Láseres de semiconductor: teoría y aplicaciones

Aunque los láseres de semiconductor constituyen la antítesis de lo que convencionalmente es la imagen de un láser, su uso y aplicaciones comienzan a estar tan extendidos que es seguro que dentro de muy pocos años el número de los que estarán en funcionamiento será superior al de todas las otras familias láser actualmente conocidas. La razón de lo anterior es que constituyen, como veremos, la base de los sistemas de comunicaciones ópticas que se están desarrollando en todo el mundo, así como de muchos sistemas de control y, posiblemente, de algunas fases de los computadores ópticos que puedan desarrollarse en el futuro. El láser de semiconductor no emite, por lo general, el típico haz casi perfectamente paralelo que se propaga en línea recta sin apenas divergencia, ni incluso puede llegar a verse, ya que, normalmente, va a trabajar en el infrarrojo. Pero a pesar de ello, o mejor dicho, gracias a ello, es la fuente luminosa idónea para trabajar en conjunción con las fibras ópticas. El desarrollo, por otra parte, de toda la tecnología microelectrónica que puede ser aplicada a él de manera inmediata, hace que no sea necesario desarrollar nuevas técnicas para obtener de él lo que se desee. Finalmente, su tamaño y consumo de potencia, hacen de él el elemento más asequible para poder ser introducido dentro de una serie de sistemas donde esos dos parámetros sean imprescindibles. Su estudio, su desarrollo y cómo utilizarlo constituyen en consecuencia, necesidades que pueden ser esenciales en múltiples ocasiones

Estimación del error en la medida del factor de ensanchamiento de línea en láseres de semiconductor

En el presente trabajo se propone un método para la medida y la estimación del error de la misma en la caracterización del factor de ensanchamiento de línea (parámetro α) de los láseres de semiconductor. La técnica propuesta se basa en el cálculo del parámetro α a partir de la medida de la intensidad y de la frecuencia instantánea de los pulsos generados por un laser de semiconductor conmutado en ganancia. El error de medida se estima mediante la comparación entre el espectro medido y el reconstruido utilizando los perfiles temporales de amplitud y fase de los pulsos generados. El método se ha aplicado a un laser DFB, obteniendo un error de medida menor del 5 %.

Modelización de las propiedades radiativas e interacción de láseres ultraintensos con la materia

Desde el año 2004 el código ARWEN ha sido utilizado con éxito para simular y diseñar experimentos relacionados con blancos para fusión por confinamiento inercial [146], astrofísica de laboratorio [145], plasmas como amplificadores de láseres de rayos X [107] o plasmas creados por láser para la medición de espectros de transmisión. Para la realización de estas simulaciones es necesario, además de métodos de alto orden precisos y que presenten buenas propiedades conservativas, conocer ciertas propiedades de los plasmas. En el caso de la fluidodinámica y la conducción electrónica necesitaremos conocer la ecuación de estado [94, 49, 36], y para el transporte de la radiación será preciso disponer de los datos de absorción y emisión [104, 95, 40]. Hasta el año 2009 ARWEN dependía de códigos externos para la generación de estas tablas de opacidad, careciendo de control sobre los métodos empleados para su generación. Además estos códigos asumían equilibrio local termodinámico (LTE), limitando su validez a rangos de alta densidad y baja temperatura. En el marco de esta tesis se ha desarrollado el código BIGBART para la generación de tablas detalladas de opacidad y emisividad para su uso en el módulo de transporte de radiación. De esta forma el grupo dispondrá de su propia herramienta de generación de propiedades radiativas. El código desarrollado es capaz de tratar plasmas en estado fuera de equilibrio (non-LTE) mediante el modelo colisional-radiativo, extendiendo así el rango de validez de las tablas generadas. El trabajo desarrollado para implementar un código LTE/non-LTE estacionario es el siguiente Cálculo de estructura y datos atómicos. Se ha acoplado en código FAC a BIGBART, incorporando la capacidad para generar potenciales atómicos para una configuración y el cálculo de funciones de onda de electrones en orbitales ligados y libres. Aproximaciones y métodos para la obtención de tasas y secciones eficaces de procesos. Se han incluido y programado los modelos implementados en FAC para el cálculo de secciones eficaces de fotoionización, y tasas de decaimiento de emisión espontánea y autoionización. Además se ha incluido el modelo Plane-Wave Born (PWBA) para el cálculo de las secciones eficaces de ionización y excitación colisional. Modelos para la obtención de la distribución de estados iónicos dentro del plasma. Se ha programado un solver LTE basado en la ecuación de Saha-Boltzmann con efectos de ionización por presión debida a los iones adyacentes. También se ha implementado un modelo non-LTE colisionalradiativo para la resolución del sistema de ecuaciones que nos permite obtener la densidad de estados iónicos fuera de equilibrio. Modelo non-LTE RADIOM. Se ha implementado el modelo RADIOM para aproximar efectos de no-equilibrio mediante cálculos LTE a una temperatura equivalente, menor o igual que la temperatura electrónica real. Cálculo de las propiedades espectrales de absorción y emisión. Se han implementado los modelos para el cálculo de los perfiles espectrales de absorción y emisión para procesos entre niveles ligados, ligado-libre y librelibre. Aprovechando el trabajo realizado en este sentido, durante el transcurso de esta tesis se amplió el código BIGBART para tratar problemas con dependencia temporal. La extensión para tratar este tipo de problemas se orientó a la simulación numérica de la interacción de láseres ultra intensos en el rango XUV/rayos X. Para ello, además de adaptar el modelo non-LTE colisionalradiativo se incluyeron procesos adicionales asociados a la interacción de la materia con fotones altamente energéticos. También se han incluido modelos para el cálculo de las propiedades ópticas, y por ende las propiedades dieléctricas de la materia irradiada, de gran interés en algunas aplicaciones novedosas de estos láseres intensos. Debido a la naturaleza fuertemente fuera de equilibrio en la interacción de fotones de alta energía con la materia, se incluyó el tratamiento de la distribución de electrones libres fuera de equilibrio en la aproximación de Fokker-Planck, tanto para condiciones degeneradas como no degeneradas. El trabajo desarrollado en el código non-LTE con dependencia temporal es el siguiente Procesos asociados a láseres intensos XUV/rayos X. Se ha implementado el cálculo de procesos radiativos estimulados de absorción y emisión por el láser. También se han incluido procesos asociados a la creación de vacantes en capas internas electrónicas (Shake), además de doble autoionización y doble fotoionización. Cálculo de propiedades ópticas y dieléctricas en blancos sólidos. Se ha implementado un modelo para la absorción por bremsstrahlung inverso en blancos en estado sólido. Con el coeficiente de extinción debido a procesos de fotoabsorción resonante, fotoionización y bremsstrahlung inverso se obtiene el ´ındice de refracción mediante la relación de Kronig-Kramers. Electrones fuera de equilibrio. Se ha tratado la evolución de la distribución de electrones, cuando no está justificado asumir que es Maxwelliana o de Fermi-Dirac, mediante la aproximación de Fokker-Planck para la colisión entre electrones libres. En la resolución de la ecuación de Fokker-Planck se han incluido los procesos inelásticos por colisiones con iones y términos fuente por interacción con el láser y otros procesos. ABSTRACT Since 2004 the ARWEN code has been successfully used to simulate and design targets for inertial confinement fusion experiments [146], laboratory astrophysics [145], plasmas as X-ray lasers amplifiers [107] or laser created plasmas for measuring transmission spectra. To perform these simulations it is necessary, in addition to high order precise methods with good conservative properties, to know certain properties of plasmas. For fluid dynamic and electronic conduction we need to know the equation of state [94, 49, 36], and for radiation transport it will be necessary to have the data of the absorption and emission [104, 95, 40]. Until 2009 ARWEN depended on external codes to generate these opacity tables, lacking of control over the methods used for their generation. Besides, these codes assumed local thermodynamic equilibrium (LTE), limiting their validity ranges to high densities and low temperatures. As part of this thesis it has been developed the BIGBART code for generating detailed opacity and emissivity tables for use in the radiation transport module. This group will have its own tool for the generation of radiative properties. The developed code is capable of treating plasmas out of equilibrium (non-LTE) by means of a collisional-radiative model, extending the range of validity of the generated tables. The work to implement an LTE/non-LTE steady-state code is as follows Calculation of structure and atomic data. the FAC code was coupled to BIGBART, incorporating the ability to generate atomic potentials for calculating configuration wave functions for bound and free electrons. Approaches and methods for obtaining cross sections and processes rates. We have included and reprogrammed in Fortran the models implemented in FAC for calculation of photoionization cross sections and decay rates of spontaneous emission and autoionization. We also included the Plane- Wave Born (PWBA) model to calculate the cross sections of ionization and collisional excitation. Models for the obtention of the distribution of ionic states within the plasma. We programmed a LTE solver based on the Saha-Boltzmann equation with pressure ionization effects due to adjacent ions. It has also been implemented a non-LTE collisional-radiative model for solving the system of equations that allows us to obtain the density of ionic states out of equilibrium. Non-LTE RADIOM model. We have implemented the non-LTE RADIOM model to approximate non-equilibrium effects with LTE data at an equivalent temperature, lower or equal to the actual electronic temperature. Calculation of the spectral absorption and emission properties. Models have been implemented for the calculation of the spectral profiles of absorption and emission processes between bound levels, free-bound and free-free. Taking advantage of the work done in this direction throughout the course of this thesis the code BIGBART was extended to treat time-dependent problems. The extension to treat such problems is oriented to the numerical simulation of the interaction of ultra intense lasers in the XUV/X-ray range. For this range, in addition to adapting the non-LTE collisional-radiative model, additional processes associated with the interaction of matter with high energy photons. We also included models for calculation of the optical properties, and therefore the dielectric properties of the irradiated material, of great interest in some novel applications of these intense lasers. Due to the strong non-equilibrium nature of the interaction of high energy photons with matter, we included the treatment of the distribution of free electrons out of equilibrium in the Fokker-Planck approximation for both degenerate and non-degenerate conditions. The work in the non-LTE time-dependent code is as follows Processes associated with intense XUV/X-ray lasers. We have implemented the calculation of stimulated radiative processes in absorption and emission. Also we included processes associated with the creation of electronic vacancies in inner shells (Shake), double autoionization and double photoionization. Calculation of optical and dielectric properties in solid targets. We have implemented a model for inverse bremsstrahlung absorption in solid targets. With the extinction coefficient from resonant photoabsorption, photoionization and inverse bremsstrahlung the refractive index is obtained by the Kramers-Kronig relation. Electrons out of equilibrium. We treat the evolution of the electron distribution, when it is not justified to assume a Maxwellian or Fermi-Dirac distribution, by the Fokker-Planck approximation for collisions between electrons. When solving the Fokker-Planck equation we included inelastic collision processes with ions and source terms by interaction with the laser and other processes.

Co-creación de semiconductores

El mercado de los semiconductores está saturado de productos similares y de distribuidores con una propuesta de servicios similar. Los procesos de Co-Creación en los que el cliente colabora en la definición y desarrollo del producto y proporciona información sobre su utilidad, prestaciones y valor percibido, con el resultado de un producto que soluciona sus necesidades reales, se están convirtiendo en un paso adelante en la diferenciación y expansión de la cadena de valor. El proceso de diseño y fabricación de semiconductores es bastante complejo, requiere inversiones cada vez mayores y demanda soluciones completas. Se requiere un ecosistema que soporte el desarrollo de los equipos electrónicos basados en dichos semiconductores. La facilidad para el diálogo y compartir información que proporciona internet, las herramientas basadas en web 2.0 y los servicios y aplicaciones en la nube; favorecen la generación de ideas, el desarrollo y evaluación de productos y posibilita la interacción entre diversos co-creadores. Para iniciar un proceso de co-creación se requiere métodos y herramientas adecuados para interactuar con los participantes e intercambiar experiencias, procesos para integrar la co-creación dentro de la operativa de la empresa, y desarrollar una organización y cultura que soporten y fomenten dicho proceso. Entre los métodos más efectivos están la Netnografía que estudia las conversaciones de las comunidades en internet; colaboración con usuarios pioneros que van por delante del Mercado y esperan un gran beneficio de la satisfacción de sus necesidades o deseos; los estudios de innovación que permiten al usuario definir y a menudo crear su propia solución y la externalización a la multitud, que mediante una convocatoria abierta plantea a la comunidad retos a resolver a cambio de algún tipo de recompensa. La especialización de empresas subcontratistas en el desarrollo y fabricación de semiconductores; facilita la innovación abierta colaborando con diversas entidades en las diversas fases del desarrollo del semiconductor y su ecosistema. La co-creación se emplea actualmente en el sector de los semiconductores para detectar ideas de diseños y aplicaciones, a menudo mediante concursos de innovación. El servicio de soporte técnico y la evaluación de los semiconductores con frecuencia es fruto de la colaboración entre los miembros de la comunidad fomentada y soportada por los fabricantes del producto. Con el programa EBVchips se posibilita el acceso a empresas pequeñas y medianas a la co-creación de semiconductores con los fabricantes en un proceso coordinado y patrocinado por el distribuidor EBV. Los semiconductores configurables como las FPGAs constituyen otro ejemplo de co-creación mediante el cual el fabricante proporciona el circuito integrado y el entorno de desarrollo y los clientes crean el producto final definiendo sus características y funcionalidades. Este proceso se enriquece con bloques funcionales de diseño, IP-cores, que a menudo son creados por la comunidad de usuarios. ABSTRACT. The semiconductor market is saturated of similar products and distributors with a similar proposal for services. The processes of co-creation in which the customer collaborates in the definition and development of the product and provides information about its utility, performance and perceived value, resulting in a product that solves their real needs, are becoming a step forward in the differentiation and expansion of the value chain. The design and semiconductor manufacturing process is quite complex, requires increasingly higher investments and demands complete solutions. It requires an ecosystem that supports the development of electronic equipments based on such semiconductors. The ease of dialogue and sharing information that provides internet, web 2.0-based tools and services and applications in the cloud; favor the generation of ideas, the development and evaluation of products and allows the interaction between various co-creators. To start a process of co-creation adequate methods and tools are required to interact with the participants and exchange experiences, processes to integrate the co-creation within the operations of the company, and developing an organization and culture that support and promote such process. Among the most effective methods are the Netnography that studies the conversations of the communities on the internet; collaboration with Lead Users who are ahead of the market and expect a great benefit from the satisfaction of their needs or desires; Innovation studies that allow the user to define and often create their own solution and Crowdsourcing, an open call to the community to solve challenges in exchange for some kind of reward. The specialization of subcontractors in the development and manufacture of semiconductors; facilitates open innovation in the context of collaboration with different entities working in the different phases of the development of the semiconductor and its ecosystem. Co-creation is used currently in the semiconductor sector to detect ideas of designs and applications, often through innovation’s contests. Technical support and evaluation of semiconductors frequently is the result of collaboration between members of the community fostered and supported by the manufacturers of the product. The EBVchips program provides access to small and medium-sized companies to the co-creation of semiconductors with manufacturers in a process coordinated and sponsored by the Distributor EBV. Configurable semiconductors like FPGAs are another example of co-creation whereby the manufacturer provides the integrated circuit and the development environment and customers create the final product by defining their features and functionality. This process is enriched with IP-cores, designs blocks that are often created by the user community.

Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

Método de sedimentación de partículas semiconductores coloidales

Se basa en el control del pH de la suspensión coloidal, modificándolo de tal manera que se alcance el punto isoeléctrico que es característico de cada tipo de partícula en presencia de un determinado electrolito. Una vez terminado el tratamiento de fotocatálisis se almacena la suspensión coloidal en un tanque y tras homogeneizar la misma mediante agitadores convencionales se toma una muestra representativa del volumen total y se añade una base o un ácido a la misma hasta conseguir el punto de carga eléctrica nula de la muestra. A continuación se añade al tanque de almacenamiento la cantidad adecuada de base o de ácido, extrapolada de la etapa anterior, con lo que se conseguirá el punto de carga eléctrica nula del volumen almacenado en el tanque. Finalmente se retira el sobrenadante limpio, una vez que se ha producido la sedimentación del catalizador en el fondo del tanque de almacenamiento.

ESTUDIO ESTRUCTURAL DE SEMICONDUCTORES USADOS EN APLICACIONES FOTOVOLTAICAS

Se presenta un estudio de las propiedades estructurales de los semiconductores Bi2S3, SnS, SnS2, SnS:Bi, Cu3BiS3 y Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) usados como capa absorbente en dispositivos optoelectrónicos. Todas las muestras fueron crecidas por procesos de co-evaporación de sus especies metálicas sobre sustratos de vidrio. El efecto de las condiciones de preparación sobre las propiedades estructurales y composición química han sido analizados y obtenidos a partir de difracción de rayos-X (XRD) y espectroscopia de electrones Auger (AES). Los resultados revelan que todos los compuestos crecen con estructura ortorrómbica, a diferencia del SnS2 y el CIGS, que crecen con estructura hexagonal y tetragonal, respectivamente. Los resultados composicionales revelaron que a partir de la deconvolución de sus picos se encontraron fases asociadas a Cu2Se y In2Se3

Haciendo hologramas en la escuela y en la casa

La comunidad científica que se ocupa de los problemas relacionados con el proceso de enseñanza-aprendizaje de la físicas, ha dedicado muchos esfuerzos en los ultimos años al perfeccionamiento del mismo, motivado en primera instancia, por las demandas de renovación que el impetuoso desarrollo científico-técnico le impone en la actualidad a la enseñanza de las ciencias. En los últimos años se ha producido un desarrollo vertiginoso en la fabricación de diodos láser que emiten en el espectro visible, esto ha permitido su utilización creciente en múltiples aplicaciones y hace factible su utilización en la enseñanza aprendizaje de la física universitaria y en particular de la holografía, por sus grandes ventajas frente a los láseres convencionales de gran costo y difícil manipulación. En el trabajo se describen la instalación experimental portátil diseñada para la obtención de hologramas en la escuela y en la casa con la utilización de diodos láser, la metodología de trabajo a seguir, los métodos de procesamiento utilizados para diferentes tipos de emulsiones holográficas y un análisis de los defectos que pueden presentar los hologramas producidos y la forma de detectarlos y erradicarlos

Procesos fotofísicos y fotoquímicos en sistemas organizados

Se estudiará el comportamiento de moléculas sonda aromáticas flourescentes en micelas inversas de AOT y BHDC y en soluciones de polielectrolitos y mezclas de polielectrolitos y detergentes. Se espera obtener información sobre la estructura de los sistemas microheterogéneos y cómo esta estructura afecta la formación de iones radicales obtenidos a partir de reacciones entre moléculas sonda y moléculas donoras o aceptoras de electrones. Las técnicas a emplear incluyen espectroscopía de absorción y emisión, láser flash fotólisis, flourescencia pulsada por láseres y time correlated single photon counting. Objetivos generales y específicos: 1. Fotofísica y fotoquímica en micelas inversas. 1.1. Exciplejos en micelas inversas. 1.2. Rendimientos de estados electrónicos triplete en micelas inversas. 1.3. Comportamiento de ftalocianinas y porfirinas en micelas inversas. 2. Soluciones de polielectrolitos y mezclas de polielectrolitos con detergentes. 2.1. Reacciones fotoinducidas. 2.2. Comportamiento de derivados de porfirinas y ftalocianinas. 3. Montaje de la técnica de Time Correlated Single Photn Counting. 4. Montaje de un equipo adicional de laser flash fotólisis. 5. Síntesis de derivados solubles en agua de porfirinas y ftalocianinas.

Electroquímica de sustancias orgánicas, mecanismos y electrosíntesis: Producción y aplicación de electrodos modificados

En este trabajo se trata de elucidar los procesos de oxidación-reducción electroquímica de compuestos orgánico aromáticos. Interesan los productos de reacción y el manejo de las variables externas para lograr la optimización de los que sean de interés. Estos estudios se realizan en medios homogéneos y además en medios bifásicos. Así se estudian procesos de electrodos con sustancias orgánicas en sistemas bifásicos líquido-líquido. Interesan conocer los mecanismos de fotoelectroquímica de moléculas biomiméticas tales como carotenos y porfirinas, principalmente en lo referente a la producción de fotocorriente. También se estudian procesos relacionados a la preparación y obtención de electrodos modificados por sustancias orgánicas poliméricas y electrodos sensores como los de metal-óxido y polímero orgánico-metal polidisperso. Objetivos generales y específicos: Los estudios electroquímicos con sustancias orgánicas comprenden una amplia gama de posibilidades. En este proyecto se estudian procesos de electrodo de diversas sustancias orgánicas donde se trata de dilucidar los mecanismos de los procesos redox en general. En lo particular se estudia el comportamiento electroquímico y fotoelectroquímico de sustancias biomiméticas como son los compuestos carotenoides y porfirinas. Interesa fundamentalmente la producción de fotocorriente obtenidas a través de la fotoexcitación. Se propone analizar la sensibilización de semiconductores (SnO2) por medio de moléculas biomiméticas. Estas últimas actúan como aceptor primario de energía radiante y transfieren un hueco o un electrón desde el estado excitado a las bandas de energía del semiconductor base. También se estudian procesos relacionados con la preparación y obtención de electrodos modificados por sustancias orgánicas poliméricas. En este laboratorio ya se han obtenido varios tipos de polímeros y en este proyecto se propone someterlos a condiciones extremas de potencial y a medios agresivos a fin de determinar este tipo de propiedades. Una de las aplicaciones inmediatas de estos electrodos es utilizarlos como sensores electroquímicos para diversas sustancias orgánicas. Por otro lado se estudian procesos electroquímicos en interfaces líquido/ líquido, pseudofaces (micelas) además de medios homogéneos. Como reacción modelo se utiliza nitración de naftaleno.

Errores en sistemas de procesamiento de datos debido a eventos transitorios en interfaces analógicas: aportes a la mitigación de los mismos. Errors in data processing systems due to single transient events affecting analog interfaces: contributions to their mitigation.

Los eventos transitorios únicos analógicos (ASET, Analog Single Event Transient) se producen debido a la interacción de un ión pesado o un protón de alta energía con un dispositivo sensible de un circuito analógico. La interacción del ión con un transistor bipolar o de efecto de campo MOS induce pares electrón-hueco que provocan picos que pueden propagarse a la salida del componente analógico provocando transitorios que pueden inducir fallas en el nivel sistema. Los problemas más graves debido a este tipo de fenómeno se dan en el medioambiente espacial, muy rico en iones pesados. Casos típicos los constituyen las computadoras de a bordo de satélites y otros artefactos espaciales. Sin embargo, y debido a la continua contracción de dimensiones de los transistores (que trae aparejado un aumento de sensibilidad), este fenómeno ha comenzado a observarse a nivel del mar, provocado fundamentalmente por el impacto de neutrones atmosféricos. Estos efectos pueden provocar severos problemas a los sistemas informáticos con interfaces analógicas desde las que obtienen datos para el procesamiento y se han convertido en uno de los problemas más graves a los que tienen que hacer frente los diseñadores de sistemas de alta escala de integración. Casos típicos son los Sistemas en Chip que incluyen módulos de procesamiento de altas prestaciones como las interfaces analógicas.El proyecto persigue como objetivo general estudiar la susceptibilidad de sistemas informáticos a ASETs en sus secciones analógicas, proponiendo estrategias para la mitigación de los errores.Como objetivos específicos se pretende: -Proponer nuevos modelos de ASETs basados en simulaciones en el nivel dispositivo y resueltas por el método de elementos finitos.-Utilizar los modelos para identificar las secciones más propensas a producir errores y consecuentemente para ser candidatos a la aplicación de técnicas de endurecimiento a radiaciones.-Utilizar estos modelos para estudiar la naturaleza de los errores producidos en sistemas de procesamiento de datos.-Proponer soluciones novedosas para la mitigación de estos efectos en los mismos circuitos analógicos evitando su propagación a las secciones digitales.-Proponer soluciones para la mitigación de los efectos en el nivel sistema.Para llevar a cabo el proyecto se plantea un procedimiento ascendente para las investigaciones a realizar, comenzando por descripciones en el nivel físico para posteriormente aumentar el nivel de abstracción en el que se encuentra modelado el circuito. Se propone el modelado físico de los dispositivos MOS y su resolución mediante el Método de Elementos Finitos. La inyección de cargas en las zonas sensibles de los modelos permitirá determinar los perfiles de los pulsos de corriente que deben inyectarse en el nivel circuito para emular estos efectos. Estos procedimientos se realizarán para los distintos bloques constructivos de las interfaces analógicas, proponiendo estrategias de mitigación de errores en diferentes niveles.Los resultados esperados del presente proyecto incluyen hardware para detección de errores y tolerancia a este tipo de eventos que permitan aumentar la confiabilidad de sistemas de tratamiento de la información, así como también nuevos datos referentes a efectos de la radiación en semiconductores, nuevos modelos de fallas transitorias que permitan una simulación de estos eventos en el nivel circuito y la determinación de zonas sensibles de interfaces analógicas típicas que deben ser endurecidas para radiación.

CONTROL DEL FLUJO DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE CC TOLERANTE A FALLAS

El objetivo general de esta propuesta es investigar y desarrollar nuevos convertidores electrónicos de potencia, más eficientes, confiables y robustos, para controlar el flujo de energía eléctrica en Sistemas Híbridos. Estos sistemas pueden alimentarse de almacenadores y generadores de CC, como por ejemplo baterías, ultracapacitores y celdas de combustible. Como objetivos específicos se pretende proponer nuevas topologías de convertidores electrónicos de potencia, incluyendo los controladores digitales, con las siguientes características: • Alto rendimiento, • Tolerantes a fallas, • Desarrollo de estrategias para la detección y diagnóstico de fallas. Se propone modelar y realizar simulaciones de las nuevas propuestas con el objetivo de compararlas con otras ya existentes. Con el objetivo de validar experimentalmente los resultados teóricos y de simulación también se propone implementar prototipos demostrativos. La implementación de los citados convertidores se realizará con dispositivos semiconductores de potencia y componentes magnéticos de alta frecuencia para maximizar las relaciones potencia/volumen y/o potencia/peso del sistema.

Disseny i caracterització d'estructures RF amb printed electronics per a RFID

En els últims anys printed electronics està aixecant un gran interès entre la indústria electrònica. Aquest tipus de procés consisteix en imprimir circuits amb tècniques d'impressió convencionals utilitzant tintes conductores, resistives, dielèctriques o semiconductores sobre substrats flexibles de baix cost com paper o plàstic. Fer servir aquestes tècniques s'espera que suposi una reducció dels costos de producció degut a que és un procés totalment additiu el que fa que sigui més senzill i es redueixi la quantitat de material emprat. El disseny de dispositius bàsics com resistències, condensadors i bobines per posteriorment veure la relació entre simulacions i valors obtinguts ha ocupat la primera part del projecte. La segona s’ha centrat en fer prototips d’antenes per a RFID (Radio Frequency IDentification) amb la tecnologia que es disposa a CEPHIS (Centre de Prototips i Solucions Hardwre-Software). Tot això ha servit per caracteritzar la tecnologia de la que es disposa i saber en quins apartats s’ha de seguir treballant per aconseguir millors prestacions.

Control de instrumentos mediante el bus GPIB programado con MATLAB

El proyecto que se expone a continuación está dedicado al control de instrumentos mediante el bus de instrumentación GPIB programado con el software Matlab. Está dividido en dos partes. La primera, será llevada a cabo en el laboratorio de docencia y el objetivo será controlar el osciloscopio y el generador de funciones. Como ejemplo del control realizado se desarrollará una aplicación que permitirá obtener el diagrama de Bode de módulo de cualquier sistema electrónico. La segunda parte será llevada a cabo en el laboratorio de investigación y el objetivo será controlar el analizador de semiconductores. En este caso, la aplicación desarrollada permitirá la realización de medidas para la caracterización de transistores. Las aplicaciones de ambas partes estarán realizadas mediante una interfaz gráfica de usuario diseñada con la herramienta GUIDE de Matlab.