves. A partir de una implementación sin protecciones, que demostramos que es completamente vulnerable ante SCA, obtenemos una implementación segura a los ataques que hemos realizado. A nivel de compilador, proponemos un mecanismo para evaluar los efectos de las secuencias de optimización del compilador sobre una implementación. El número de posibles secuencias de optimizaciones de compilador es extremadamente alto. El marco de trabajo propuesto incluye un algoritmo para la selección de las secuencias de optimización a considerar. Debido a que las optimizaciones del compilador transforman las implementaciones, se pueden generar automáticamente implementaciones diferentes combinamos para incrementar la seguridad ante SCA. Proponemos 2 mecanismos de aplicación de estas contramedidas, que aumentan la seguridad de la implementación original sin poder considerarse seguras. Finalmente hemos propuesto la ejecución paralela a nivel de bit del algoritmo en un procesador. Utilizamos la forma algebraica normal del algoritmo, que automáticamente se paraleliza. La implementación sobre el algoritmo evaluado mejora en rendimiento y evita que se filtre información por una ejecución dependiente de datos. Sin embargo, es más vulnerable ante ataques diferenciales que la implementación original. Proponemos una modificación del algoritmo para obtener una implementación segura, descartando parcialmente ejecuciones del algoritmo, de forma aleatoria. Esta implementación no introduce una sobrecarga en rendimiento comparada con las implementaciones originales. En definitiva, hemos propuesto varios mecanismos originales a distintos niveles para introducir aleatoridad en implementaciones de algoritmos FSR sin incrementar sustancialmente los recursos necesarios. ABSTRACT Feedback Shift Registers (FSR) have been traditionally used to implement pseudorandom sequence generators. These generators are used in Stream ciphers in systems with tight resource constraints, such as Remote Keyless Entry. When communicating electronic devices, the primary channel is the one used to transmit the information. Side-Channel Attack (SCA) use additional information leaking from the actual implementation, including power consumption, electromagnetic emissions or timing information. Side-Channel Attacks (SCA) are a serious threat to FSR-based applications, as an attacker usually has physical access to the devices. The main objective of this Ph.D. thesis is to provide a set of countermeasures that can be applied automatically using the available resources, avoiding a significant cost overhead and extending the useful life of deployed systems. If possible, we propose to take advantage of the inherent parallelism of FSR-based algorithms, as the state of a FSR differs from previous values only in 1-bit. We have contributed in three different levels: architecture (using a reconfigurable co-processor), using compiler optimizations, and at bit level, making the most of the resources available at the processor. We have developed a framework to evaluate implementations of an algorithm including the effects introduced by the compiler. We consider the presence of an expert attacker with great knowledge on the application and the device. Regarding SCA, we have presented a new differential SCA that performs better than traditional SCA on software FSR-based algorithms, where the leaked values are similar between rounds. SORU2 is a reconfigurable vector co-processor. It has been developed to reduce energy consumption in loop-based applications with parallelism. In addition, we propose its use for secure implementations of FSR-based algorithms. The cost overhead is discarded as the co-processor is not exclusively dedicated to the encryption algorithm. We present a co-processor configuration that executes multiple simultaneous encryptions, using different implementations and keys. From a basic implementation, which is proved to be vulnerable to SCA, we obtain an implementation where the SCA applied were unsuccessful. At compiler level, we use the framework to evaluate the effect of sequences of compiler optimization passes on a software implementation. There are many optimization passes available. The optimization sequences are combinations of the available passes. The amount of sequences is extremely high. The framework includes an algorithm for the selection of interesting sequences that require detailed evaluation. As existing compiler optimizations transform the software implementation, using different optimization sequences we can automatically generate different implementations. We propose to randomly switch between the generated implementations to increase the resistance against SCA.We propose two countermeasures. The results show that, although they increase the resistance against SCA, the resulting implementations are not secure. At bit level, we propose to exploit bit level parallelism of FSR-based implementations using pseudo bitslice implementation in a wireless node processor. The bitslice implementation is automatically obtained from the Algebraic Normal Form of the algorithm. The results show a performance improvement, avoiding timing information leakage, but increasing the vulnerability against differential SCA.We provide a secure version of the algorithm by randomly discarding part of the data obtained. The overhead in performance is negligible when compared to the original implementations. To summarize, we have proposed a set of original countermeasures at different levels that introduce randomness in FSR-based algorithms avoiding a heavy overhead on the resources required.