UV laser-induced high resolution cleaving of Si wafers for micro-nano devices and polymeric waveguide characterization

In this work we propose a method for cleaving silicon-based photonic chips by using a laser based micromachining system, consisting of a ND:YVO4laser emitting at 355 nm in nanosecond pulse regime and a micropositioning system. The laser makes grooved marks placed at the desired locations and directions where cleaves have to be initiated, and after several processing steps, a crack appears and propagate along the crystallographic planes of the silicon wafer. This allows cleavage of the chips automatically and with high positioning accuracy, and provides polished vertical facets with better quality than the obtained with other cleaving process, which eases the optical characterization of photonic devices. This method has been found to be particularly useful when cleaving small-sized chips, where manual cleaving is hard to perform; and also for polymeric waveguides, whose facets get damaged or even destroyed with polishing or manual cleaving processing. Influence of length of the grooved line and speed of processing is studied for a variety of silicon chips. An application for cleaving and characterizing sol–gel waveguides is presented. The total amount of light coupled is higher than when using any other procedure.

Elastic (stress-strain) halo associated to ion-induced nano-tracks in lithium niobate: role of crystal anisotropy

The elastic strain/stress fields (halo) around a compressed amorphous nano-track (core) caused by a single high-energy ion impact on LiNbO3 are calculated. A method is developed to approximately account for the effects of crystal anisotropy of LiNbO3 (symmetry 3m) on the stress fields for tracks oriented along the crystal axes (X, Y or Z). It only considers the zero-order (axial) harmonic contribution to the displacement field in the perpendicular plane and uses effective Poisson moduli for each particular orientation. The anisotropy is relatively small; however, it accounts for some differential features obtained for irradiations along the crystallographic axes X, Y and Z. In particular, the irradiation-induced disorder (including halo) and the associated surface swelling appear to be higher for irradiations along the X- or Y-axis in comparison with those along the Z-axis. Other irradiation effects can be explained by the model, e.g. fracture patterns or the morphology of pores after chemical etching of tracks. Moreover, it offers interesting predictions on the effect of irradiation on lattice parameters

Recrystallization of amorphous nano-tracks and uniform layers generated by swift-ion-beam irradiation in lithium niobate.

The thermal annealing of amorphous tracks of nanometer-size diameter generated in lithium niobate (LiNbO3) by Bromine ions at 45 MeV, i.e., in the electronic stopping regime, has been investigated by RBS/C spectrometry in the temperature range from 250°C to 350°C. Relatively low fluences have been used (<1012 cm−2) to produce isolated tracks. However, the possible effect of track overlapping has been investigated by varying the fluence between 3×1011 cm−2 and 1012 cm−2. The annealing process follows a two-step kinetics. In a first stage (I) the track radius decreases linearly with the annealing time. It obeys an Arrhenius-type dependence on annealing temperature with activation energy around 1.5 eV. The second stage (II) operates after the track radius has decreased down to around 2.5 nm and shows a much lower radial velocity. The data for stage I appear consistent with a solid-phase epitaxial process that yields a constant recrystallization rate at the amorphous-crystalline boundary. HRTEM has been used to monitor the existence and the size of the annealed isolated tracks in the second stage. On the other hand, the thermal annealing of homogeneous (buried) amorphous layers has been investigated within the same temperature range, on samples irradiated with Fluorine at 20 MeV and fluences of ∼1014 cm−2. Optical techniques are very suitable for this case and have been used to monitor the recrystallization of the layers. The annealing process induces a displacement of the crystalline-amorphous boundary that is also linear with annealing time, and the recrystallization rates are consistent with those measured for tracks. The comparison of these data with those previously obtained for the heavily damaged (amorphous) layers produced by elastic nuclear collisions is summarily discussed.

Optimization of a label-free biosensor vertically characterized based on a periodic lattice of high aspect ratio SU-8 nano-pillars with a simplified 2D theoretical model

We have recently demonstrated a biosensor based on a lattice of SU8 pillars on a 1 μm SiO2/Si wafer by measuring vertically reflectivity as a function of wavelength. The biodetection has been proven with the combination of Bovine Serum Albumin (BSA) protein and its antibody (antiBSA). A BSA layer is attached to the pillars; the biorecognition of antiBSA involves a shift in the reflectivity curve, related with the concentration of antiBSA. A detection limit in the order of 2 ng/ml is achieved for a rhombic lattice of pillars with a lattice parameter (a) of 800 nm, a height (h) of 420 nm and a diameter(d) of 200 nm. These results correlate with calculations using 3D-finite difference time domain method. A 2D simplified model is proposed, consisting of a multilayer model where the pillars are turned into a 420 nm layer with an effective refractive index obtained by using Beam Propagation Method (BPM) algorithm. Results provided by this model are in good correlation with experimental data, reaching a reduction in time from one day to 15 minutes, giving a fast but accurate tool to optimize the design and maximizing sensitivity, and allows analyzing the influence of different variables (diameter, height and lattice parameter). Sensitivity is obtained for a variety of configurations, reaching a limit of detection under 1 ng/ml. Optimum design is not only chosen because of its sensitivity but also its feasibility, both from fabrication (limited by aspect ratio and proximity of the pillars) and fluidic point of view. (© 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)

On the Extension of the Analytic Nodal Diffusion Solver ANDES to Sodium Fast Reactors

Within the framework of the Collaborative Project for a European Sodium Fast Reactor, the reactor physics group at UPM is working on the extension of its in-house multi-scale advanced deterministic code COBAYA3 to Sodium Fast Reactors (SFR). COBAYA3 is a 3D multigroup neutron kinetics diffusion code that can be used either as a pin-by-pin code or as a stand-alone nodal code by using the analytic nodal diffusion solver ANDES. It is coupled with thermalhydraulics codes such as COBRA-TF and FLICA, allowing transient analysis of LWR at both fine-mesh and coarse-mesh scales. In order to enable also 3D pin-by-pin and nodal coupled NK-TH simulations of SFR, different developments are in progress. This paper presents the first steps towards the application of COBAYA3 to this type of reactors. ANDES solver, already extended to triangular-Z geometry, has been applied to fast reactor steady-state calculations. The required cross section libraries were generated with ERANOS code for several configurations. The limitations encountered in the application of the Analytic Coarse Mesh Finite Difference (ACMFD) method –implemented inside ANDES– to fast reactors are presented and the sensitivity of the method when using a high number of energy groups is studied. ANDES performance is assessed by comparison with the results provided by ERANOS, using a mini-core model in 33 energy groups. Furthermore, a benchmark from the NEA for a small 3D FBR in hexagonal-Z geometry and 4 energy groups is also employed to verify the behavior of the code with few energy groups.

Theoretical study of band alignment in nano-porous ZnO interacting with substituted Phthalocyanines

The aim of this work is the theoretical study of the band alignment between the two components of a hybrid organic-inorganic solar-cell. The working organic molecules are metal tetra-sulphonated phthalocyanines (M-Pc) and the inorganic material is nano-porous ZnO growth in the 001 direction. The theoretical calculations are being made using the density functional theory (DFT) using a GGA functional with the SIESTA code, which projects electron wave functions and density onto a real space grid and uses as basis set a linear combination of numerical, finite-range localized atomic orbitals. We also used the DFT+U method included in the code that allows a semi-empirical inclusion of electronic correlations in the description of electronic spectra for systems such as zinc oxide.

An educational initiative between the Universidad Politécnica de Madrid and Spanish Young Generation in Nuclear (Jóvenes Nucleares): The Seminar of Nuclear Safety in Advanced Reactors

Jóvenes Nucleares (Spanish Young Generation in Nuclear, JJNN) is a non-profit organization and a commission of the Spanish Nuclear Society (SNE). The Universidad Politécnica de Madrid (Technical University of Madrid, UPM) is one of the most prestigious technical universities of Spain, and has a very strong curriculum in nuclear engineering training and research. Finishing 2009, JJNN and the UPM started to plan a new and first-of-a-kind Seminar in Nuclear Safety focused on the Advanced Reactors (Generation III, III+ and IV). The scope was to make a general description of the safety in the new reactors, comparing them with the built Generation II reactors from a technical point of view but simple and without the need of strong background in nuclear engineering to try to be interesting for the most number of people possible.

Influencia de la adición de nano sílice en el hormigón autocompactante

En los últimos años es notable la proliferación de trabajos y estudios que tratan sobre las características del hormigón autocompactante. De ellos, la durabilidad es el aspecto menos tratado, siendo especialmente escasos los que se centran en un problema particular de esta durabilidad, como es la penetración de cloruros, un aspecto básico para todos los elementos estructurales sometidos a un ambiente marino. Esta será la línea básica del presente trabajo, que vendrá acompañada de otra serie de ensayo que permitan ratificar los resultados obtenidos. Debido a lo anteriormente expuesto, el objetivo general de esta investigación es estudiar la influencia de la adición de nano-sílice en aspectos tanto microestructurales como durables en hormigones autocompactantes. Dado que el objetivo general planteado es muy ambicioso y requiere tiempo y multitud de ensayos combinando numerosas variables, este trabajo de investigación se centra en los siguientes objetivos particulares dentro de la línea general de la investigación: Evaluar los cambios que se producen en las propiedades en estado fresco de los distintos hormigones ensayados; Evaluar los cambios que se producen en las propiedades mecánicas de los hormigones estudiados; Determinar los cambios de la matriz porosa de los distintos hormigones ensayados y determinar los cambios en los componentes hidratados de la matiz de cemento. Para cumplir con este objetivo, se ha procedido a comparar el comportamiento de cuatro tipos de hormigón con el mismo cemento: Un hormigón convencional sin adición, un hormigón autocompactante sin adición, un hormigón autocompactante con 2,5 % de adición de nano sílice y un hormigón autocompactante con 5 % de adición de nano sílice. Las etapas seguidas en este trabajo son las siguientes: Revisión bibliográfica relativa a los hormigones autocompactantes, y a la adición de nano-sílice.; Estudio y elección de las dosificaciones para los hormigones objeto de estudio: hormigón convencional, un hormigón autocompactante sin adiciones y hormigones autocompactantes con adición de nano-sílice; Evaluación de los hormigones, convencional y autocompactantes, en estado fresco en base a la normativa vigente y a las exigencias de la Instrucción del Hormigón Estructural (EHE-08); Evaluación de las propiedades mecánicas de los hormigones en estado endurecido mediante ensayo de resistencia a compresión; Caracterización microestructural de los hormigones mediante ensayos de porosimetría por intrusión de mercurio (PIM) y termoanálisis (TG-ATD); Evaluación del comportamiento de los hormigones frente a ensayos específicos enfocados a su durabilidad, como son los de resistividad eléctrica y de penetración de cloruros y estudio comparativo de los resultados obtenidos y establecimiento de relaciones entre la dosificación y el comportamiento de cada hormigón, de cara a poder fijar recomendaciones de uso.

Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.