Desenvolupament, implementació i aplicació de noves metodologies per a l'estudi de la reactivitat química i de les propietats òptiques no lineals

El coneixement de la superfície d'energia potencial (PES) ha estat essencial en el món de la química teòrica per tal de discutir tant la reactivitat química com l'estructura i l'espectroscòpia molecular. En el camp de la reactivitat química es hem proposat continuar amb el desenvolupament de nova metodologia dins el marc de la teoria del funcional de la densitat conceptual. En particular aquesta tesis es centrarà en els següents punts: a) El nombre i la naturalesa dels seus punts estacionaris del PES poden sofrir canvis radicals modificant el nivell de càlcul utilitzats, de tal manera que per estar segurs de la seva naturalesa cal anar a nivells de càlcul molt elevats. La duresa és una mesura de la resistència d'un sistema químic a canviar la seva configuració electrònica, i segons el principi de màxima duresa on hi hagi un mínim o un màxim d'energia trobarem un màxim o un mínim de duresa, respectivament. A l'escollir tot un conjunt de reaccions problemàtiques des del punt de vista de presència de punts estacionaris erronis, hem observat que els perfils de duresa són més independents de la base i del mètode utilitzats, a més a més sempre presenten el perfil correcte. b) Hem desenvolupat noves expressions basades en les integracions dels kernels de duresa per tal de determinar la duresa global d'una molècula de manera més precisa que la utilitzada habitualment que està basada en el càlcul numèric de la derivada segona de l'energia respecte al número d'electrons. c) Hem estudiat la validesa del principis de màxima duresa i de mínima polaritzabiliat en les vibracions asimètriques en sistemes aromàtics. Hem trobat que per aquests sistemes alguns modes vibracionals incompleixen aquests principis i hem analitzat la relació d'aquest l'incompliment amb l'efecte de l'acoblament pseudo-Jahn-Teller. A més a més, hem postulat tot un conjunt de regles molt senzilles que ens permetien deduir si una molècula compliria o no aquests principis sense la realització de cap càlcul previ. Tota aquesta informació ha estat essencial per poder determinar exactament quines són les causes del compliment o l'incompliment del MHP i MPP. d) Finalment, hem realitzat una expansió de l'energia funcional en termes del nombre d'electrons i de les coordenades normals dintre del conjunt canònic. En la comparació d'aquesta expansió amb l'expansió de l'energia del nombre d'electrons i del potencial extern hem pogut recuperar d'una altra forma diferent tot un conjunt de relacions ja conegudes entre alguns coneguts descriptors de reactivitat del funcional de la densitat i en poden establir tot un conjunt de noves relacions i de nous descriptors. Dins del marc de les propietats moleculars es proposa generalitzar i millorar la metodologia pel càlcul de la contribució vibracional (Pvib) a les propietats òptiques no lineals (NLO). Tot i que la Pvib no s'ha tingut en compte en la majoria dels estudis teòrics publicats de les propietats NLO, recentment s'ha comprovat que la Pvib de diversos polímers orgànics amb altes propietats òptiques no lineals és fins i tot més gran que la contribució electrònica. Per tant, tenir en compte la Pvib és essencial en el disseny dels nous materials òptics no lineals utilitzats en el camp de la informàtica, les telecomunicacions i la tecnologia làser. Les principals línies d'aquesta tesis sobre aquest tema són: a) Hem calculat per primera vegada els termes d'alt ordre de Pvib de diversos polímers orgànics amb l'objectiu d'avaluar la seva importància i la convergència de les sèries de Taylor que defineixen aquestes contribucions vibracionals. b) Hem avaluat les contribucions electròniques i vibracionals per una sèrie de molècules orgàniques representatives utilitzant diferents metodologies, per tal de poder de determinar quina és la manera més senzilla per poder calcular les propietats NLO amb una precisió semiquantitativa.

Estudi de reactius químics alternatius per al blanqueig de pastes termomecàniques : efecte en les propietats òptiques de les pastes i en la qualitat dels efluents del procés

Aquest estudi s’emmarca en un projecte titulat “Noves possibilitats en el blanqueig en lespastes destintades: Alternatives al blanqueig amb sosa càustica i peròxid d’hidrogen” i estàsubvencionat per diverses empreses europees del sector. La seva realització s’ha dut a termeen el Centre Technique du Papier, a Grenoble, França. L’estudi contempla la realitzaciód’una part del projecte, i té per objecte analitzar els Na2SiO3 modificats, el hidròxid demagnesi (Mg(OH)2) i el hidròxid de calci (Ca(OH)2) per veure si poden actuar com asubstituts del NaOH. Cal intentar aconseguir valors de blancor similars als assolits amb elblanqueig estàndard i millorar substancialment la qualitat de les aigües. Segons el centre derecerca es pot considerar una millora projectable a nivell industrial una reducció de la DQO ide la demanda catiònica a partir d’un 10% a nivell experimental.La pasta que es blanqueja és TMP verge. Els resultats obtinguts a nivell de blancor tambépoden ser considerats aplicables en paper recuperat, prèviament destintat, provenintd’aquest tipus de pasta

Modelització de les propietats òptiques de partícules metàl•liques en matriu dielèctrica

En el marc del projecte "Modelització de les propietats òptiques de partícules metàl•liques en matriu dielèctrica" s'han desenvolupat un conjunt d'eines numèriques que permeten avançar en l'ús de l'espectroscòpia òptica per a l'obtenció d'informació morfològica de materials compostos consistents en partícules metàl•liques en matriu dielèctrica. S'han implementat esquemes numèrics per a calcular les propietats òptiques de materials compostos on les partícules poden presentar una distribució de mides i formes i diferent graus d'ordenament espacial. Les simulacions s'han realitzat a dos nivells: i) amb l’aproximació quasi-estàtica, que permet descriure el comportament d'aquests materials en termes de constants òptiques efectives i ii) amb càlculs electrodinàmics exactes, que han servit per avaluar la validesa de l’aproximació anterior i que han permès d'estudiar la interacció de partícules amb feixos de llum focalitzats o amb polarització no homogènia. A través de l’anàlisi d'aquestes simulacions, s'han desenvolupat models senzills que permeten parametritzar la influència de diferents quantitats físiques en el comportament òptic del material. Aquests models s'han implementat en un programari de càlcul que permeten trobar el valor òptim dels paràmetres físics d'interès mitjançant l'ajust d'espectres òptics. Els models s'han avaluat amb l'anàlisi de dades experimentals subministrades per altres laboratoris.

Estudi òptic dels minerals

El Grup Consolidat d’Innovació Docent de Mineralogia i òptica cristal·lina de la Universitat de Barcelona ha desenvolupat un CD interactiu que simula el funcionament d’un microscopi petrogràfic, per tal de facilitar a l’alumne un material d’autoaprenentatge, ha de servir per a reforçar els coneixements dels minerals formadors de roques en làmina prima. Aquest material te tres entrades diferents, en català, castellà i anglès. Cada mineral té una fitxa general amb les seves propietats òptiques i una complementaria amb les característiques cristal·logràfiques, camp d’estabilitat, diagrames de fases i característiques morfològiques del mineral a observar, les quals marquen els trets determinatius d’aquell mineral per tal de facilitar el seu reconeixement. Per tal de complementar les dades s’han introduït links directes amb la planes web: “webmineral” i “mindat” on hi ha les corresponents estructures i morfologies “interactives” de cadascun dels minerals que apareixen en el programa. En l’aplicació informàtica hi ha 169 filmacions corresponents a 43 dels principals minerals que formen les roques, una filmació correspon a la imatge només amb el polaritzador, i l'altre a la imatge amb el polaritzador més l'analitzador. Cadascuna d'aquestes imatges es presenta amb un gir de 360º; es pot aturar i després continuar girant, simulant el que veuríem al microscopi. D'aquesta manera es pot determinar el pleocroisme, la presència de macles, el color d'interferència i l'angle d'extinció.. S’ha intentat sempre que hi hagués diferents exemples d’un mateix mineral en diverses paragènesis. També s'incorpora una fitxa que l'usuari pot omplir amb les característiques texturals i òptiques del mineral agrupades segons les observacions que es fan, bé amb el polaritzador, amb el polaritzador i l'analitzador o bé amb les condicions específiques per veure la figura d'interferència i el signe òptic. Aquesta fitxa, un cop plena, es pot imprimir. En tot moment hi ha un menú d’ajuda on l’usuari pot remetre i fer la consulta adient per poder continuar.

Eina per al desenvolupament de reflectors de conjunts òptics

Avui en dia, una bona il·luminació vial és molt important, tant per als conductors com per als vianants. Els fanals o conjunts òptics estan compostos per una font de llum que és la làmpada, el reflector i la carcassa que els protegeix. Trobar la forma exacta d’un reflector amb unes propietats òptiques en particular és de gran importància en el sector luminotècnic. En aquest projecte es vol dissenyar i desenvolupar una sistema capaç d’ajudar a obtenir el reflector adequat, un programari que permeti dissenyar un reflector a partir d’una boca qualsevol, i mitjançant una làmpada, capturar la intensitat de llum que el reflector projecta sobre al terra o una superfície del carrer. L’aplicació desenvolupada vol facilitar el procés de selecció d’un bon reflector als enginyers luminotècnics

Síntesi i caracterització de micro- i nanoestructures de compostos fotoactius de perilendiimida

En el present treball de recerca s’ha portat a terme la síntesi i caracterització de fibres a escala micro- i nanomètrica mitjançant l’auto-assemblatge dels compostos 1 i 2. Aquests compostos estan formats per una unitat de perilendiimida (PI) i una unitat d’estilbè i, en base a estudis previs desenvolupats al nostre grup de recerca, haurien de comportar-se com a sistemes acceptor-donador d’electrons fotoinduïts. Per tant, les corresponents estructures obtingudes podrien presentar activitat fotovoltaica. En primer lloc, s’ha abordat la síntesi dels compostos 1 i 2, seguint la metodologia posada a punt prèviament al nostre grup de recerca. A continuació, s’han estudiat les propietats òptiques de 1 i 2 en dissolució, la qual cosa ha permès establir que: (a) tal i com es pretenia, tots dos compostos presenten transferència electrònica fotoinduïda entre la unitat electró-acceptora de PI i la unitat electró-donadora de trans-estilbè; (b) la diferent morfologia de la cadena alquílica lateral del grup de PI a 1 i 2 afecta la seva capacitat d’auto-assemblatge mitjançant interaccions intermoleculars de tipus π-π. A continuació, s’han assajat diferents metodologies per a la fabricació de micro- i nanoestructures auto-assemblades de 1 i 2. Els millors resultats s’han obtingut mitjançant l’ús de motlles d’òxid d’alúmina i per al compost 2 degut al menor impediment estèric de la seva cadena alquílica lateral. La caracterització de les estructures resultants en aquest cas mitjançant tècniques microscòpiques i espectroscòpiques han permès demostrar la formació de nanotubs de 200 nm de diàmetre, d’uns 15 μm de longitud i en què les unitats de PI s’ordenen amb els seus sistemes aromàtics de forma co-facial o gairebé co-facial. La possible activitat fotovoltaica d’aquestes estructures s’estudiarà posteriorment.

Medida de reflectancias en inmersión en aceite mediante el método directo y cálculo de n y k de 400 a 1100 nm.

Se ha centrado el problema en las mediciones en aceite en el directo para calcular n y k. Para ello se ha colocado una gota de aceite que se mantiene en contacto con la muestra mediante un cubreobjetos. Éste provoca una reflectancia adicional (efecto glare) que es necesario corregir. Se plantea el desarrollo matemático para esta corrección, y se realizan las comprobaciones con un sistema estándar.

Optical response of Cu3Ge thin films

We report an investigation on the optical properties of Cu3Ge thin films displaying very high conductivity, with thickness ranging from 200 to 2000 Å, deposited on Ge substrates. Reflectance, transmittance, and ellipsometric spectroscopy measurements were performed at room temperature in the 0.01-6.0, 0.01-0.6, and 1.4-5.0 eV energy range, respectively. The complex dielectric function, the optical conductivity, the energy-loss function, and the effective charge density were obtained over the whole spectral range. The low-energy free-carrier response was well fitted by using the classical Drude-Lorentz dielectric function. A simple two-band model allowed the resulting optical parameters to be interpreted coherently with those previously obtained from transport measurements, hence yielding the densities and the effective masses of electrons and holes.

Electron capture and emission by the Ti acceptor level in GaP

Previously reported results on deep level optical spectroscopy, optical absorption, deep level transient spectroscopy, photoluminescence excitation, and time resolved photoluminescence are reviewed and discussed in order to know which are the mechanisms involved in electron capture and emission of the Ti acceptor level in GaP. First, the analysis indicates that the 3T1(F) crystal¿field excited state is not in resonance with the conduction band states. Second, it is shown that both the 3T2 and 3T1(F) excited states do not play any significant role in the process of electron emission and capture.

Gas collisions and pressure quenching of the photoluminescence of silicon nanopowder grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition

The quenching of the photoluminescence of Si nanopowder grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition due to pressure was measured for various gases ( H2, O2, N2, He, Ne, Ar, and Kr) and at different temperatures. The characteristic pressure, P0, of the general dependence I(P) = I0¿exp(¿P/P0) is gas and temperature dependent. However, when the number of gas collisions is taken as the variable instead of pressure, then the quenching is the same within a gas family (mono- or diatomic) and it is temperature independent. So it is concluded that the effect depends on the number of gas collisions irrespective of the nature of the gas or its temperature.

Size dependence of refractive index of Si nanoclusters embedded in SiO2

he complex refractive index of SiO2 layers containing Si nanoclusters (Si-nc) has been measured by spectroscopic ellipsometry in the range from 1.5 to 5.0 eV. It has been correlated with the amount of Si excess accurately measured by x-ray photoelectron spectroscopy and the nanocluster size determined by energy-filtered transmission electron microscopy. The Si-nc embedded in SiO2 have been produced by a fourfold Si+ ion implantation, providing uniform Si excess aimed at a reliable ellipsometric modeling. The complex refractive index of the Si-nc phase has been calculated by the application of the Bruggeman effective-medium approximation to the composite media. The characteristic resonances of the refractive index and extinction coefficient of bulk Si vanish out in Si-nc. In agreement with theoretical simulations, a significant reduction of the refractive index of Si-nc is observed, in comparison with bulk and amorphous silicon. The knowledge of the optical properties of these composite layers is crucial for the realization of Si-based waveguides and light-emitting devices.

Optical-geometrical effects on the photoluminescence spectra of Si nanocrystals embedded in SiO2

We demonstrate that thickness, optical constants, and details of the multilayer stack, together with the detection setting, strongly influence the photoluminescence spectra of Si nanocrystals embedded in SiO2. Due to multiple reflections of the visible light against the opaque silicon substrate, an interference pattern is built inside the oxide layer, which is responsible for the modifications in the measured spectra. This interference effect is complicated by the depth dependence of (i) the intensity of the excitation laser and (ii) the concentration of the emitting nanocrystals. These variations can give rise to apparent features in the recorded spectra, such as peak shifts, satellite shoulders, and even splittings, which can be mistaken as intrinsic material features. Thus, they can give rise to an erroneous attribution of optical bands or estimate of the average particle size, while they are only optical-geometrical artifacts. We have analyzed these effects as a function of material composition (Si excess fraction) and thickness, and also evaluated how the geometry of the detection setup affects the measurements. To correct the experimental photoluminescence spectra and extract the true spectral shape of the emission from Si nanocrystals, we have developed an algorithm based on a modulation function, which depends on both the multilayer sequence and the experimental configuration. This procedure can be easily extended to other heterogeneous systems.

White luminescence from Si+ and C+ ion-implanted SiO2 films

The microstructural and optical analysis of SiO2 layers emitting white luminescence is reported. These structures have been synthesized by sequential Si+ and C+ ion implantation and high-temperature annealing. Their white emission results from the presence of up to three bands in the photoluminescence (PL) spectra, covering the whole visible spectral range. The microstructural characterization reveals the presence of a complex multilayer structure: Si nanocrystals are only observed outside the main C-implanted peak region, with a lower density closer to the surface, being also smaller in size. This lack of uniformity in their density has been related to the inhibiting role of C in their growth dynamics. These nanocrystals are responsible for the band appearing in the red region of the PL spectrum. The analysis of the thermal evolution of the red PL band and its behavior after hydrogenation shows that carbon implantation also prevents the formation of well passivated Si/SiO2 interfaces. On the other hand, the PL bands appearing at higher energies show the existence of two different characteristics as a function of the implanted dose. For excess atomic concentrations below or equal to 10%, the spectra show a PL band in the blue region. At higher doses, two bands dominate the green¿blue spectral region. The evolution of these bands with the implanted dose and annealing time suggests that they are related to the formation of carbon-rich precipitates in the implanted region. Moreover, PL versus depth measurements provide a direct correlation of the green band with the carbon-implanted profile. These PL bands have been assigned to two distinct amorphous phases, with a composition close to elemental graphitic carbon or stoichiometric SiC.

Efficient energy transfer from Si clusters to Er3+ in complex silicate glasses

We present an extensive study of the structural and optical emission properties in aluminum silicates and soda-lime silicates codoped with Si nanoclusters (Si-nc) and Er. Si excess of 5 and 15¿at.¿% and Er concentrations ranging from 2×1019 up to 6×1020¿cm¿3 were introduced by ion implantation. Thermal treatments at different temperatures were carried out before and after Er implantation. Structural characterization of the resulting structures was performed to obtain the layer composition and the size distribution of Si clusters. A comprehensive study has been carried out of the light emission as a function of the matrix characteristics, Si and Er contents, excitation wavelength, and power. Er emission at 1540¿nm has been detected in all coimplanted glasses, with similar intensities. We estimated lifetimes ranging from 2.5¿to¿12¿ms (depending on the Er dose and Si excess) and an effective excitation cross section of about 1×10¿17¿cm2 at low fluxes that decreases at high pump power. By quantifying the amount of Er ions excited through Si-nc we find a fraction of 10% of the total Er concentration. Upconversion coefficients of about 3×10¿18¿cm¿3¿s¿1 have been found for soda-lime glasses and one order of magnitude lower in aluminum silicates.

Raman microprobe characterization of electrodeposited S-rich CuIn(S,Se)2 for photovoltaic applications: Microstructural analysis

This article reports a detailed Raman scattering and microstructural characterization of S-rich CuIn(S,Se)2 absorbers produced by electrodeposition of nanocrystalline CuInSe2 precursors and subsequent reactive annealing under sulfurizing conditions. Surface and in-depth resolved Raman microprobe measurements have been correlated with the analysis of the layers by optical and scanning electron microscopy, x-ray diffraction, and in-depth Auger electron spectroscopy. This has allowed corroboration of the high crystalline quality of the sulfurized layers. The sulfurizing conditions used also lead to the formation of a relatively thick MoS2 intermediate layer between the absorber and the Mo back contact. The analysis of the absorbers has also allowed identification of the presence of In-rich secondary phases, which are likely related to the coexistence in the electrodeposited precursors of ordered vacancy compound domains with the main chalcopyrite phase, in spite of the Cu-rich conditions used in the growth. This points out the higher complexity of the electrodeposition and sulfurization processes in relation to those based in vacuum deposition techniques.