Principal Component Analysis of Results Obtained from Finite-Difference Time-Domain Algorithms

Finite-Differences Time-Domain (FDTD) algorithms are well established tools of computational electromagnetism. Because of their practical implementation as computer codes, they are affected by many numerical artefact and noise. In order to obtain better results we propose using Principal Component Analysis (PCA) based on multivariate statistical techniques. The PCA has been successfully used for the analysis of noise and spatial temporal structure in a sequence of images. It allows a straightforward discrimination between the numerical noise and the actual electromagnetic variables, and the quantitative estimation of their respective contributions. Besides, The GDTD results can be filtered to clean the effect of the noise. In this contribution we will show how the method can be applied to several FDTD simulations: the propagation of a pulse in vacuum, the analysis of two-dimensional photonic crystals. In this last case, PCA has revealed hidden electromagnetic structures related to actual modes of the photonic crystal.

Toy model to describe the effect of positional blocklike disorder in metamaterials composites

We study theoretically the effect of a new type of blocklike positional disorder on the effective electromagnetic properties of one-dimensional chains of resonant, high-permittivity dielectric particles, where particles are arranged into perfectly well-ordered blocks whose relative position is a random variable. This creates a finite order correlation length that mimics the situation encountered in metamaterials fabricated through self-assembled techniques, whose structures often display short-range order between near neighbors but long-range disorder, due to stacking defects. Using a spectral theory approach combined with a principal component statistical analysis, we study, in the long-wavelength regime, the evolution of the electromagnetic response when the composite filling fraction and the block size are changed. Modifications in key features of the resonant response (amplitude, width, etc.) are investigated, showing a regime transition for a filling fraction around 50%.

Measurement limitations in knife-edge tomographic phase retrieval of focused IR laser beams

An experimental setup to measure the three-dimensional phase-intensity distribution of an infrared laser beam in the focal region has been presented. It is based on the knife-edge method to perform a tomographic reconstruction and on a transport of intensity equation-based numerical method to obtain the propagating wavefront. This experimental approach allows us to characterize a focalized laser beam when the use of image or interferometer arrangements is not possible. Thus, we have recovered intensity and phase of an aberrated beam dominated by astigmatism. The phase evolution is fully consistent with that of the beam intensity along the optical axis. Moreover, this method is based on an expansion on both the irradiance and the phase information in a series of Zernike polynomials. We have described guidelines to choose a proper set of these polynomials depending on the experimental conditions and showed that, by abiding these criteria, numerical errors can be reduced.

Analysis of metallic nanoantennas for solar energy conversion

Recently thermo-electrical nanoantennas, also known as Seebeck nanoantennas, have been proposed as an alternative for solar energy harvesting applications. In this work we present the optical and thermal analysis of metallic nanoantennas operating at infrared wavelengths, this study is performed by numerical simulations using COMSOL Multiphysics. Several different nanoantenna designs were analyzed including dipoles, bowties and square spiral antennas. Results show that metallic nanoantennas can be tuned to absorb electromagnetic energy at infrared wavelengths, and that numerical simulation can be useful in optimizing the performance of these types of nanoantennas at optical and infrared wavelengths.

Trasporte eléctrico y magnetismo en sistemas electrodo - aislante - electrodo: hacia el desarrollo de dispositivos del tipo juntura tunel.

La presente tesis es un estudio dedicado a la optimización y desarrollo de sistemas del tipo juntura túnel. La metodología utilizada para la realización de la tesis consistió, en primer lugar, en la optimización de las componentes independientes de la juntura túnel: electrodo y barrera aislante. Posteriormente se optimizaron los procesos de fabricación para el desarrollo y caracterización de dispositivos del tipo juntura túnel en su forma final. En la primera parte de la tesis se analizan detalladamente los resultados obtenidos de la caracterización eléctrica y topografica de barreras aislantes en sistemas electrodo - barrera. Los sistemas bicapas estudiados, GdBa_2Cu_3_7/SrTiO_3, Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 y YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3, fueron caracterizados utilizando un microscopio de fuerza atómica en modo conductor. Se propuso un modelo fenomenológico basado en los resultados experimentales, que permitió la obtención de parámetros críticos para el desarrollo de dispositivos del tipo juntura túnel con nuevas funcionalidades. La información obtenida de la caracterización de los sistemas bicapas (homogeneidad de crecimiento, baja densidad de defectos y de pinholes) indican un muy buen control de los parámetros de crecimiento de las barreras. Por otro lado, se obtuvo un buen comportamiento aislante para espesores mayores a 2 nm sin la presencia de pinholes en la barrera. La similitud en la estequiometría de las barreras (SrTiO_3) permitió comparar los distintos sistemas estudiados en términos de conductividad eléctrica. Se verificó que el modelo fenomenológico permite comparar la conductividad eléctrica de los sistemas mediante uno de los parámetros definidos en el modelo fenomenológico (obtenido de los ajustes lineales de las curvas I(V)). De los 3 sistemas estudiados, las bicapas GdBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 presentaron un mayor valor de longitud de atenuación de los portadores de carga a través de la barrera y una muy baja densidad de defectos superficiales. Las bicapas YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 y Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 permitieron validar el modelo fenomenológico propuesto para el análisis de la respuesta corriente - voltaje obtenida con el microscopio de fuerza atómica en modo conductor. La segunda parte de la tesis abarca conceptos de magnetismo y microfabricación para el desarrollo de junturas túnel magnéticas. Durante la caracterización de las películas ferromagnéticas individuales de Co_90Fe_10 (CoFe) se logró aumentar valor del campo coercitivo de films de 10 nm de espesor al incrementar la temperatura de depósito. Esto se debe a un aumento del tamaño de grano de los films. El aumento de la temperatura del sustrato durante el crecimiento influye en la morfología y las propiedades magnéticas de los films de CoFe favoreciendo la formación de granos y la pérdida del eje preferencial de magnetización. Estos resultados permitieron la fabricación de sistemas Co_90Fe_10/M_gO/Co_90Fe_10 con distintas orientaciones relativas accesibles con campo magnético para el estudio del acople magnético entre los films de CoFe. La caracterización eléctrica de estos sistemas, particularmente la respuesta corriente - voltaje obtenida con el microscopio de fuerza atómica en modo conductor, indicó que las propiedades de transporte eléctrico de las junturas presentan un alto grado de reproducibilidad. Se analizó además la inuencia del sustrato utilizado en la corriente túnel que atraviesa la barrera aislante. Por otro lado, se discuten los fenómenos relacionados a la optimización de las propiedades magnéticas de electrodos ferromagnéticos para la fabricación de junturas túnel Co_90Fe_10/MgO/Co_90Fe_10 y Co_90Fe_10/MgO /Fe_20Ni_80. En particular, se estudió el acople magnético entre capas ferromagnéticas y la inuencia del sustrato utilizado para el crecimiento de las tricapas. La optimización de los electrodos magnéticos involucró el análisis de la inuencia de la presencia de un aislante entre dos capas magnéticas en el acople de los electrodos. Se logró el desacople de films de 10 nm de Co_90Fe_10 y Fe_20Ni_80 separados por un espaciador de MgO de 2 nm. Finalmente se detallan los pasos para la fabricación de una red de junturas túnel magnéticas y su caracterización eléctrica a bajas temperaturas. El sistema estudiado fue la tricapa Co_90Fe_10 (10 nm)/M_gO (8 nm)/ Fe_20Ni_80 (10 nm) crecido sobre un sustrato de M_gO. La caracterización eléctrica confirmó la buena calidad de la junturas fabricadas. Las junturas obtenidas presentaron un comportamiento altamente resistivo (~ MΩ). Las mediciones de la corriente túnel en función de la temperatura permitieron descartar la presencia de pinholes en la barrera. El transporte de los portadores de carga es por efecto túnel a través de la barrera aislante. Las curvas de conductancia diferencial permitieron calcular el valor medio de la altura de la barrera de potencial (φ = 3.1 eV) a partir del modelo de Brinkman. Los resultados obtenidos en cada uno de los capítulos se complementan y son relevantes para la optimización de junturas túnel, debido a que brindan información crítica para su correcto funcionamiento. En la presente tesis se lograron obtener los primeros avances para la fabricación de arreglos de junturas túnel que permitan el desarrollo de dispositivos.

Trasporte eléctrico y magnetismo en sistemas electrodo - aislante - electrodo: hacia el desarrollo de dispositivos del tipo juntura tunel.

La presente tesis es un estudio dedicado a la optimización y desarrollo de sistemas del tipo juntura túnel. La metodología utilizada para la realización de la tesis consistió, en primer lugar, en la optimización de las componentes independientes de la juntura túnel: electrodo y barrera aislante. Posteriormente se optimizaron los procesos de fabricación para el desarrollo y caracterización de dispositivos del tipo juntura túnel en su forma final. En la primera parte de la tesis se analizan detalladamente los resultados obtenidos de la caracterización eléctrica y topografica de barreras aislantes en sistemas electrodo - barrera. Los sistemas bicapas estudiados, GdBa_2Cu_3_7/SrTiO_3, Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 y YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3, fueron caracterizados utilizando un microscopio de fuerza atómica en modo conductor. Se propuso un modelo fenomenológico basado en los resultados experimentales, que permitió la obtención de parámetros críticos para el desarrollo de dispositivos del tipo juntura túnel con nuevas funcionalidades. La información obtenida de la caracterización de los sistemas bicapas (homogeneidad de crecimiento, baja densidad de defectos y de pinholes) indican un muy buen control de los parámetros de crecimiento de las barreras. Por otro lado, se obtuvo un buen comportamiento aislante para espesores mayores a 2 nm sin la presencia de pinholes en la barrera. La similitud en la estequiometría de las barreras (SrTiO_3) permitió comparar los distintos sistemas estudiados en términos de conductividad eléctrica. Se verificó que el modelo fenomenológico permite comparar la conductividad eléctrica de los sistemas mediante uno de los parámetros definidos en el modelo fenomenológico (obtenido de los ajustes lineales de las curvas I(V)). De los 3 sistemas estudiados, las bicapas GdBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 presentaron un mayor valor de longitud de atenuación de los portadores de carga a través de la barrera y una muy baja densidad de defectos superficiales. Las bicapas YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 y Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 permitieron validar el modelo fenomenológico propuesto para el análisis de la respuesta corriente - voltaje obtenida con el microscopio de fuerza atómica en modo conductor. La segunda parte de la tesis abarca conceptos de magnetismo y microfabricación para el desarrollo de junturas túnel magnéticas. Durante la caracterización de las películas ferromagnéticas individuales de Co_90Fe_10 (CoFe) se logró aumentar valor del campo coercitivo de films de 10 nm de espesor al incrementar la temperatura de depósito. Esto se debe a un aumento del tamaño de grano de los films. El aumento de la temperatura del sustrato durante el crecimiento influye en la morfología y las propiedades magnéticas de los films de CoFe favoreciendo la formación de granos y la pérdida del eje preferencial de magnetización. Estos resultados permitieron la fabricación de sistemas Co_90Fe_10/M_gO/Co_90Fe_10 con distintas orientaciones relativas accesibles con campo magnético para el estudio del acople magnético entre los films de CoFe. La caracterización eléctrica de estos sistemas, particularmente la respuesta corriente - voltaje obtenida con el microscopio de fuerza atómica en modo conductor, indicó que las propiedades de transporte eléctrico de las junturas presentan un alto grado de reproducibilidad. Se analizó además la inuencia del sustrato utilizado en la corriente túnel que atraviesa la barrera aislante. Por otro lado, se discuten los fenómenos relacionados a la optimización de las propiedades magnéticas de electrodos ferromagnéticos para la fabricación de junturas túnel Co_90Fe_10/MgO/Co_90Fe_10 y Co_90Fe_10/MgO /Fe_20Ni_80. En particular, se estudió el acople magnético entre capas ferromagnéticas y la inuencia del sustrato utilizado para el crecimiento de las tricapas. La optimización de los electrodos magnéticos involucró el análisis de la inuencia de la presencia de un aislante entre dos capas magnéticas en el acople de los electrodos. Se logró el desacople de films de 10 nm de Co_90Fe_10 y Fe_20Ni_80 separados por un espaciador de MgO de 2 nm. Finalmente se detallan los pasos para la fabricación de una red de junturas túnel magnéticas y su caracterización eléctrica a bajas temperaturas. El sistema estudiado fue la tricapa Co_90Fe_10 (10 nm)/M_gO (8 nm)/ Fe_20Ni_80 (10 nm) crecido sobre un sustrato de M_gO. La caracterización eléctrica confirmó la buena calidad de la junturas fabricadas. Las junturas obtenidas presentaron un comportamiento altamente resistivo (~ MΩ). Las mediciones de la corriente túnel en función de la temperatura permitieron descartar la presencia de pinholes en la barrera. El transporte de los portadores de carga es por efecto túnel a través de la barrera aislante. Las curvas de conductancia diferencial permitieron calcular el valor medio de la altura de la barrera de potencial (φ = 3.1 eV) a partir del modelo de Brinkman. Los resultados obtenidos en cada uno de los capítulos se complementan y son relevantes para la optimización de junturas túnel, debido a que brindan información crítica para su correcto funcionamiento. En la presente tesis se lograron obtener los primeros avances para la fabricación de arreglos de junturas túnel que permitan el desarrollo de dispositivos.

Room temperature photo-response of titanium supersaturated silicon at energies over the bandgap

Silicon samples were implanted with high Ti doses and subsequently processed with the pulsed-laser melting technique. The electronic transport properties in the 15–300 K range and the room temperature spectral photoresponse at energies over the bandgap were measured. Samples with Ti concentration below the insulator-metal (I-M) transition limit showed a progressive reduction of the carrier lifetime in the implanted layer as Ti dose is increased. However, when the Ti concentration exceeded this limit, an extraordinary recovery of the photoresponse was measured. This result supports the theory of intermediate band materials and is of utmost relevance for photovoltaic cells and Si-based detectors.

Design of a variable width pulse generator feasible for manual or automatic control

A variable width pulse generator featuring more than 4-V peak amplitude and less than 10-ns FWHM is described. In this design the width of the pulses is controlled by means of the control signal slope. Thus, a variable transition time control circuit (TTCC) is also developed, based on the charge and discharge of a capacitor by means of two tunable current sources. Additionally, it is possible to activate/deactivate the pulses when required, therefore allowing the creation of any desired pulse pattern. Furthermore, the implementation presented here can be electronically controlled. In conclusion, due to its versatility, compactness and low cost it can be used in a wide variety of applications.

Sistema inalámbrico de transmisión y recepción de potencia basado en el estándar QI

62 p.

Exoplanet atmospheres Characterization Observatory payload short-wave infrared channel: EChO SWiR

EChO (Exoplanet atmospheres Characterization Observatory), a proposal for exoplanets exploration space mission, is considered the next step for planetary atmospheres characterization. It would be a dedicated observatory to uncover a large selected sample of planets spanning a wide range of masses (from gas giants to super-Earths) and orbital temperatures (from hot to habitable). All targets move around stars of spectral types F, G, K, and M. EChO would provide an unprecedented view of the atmospheres of planets in the solar neighbourhood. The consortium formed by various institutions of different countries proposed as ESA M3 an integrated spectrometer payload for EChO covering the wavelength interval 0.4 to 16 µm. This instrument is subdivided into 4 channels: a visible channel, which includes a fine guidance system (FGS) and a VIS spectrometer, a near infrared channel (SWiR), a middle infrared channel (MWiR), and a long wave infrared module (LWiR). In addition, it contains a common set of optics spectrally dividing the wavelength coverage and injecting the combined light of parent stars and their exoplanets into the different channels. The proposed payload meets all of the key performance requirements detailed in the ESA call for proposals as well as all scientific goals. EChO payload is based on different spectrometers covering the spectral range mentioned above. Among them, SWiR spectrometer would work from 2.45 microns to 5.45 microns. In this paper, the optical and mechanical designs of the SWiR channel instrument are reported on.