Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.

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.

El Modelo Estándar de la Física de Partículas

El objetivo de este documento es acercar al lector menos familiarizado con la física actual y cuyo conocimiento del modelo atómico se ha quedado en un mero “protón, neutrón y electrón”, al modelo atómico contemplado por la física moderna, un vasto escenario compuesto por una lluvia de partículas elementales con un sinfín de nombres imposibles de recordar y cuyas interacciones nos son aún más desconocidas. La primera sección describe la interacción entre las fuerzas fundamentales de forma mucho más simplificada que la segunda, siendo esta última una versión mucho más fiel a la recogida por la teoría cuántica de campos. De esta manera, el lector es libre de escoger la versión que le resulte de mayor interés.

Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Tunable Raman photons in singly charged p-doped quantum dots

The obtention of spontaneous Raman photons is analyzed in singly charged p-doped quantum dots in the absence of an external magnetic field. The use of a far detuned single driving laser allows to obtain a Raman photon line which exhibits subnatural linewidth, and whose center can be tuned by changing the detuning and/or the Rabi frequency of the driving field. The Raman photons are produced along the undriven transition and they arise from the weak interaction of the trion states with the nuclear spins. The operating point for the gate voltage of the heterostructure can also be used to modify the linewidth and the peak value of the fluorescent signal.

Sistemas integrables discretos, polinomios matriciales ortogonales y problemas de Riemann-Hilbert

El propósito de esta tesis doctoral es el estudio de la conexión, mediante el problema de Riemann-Hilbert, entre sistemas discretos y la teoría de polinomios matriciales ortogonales. La investigación de los modelos integrables se originó en la Mecánica Clásica, en relación a la resolución de las ecuaciones de Newton [2]. Los trabajos de Liouville, Hamilton, Jacobi y otros sentaron las bases de los sistemas integrables como prototipos modelos resolubles por cuadraturas, v.g., por integración directa [7]. Hay una cantidad importante de investigación dedicada a los aspectos geométricos de los sistemas clásicos integrables y superintegrables [66], [82], especialmente en relación a la separación de variables de la ecuación de Hamilton-Jacobi [75]. Fue la aplicación, en la segunda mitad del siglo pasado, de la transformada espectral inversa para la resolución del problema de Cauchy de la ecuación de Korteweg-de Vries [42, 43] la que marcó el inicio de una nueva etapa en este campo, el del estudio de sistemas integrables con un número infinito de grados de libertad, que generalmente se expresan en términos de jerarquías de ecuaciones no lineales en derivadas parciales. Particularmente reseñable, por su aplicación en la hidrodinámica y en la óptica cuántica, es la aparición de las soluciones a un número de solitones arbitrario. En las últimas tres décadas ha habido un importante interés por el estudio de modelos discretos, v.g., sistemas dinámicos de nidos en un retículo de puntos, y expresados en términos de ecuaciones no lineales en diferencia parciales. Muchas de las técnicas encontradas en el mundo continuo se extendieron a este nuevo contexto discreto. Hay dos razones fundamentales para este interés...

Cuerdas y no conmutatividad

Los conceptos geométricos clásicos que usan las ecuaciones de Einstein para describir el espacio, el tiempo y la gravedad no son compatibles con los principios de la mecánica cuántica. A distancias muy cortas, cercanas o por debajo de la longitud de Planck lp 10−36m, se espera que la estructura del espacio-tiempo se haga difusa, con un principio de incertidumbre asociado a las propias coordenadas espacio temporales. Tal principio de incertidumbre podría derivarse de relaciones de conmutación no triviales [xμ, x ] 6= 0 entre operadores asociados a la posición en el espacio-tiempo. Conmutadores de este tipo aparecen de manera natural en teoría de cuerdas, que, por otra parte, contiene y generaliza las ecuaciones de Einstein. Constituye por ello un escenario idóneo para el estudio de la naturaleza no determinista del espacio-tiempo. En efecto, Chu y Ho [4] demostraron que la cuantización canónica de la cuerda abierta en espacio-tiempo de Minkowski con 2-forma B y dilatón constantes conduce a conmutadores no triviales entre los operadores de posición de los extremos de la cuerda. Este hecho sugiere la interpreción de la D-brana sobre la que pueden moverse dichos extremos como un espacio no conmutativo. Seiberg y Witten [5] dieron un paso más y encontraron un límite de baja energía bien definido en el cual la dinámica de los extremos de la cuerda se desacopla de la de los modos internos y se describe como una teoría de Yang-Mills no conmutativa sobre la D-brana. Es díficil trasladar estos resultados a backgrounds más generales para la cuerda. Los modelos de Wess-Zumino-Witten (WZW) [6] constituyen los backgrounds no triviales mejor conocidos, pero no se conoce una caracterización completa de las D-branas en estos modelos. El objetivo de esta tesis es mejorar la comprensión del origen de no conmutatividad a partir de (i) el estudio de la cuerda abierta en backgrounds no triviales y (ii) la caracterización de las D-branas sobre las que pueden moverse sus extremos. El trabajo de esta tesis ha dado lugar a las publicaciones [I], [II] y [III]...

Spin alignment of extra electrons in K-phenanthrene clusters taken from the crystalline tripotassium-intercalated phenanthrene structure

The appearance of ferromagnetic correlations among π electrons of phenanthrene (C14H10) molecules in the herringbone structure is proven for K doped clusters both by ab initio quantum-chemistry calculations and by the direct solution of the many-body Pariser-Parr-Pople Hamiltonian. Magnetic ground states are predicted for one or three additional electrons per phenanthrene molecule. These results are a consequence of the small overlap between the lowest unoccupied molecular orbitals (and lowest unoccupied molecular orbitals + 1) of neutral neighboring phenanthrene molecules, which makes the gain in energy by delocalization similar to the corresponding increase due to the Coulomb interaction.

Exponential decay of spin-spin correlation between distant defect states produced by contour hydrogenation of polycyclic aromatic hydrocarbon molecules

The first few low-lying spin states of alternant polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) molecules of several shapes showing defect states induced by contour hydrogenation have been studied both by ab initio methods and by a precise numerical solution of Pariser-Parr-Pople (PPP) interacting model. In accordance with Lieb's theorem, the ground state shows a spin multiplicity equal to one for balanced molecules, and it gets larger values for imbalanced molecules (that is, when the number of π electrons on both subsets is not equal). Furthermore, we find a systematic decrease of the singlet-triplet splitting as a function of the distance between defects, regardless of whether the ground state is singlet or triplet. For example, a splitting smaller than 0.001 eV is obtained for a medium size C46H28 PAH molecule (di-hydrogenated [11]phenacene) showing a singlet ground state. We conclude that π electrons unbound by lattice defects tend to remain localized and unpaired even when long-range Coulomb interaction is taken into account. Therefore they show a biradical character (polyradical character for more than two defects) and should be studied as two or more local doublets. The implications for electron transport are potentially important since these unpaired electrons can trap traveling electrons or simply flip their spin at a very small energy cost.

Theoretical insights on electron donor-acceptor interactions involving carbon dioxide

Electron donor-acceptor (EDA) interactions are widely involved in chemistry and their understanding is essential to design new technological applications in a variety of fields ranging from material sciences and chemical engineering to medicine. In this work, we study EDA complexes of carbon dioxide with ketones using several ab initio and Density Functional Theory methods. Energy contributions to the interaction energy have been analyzed in detail using both variational and perturbational treatments. Dispersion energy has been shown to play a key role in explaining the high stability of a non-conventional structure, which can roughly be described by a cooperative EDA interaction.

Polarized–unpolarized ground state of small polycyclic aromatic hydrocarbons

Do polyacenes, circumacenes, periacenes, nanographenes, and graphene nanoribbons show a spin polarized ground state? In this work, we present monodeterminantal (Hartree–Fock (HF) and density functional theory (DFT) types), and multideterminantal calculations (Møller–Plesset and Coupled Cluster), for several families of unsaturated organic molecules (n-Acenes, n-Periacenes and n-Circumacenes). All HF calculations and many DFT show a spin-polarized (antiferromagnetic) ground state, in agreement with previous calculations. Nevertheless, the multideterminantal calculations, carried out with perturbative and variational wavefunctions, show that the more stable state is obtained starting from the unpolarized HF wavefunction. The trend of the stabilization of wavefunctions (polarized or unpolarized) with respect to exchange and correlation potentials, and to the number of benzene rings, has been analyzed. A study of the spin (〈Ŝ2〉) and the spin density on the carbon atoms has also been carried out.

Role of potassium orbitals in the metallic behavior of K3picene

Detailed electronic structure calculations of picene clusters doped by potassium modeling the crystalline K3picene structure show that while two electrons are completely transferred from potassium atoms to the lowest-energy unoccupied molecular orbital of pristine picene, the third one remains closely attached to both material components. Multiconfigurational analysis is necessary to show that many structures of almost degenerate total energies compete to define the cluster ground state. Our results prove that the 4s orbital of potassium should be included in any interaction model describing the material. We propose a quarter-filled two-orbital model as the most simple model capable of describing the electronic structure of K-intercalated picene. Precise solutions obtained by a development of the Lanczos method show low-energy electronic excitations involving orbitals located at different positions. Consequently, metallic transport is possible in spite of the clear dominance of interaction over hopping.

Trabajo de coordinación para la implementación del cuarto curso del Grado en Química

En el curso 2013-14 se implantará el cuarto y último curso del Grado en Química. La experiencia adquirida durante la implementación de los tres primeros cursos ha puesto de manifiesto la conveniencia de realizar un proceso de coordinación entre los profesores de las diferentes asignaturas que garantice la consecución de las competencias previstas en la memoria del título. Por ello, se ha creado en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Alicante una red de investigación en docencia universitaria que ha estado trabajando desde el inicio del presente curso académico en este tema. Dicha red está constituida por el Vicedecano de Ordenación Académica de la Facultad de Ciencias, la Coordinadora Académica de Química y los profesores coordinadores de todas las asignaturas del 4º curso del grado (excepto Prácticas Externas y Trabajo Fin de Grado). En esta comunicación se presentarán los resultados del trabajo de investigación realizado por estos profesores que ha permitido elaborar las guías docentes de las asignaturas, planificar y coordinar las actividades a realizar para que los alumnos adquieran las competencias transversales, realizar un cronograma de actividades de evaluación y otro de prácticas de laboratorio que asegure la distribución homogénea del trabajo del alumno durante el curso académico.

Improvements in DFT Calculations of Spin–Spin Coupling Constants

Different types of spin–spin coupling constants (SSCCs) for several representative small molecules are evaluated and analyzed using a combination of 10 exchange functionals with 12 correlation functionals. For comparison, calculations performed using MCSCF, SOPPA, other common DFT methods, and also experimental data are considered. A detailed study of the percentage of Hartree–Fock exchange energy in SSCCs and in its four contributions is carried out. From the above analysis, a combined functional formed with local Slater (34%), Hartree–Fock exchange (66%), and P86 correlation functional (S66P86) is proposed in this paper. The accuracy of the values obtained with this hybrid functional (mean absolute deviation of 4.5 Hz) is similar to that of the SOPPA method (mean absolute deviation of 4.6 Hz).

Cyclobutadiene automerization and rotation of ethylene: Energetics of the barriers by using Spin-polarized wave functions

Spin-projected spin polarized Møller–Plesset and spin polarized coupled clusters calculations have been made to estimate the cyclobutadiene automerization, the ethylene torsion barriers in their ground state, and the gap between the singlet and triplet states of ethylene. The results have been obtained optimizing the geometries at MP4 and/or CCSD levels, by an extensive Gaussian basis set. A comparative analysis with more complex calculations, up to MP5 and CCSDTQP, together with others from the literature, have also been made, showing the efficacy of using spin-polarized wave functions as a reference wave function for Møller–Plesset and coupled clusters calculations, in such problems.