Fabricació i caracterització de nanoestructures de carboni

En aquest treball s’han sintetitzat nanoestructures de carboni per mòlta mecànica d’alta energia (HEBM) a partir de pols de grafit. La caracterització s’ha realitzat per microscòpia electrònica de transmissió d’alta resolució i difracció de raigs X. S’han obtingut nanoestructures corbades de carboni (highly curved carbon nanoestructures), nanoarcs de carboni (nanoarches o halfnanotubes) i cintes de carboni (ribbons). Al modificar la composició de la mòlta de grafit barrejant-hi pols de ferro, cobalt, níquel o ferrocene; s’ha observat que aquests compostos no es troben dins les nanoestructures de carboni formades. Concretament, el ferro forma uns agregats, en canvi el cobalt, el níquel i el ferrocene formen nanopartícules. Combinant la HEBM amb un posterior tractament tèrmic s’han obtingut la mateixa quantitat i tipus de nanoestructures, sense observar la formació de noves nanoestructures (nanotubs de carboni) o la modificació de les ja obtingudes durant la mòlta mecànica. Futurs treballs amb mòlta mecànica i tractament tèrmic es podrien centrar en l’optimització del tractament tèrmic per poder aconseguir la síntesis de nanotubs de carboni.

Síntesi i estudi de les propietats de fotoluminescència de nanoestructures de sulfur de cadmi

S’han sintetitzat estructures de CdS a partir de sílice mesoporosa (SBA-15, SBA-16 i KIT-6) pel mètode del motlle rígid i s’han caracteritzat mitjançant TEM i XRD, i se n’han estudiat les seves propietats de fotoluminescència mitjançant CSLM. Els resultats obtinguts s’han comparat amb una mostra de CdS comercial. El CdS SBA-15 ha conservat l’estructura mesoporosa del motlle, mentre que en els altres dos casos s’ha mantingut només de manera parcial. Per a totes les mostres, la mida de partícula es troba en el rang dels 3-10 nm. Pel que fa a l’estructura, s’ha detectat fase wurtzita i zinc-blenda, en diferents percentatges entre elles. La formació de wurtzita pot ser en part responsable del col·lapse parcial de la mesostructura. El pic de màxima emissió en l’espectre de fotoluminescència es desplaça entre les diferents estructures segons la mida de partícula. L’amplada del pic varia en funció del grau de dispersió de partícula, de manera que s’observa que aquesta és inferior en les mostres sintetitzades respecte de la comercial.

Interfície gràfica pel simulador científic de nanoestructures BITLLES

L’emergent indústria nanoelectrònica necessita de nous simuladors de dispositius nanoelectrònics. Des del departament d’Enginyeria Electrònica de la UAB se n’està desenvolupant un anomenat BITLLES. Malgrat el seu avançat estat de desenvolupament els manca d’una interfície gràfica que faciliti l’entrada de dades al simulador. Aquest projecte final de carrera s’encarregarà de confeccionar aquesta peça clau per tal de assolir una aplicació prou madura per la seva comercialització. A partir de les tecnologies existents per a la realització d’interfícies es farà una selecció de les eines més adequades pels nostres objectius i seguidament es dissenyarà la interfície gràfica adaptant-la a les necessitats i objectius dels desenvolupadors del projecte BITLLES i dels possibles futurs usuaris.

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.

Autoensamblaje dirigido de nanoestructuras de Ce0,9Gd0,1O2-y crecidas por vía química sobre sustratos nanoindentados

En la presente memoria se expone el trabajo realizado en el marco de partículas nanométricas de óxido de cerio (IV) dopado con gadolinio (Ce0,9Gd0,1O2‐y) crecidas por métodos químicos sobre sustratos de tipo perovskita previamente modificados por nanoindentación. El estudio de la influencia de las deformaciones mecánicas del sustrato en la ordenación espontánea de las nanoestructuras nos permitirá poder prever y diseñar sistemas de autoensamblaje asistido y asomarnos al ansiado control en la fabricación de sistemas en el rango nanométrico.

L'anoditzat d'alumini com a eina per a la fabricació de nanomaterials 1D

El projecte se centra en la fabricació de nanomaterials 1D mitjançant una estratègia sintètica, basada en la combinació de metodologies top-down i bottom-up: la deposició de materials diversos a l’interior de l’estructura porosa de l’alúmina anòdica. En una primera etapa del treball, es desenvolupa el procés de fabricació de les membranes poroses, conegut com anoditzat de l’alumini. S’analitzen diversos aspectes del procés per tal d’optimitzar-lo i aconseguir la fabricació de capes poroses d’elevada qualitat de manera controlada, reproduïble i utilitzant un alumini de baixa puresa. Posteriorment, s’avalua la versatilitat de les membranes com a plantilla per a l’obtenció de nanomaterials amb geometria 1D (nanofils i nanotubs) mitjançant tècniques diverses. D’una banda es fabriquen nanofils de níquel magnètics mitjançant tècniques electroquímiques de deposició, amb la novetat que la formació del dipòsit té lloc directament a través del sistema alumini – alúmina. D’altra banda, s’obtenen nanotubs d’òxid de ferro magnètic (Fe3O4) mitjançant la tècnica de deposició per capes atòmiques. Les dues tècniques permeten un alt control de tots els paràmetres estructurals. Finalment, s’inclou un estudi sobre la preparació de membranes poroses d’alúmina anòdica avançades. La principal característica d’aquestes membranes és la modulació a voluntat del diàmetre de porus, resultant en pseudo-nanoestructures 1D.

Estudi de l'estabilitat tèrmica de l'espinel·la NiCo2O4 mesoporosa

Els materials mesoporos (amb una mida controlada de porus entre els 2 i 50 nm) tenen com a tret diferencial la seva gran superfície específica, la qual els fa aptes per a aplicacions molt diverses. L’espinel·la de NiCo2O4 és aplicable com a sensor de gasos, com a catalitzador de les reaccions d’evolució i reducció d’oxigen o com a elèctrode en electrosíntesi inorgànica i orgànica. Hom preveu que l’obtenció de NiCo2O4 mesoporós podria ampliar el ventall d’aplicacions d’aquest material o millorar les prestacions de les ja existents. L’objectiu del projecte és el de determinar el rang de temperatures d’ús dels dispositius que incorporin l’espinel·la de NiCo2O4 mesoporosa. Per tal d’analitzar l’estabilitat tèrmica d’aquest material, es realitza un procés de síntesi complet de mostres d’aquestes característiques. S’inicia un procés d’obtenció de nanomotlles de sílice amb mesoestructura SBA-15 i KIT-6 pel mètode de soft-templating. Aquests templates es validen per TEM i EDX i són els emprats per a la síntesi de mostres de NiCo2O4 per hard-templating. Un cop sintetitzades les mostres de NiCo2O4 SBA-15 i KIT-6, es procedeix a validar la qualitat de la seva mesoestructura per TEM, i la seva composició química per EDX i de fases per XRD. Aquestes dues mostres as-prepared passen a ser sotmeses a un seguit de tractaments tèrmics a temperatures de 400ºC, 450ºC, 500ºC, 550ºC i 600ºC. Això permetrà observar per TEM el col·lapse de la mesoestructura i per XRD serà possible detectar i quantificar la segregació de NiO que podria malmetre les propietats del material en qualsevol de les seves aplicacions. Segons l’aparició d’aquests dos efectes negatius, es determinarà una temperatura crítica de funcionalitat del NiCo2O4 mesoporós. També es farà una anàlisi termogravimètrica dels precursors emprats per a la síntesi del NiCo2O4 confinats en templates de sílice: nitrat de cobalt i nitrat de níquel per separat, i una mescla d’ambdós amb proporcions 0,5:1 Ni(II):Co(II). Es podrà observar en quines temperatures tenen lloc el processos físicoquímics patits per aquests precursors, quan té lloc la formació dels òxids pertinents i com afecta la presència dels nanomotlles a cada un d’ells. Finalment, aquest projecte també incideix en l’estudi de la reproductibilitat per hard-templating de l’espinel·la de FeCo2O4, un material força desconegut en format mesoporós. I la caracterització de les mostres as-prepared per TEM, EDX i XRD.

Nanotermoparells: heterounions de nanowires

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of California a Irvine, EEUU, entre juliol del 2007 i gener del 2008. Els termoparells són actualment els sensors de temperatura més populars i més utilitzats per a un ampli rang d’aplicacions: industrials, domèstiques, etc. Aconseguir miniaturar els dispositius fins a dimensions extremadament petites obra un ampli rang de noves aplicacions per aquests dispositius, per exemple, en el camp de la tecnologia lab-on-a-chip. En aquesta investigació, el concepte de termoparell, és a dir, dos cables de diferent metall connectats per un extrem s’ha extrapolat a l’escala nanomètrica, utilitzant nanowires com a element de construcció. Aquests nanowires s’han sintetitzat a través d’un nou procediment desenvolupat en el grup d’investigació de la Universitat de California, Irvine, que ha permès treballar amb nanowires de diferents dimensions (control independent de l’alçada i amplada) i un major grau d’èxit en la fabricació d’aquests termometres. El mètode també permet dipositar aquestes nanoestructures sobre substractes no conductors de manera controlable, simplificant notablement tot el procés de fabricació. L’obtenció d’aquests dispositius ha permès demostrar que, a part de ser bons sensors de temperatura a nivell macroscòpic (fonts de calor ambientals), també permet la determinació de temperatura a nivell microscòpic (fonts de calor focalitzada, com és el cas de feixos làser). Per a la seva caracterització ha estat necessari l’ús de tecnologia puntera (làsers, amplificadors, microscopis de forces atòmiques) i inclòs el disseny de nous dispositius. Aquests nanotermoparells presenten propietats extraordinàries, com una gran sensitivitat, gran velocitat de resposta a estímuls tèrmics, i un comportament estable vers l’ús i el temps.

Growth and characterization of CoO ultra thin films

In this report we present the growth process of the cobalt oxide system using reactive electron beam deposition. In that technique, a target of metallic cobalt is evaporated and its atoms are in-flight oxidized in an oxygen rich reactive atmosphere before reaching the surface of the substrate. With a trial and error procedure the deposition parameters have been optimized to obtain the correct stoichiometry and crystalline phase. The evaporation conditions to achieve the correct cobalt oxide salt rock structure, when evaporating over amorphous silicon nitride, are: 525 K of substrate temperature, 2.5·10-4 mbar of oxygen partial pressure and 1 Å/s of evaporation rate. Once the parameters were optimized a set of ultra thin film ranging from samples of 1 nm of nominal thickness to 20nm thick and bulk samples were grown. With the aim to characterize the samples and study their microstructure and morphology, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, electron diffraction, energy dispersive X-ray spectroscopy and quasi-adiabatic nanocalorimetry techniques are utilised. The final results show a size dependent effect of the antiferromagnetic transition. Its Néel temperature becomes depressed as the size of the grains forming the layer decreases.

Inducció local de magnetisme mitjançant irradiació d'ions a través de màscares

Degut a la gran demanda tecnològica, actualment hi ha un gran interès en desenvolupar medis magnètics amb entitats ferromagnètiques de dimensions nanomètriques. Aquesta demanda promou la investigació i el desenvolupament de nous materials i processos de fabricació que permetin controlar d’una manera més precisa les propietats magnètiques i estructurals. Entre els mètodes de litografia convencionals (per exemple deposició física a través de màscares, deposició química en fase vapor i electrodeposició), recentment s’ha demostrat que la irradiació amb ions a través de màscares pre‐litografiades, sembla ser un bon mètode per a la fabricació d’estructures ferromagnètiques de l’ordre dels nanòmetres. Aquesta tècnica pot ser aplicada per aprofitar la transició paramagnètica‐ferromagnètica que presenten alguns materials al ser desordenats estructuralment (per exemple FeAl, FePt3, Ni3Sn2). En el treball que es presenta a continuació s’utilitza l’aliatge Fe60Al40 per a fabricar estructures ferromagnètiques embegudes en una matriu paramagnètica mitjançant irradiació amb ions d’argó a través d’una membrana de polimetil metacrilat (PMMA) prèviament litografiada amb feixos d’electrons (EBL). La fabricació d’aquest sistema té com a objectiu d’estudiar l’evolució de la morfologia i el gruix de PMMA (a partir de SEM i AFM) i del comportament magnètic de les estructures fabricades (MFM i MOKE), quan és irradiat consecutivament a diferents energies. Per a completar l’estudi s’han utilitzat simulacions per a determinar les condicions d’irradiació (TRIM), com per a una millor comprensió dels resultats (simulacions micromagnètiques). El contingut de la memòria inclou una breu introducció històrica i conceptual sobre el magnetisme. A continuació s’exposen les tècniques necessàries per a la fabricació, preparació i caracterització de la mostra. Finalment es presenta una discussió dels resultats obtinguts i les conclusions.

Formación de nanoestructuras de silicio por evaporación térmica y pulverización catódica. Intento de crecimiento de nanohilos de silicio

El proyecto tiene como objetivo estudiar las posibilidades de síntesis de nanohilos de silicio mediante evaporación térmica y pulverización catódica. Con estas técnicas se pretende lograr un crecimiento aditivo en un escenario VLS (Vapor Liquid Solid). Se han utilizado obleas de silicio recubiertas de oro o aluminio como catalizador, sometidas a un tratamiento térmico para lograr una aleación eutéctica. Se han realizado 19 ensayos variando los parámetros experimentales, y se han obtenido 44 muestras diferentes, caracterizadas mediante SEM. Después de un estudio exhaustivo no se ha podido hacer crecer nanohilos de silicio, confirmando la dificultad de su obtención con las técnicas propuestas.

Metaestabilidad estructural a traves de proyeccion termica

Recientes investigaciones en el campo de los materiales cerámicos han dado cuenta de la importancia de la metaestabilidad para obtener estructuras con características singulares. Durante la consolidación del material las fases mestaestables se transforman en una estructura donde se produce la inhibición del crecimiento de grano. Este efecto es una consecuencia directa de la inmiscibilidad de dos fases en estado sólido. Los nanocomposites conseguidos, gracias a su pequeño tamaño de grano y a su estructura uniforme, exhiben unas interesantes propiedades como elevada dureza y tenacidad. Estas fases metaestables pueden ser producidas por diversas técnicas entre las que se encuentra la proyección térmica. En concreto en este trabajo se ha empleado la Proyección por plasma (APS). Las fases de partida inmiscibles, son fundidas y homogeneizadas durante su corta estancia en la zona caliente del plasma. Seguidamente, las partículas fundidas y aceleradas por el plasma, se someten a un enfriamiento rápido o temple (quenching) en un medio líquido, como el agua o en un substrato enfriado con nitrógeno líquido, formándose a través de este proceso las fases metaestables. El principal objetivo de este trabajo ha sido la obtención de polvos cerámicos metastables a través de la aplicación de APS y el establecimiento de un proceso de temple conducente a la formación de fases metastables así como la caracterización estructural de éstas. Como última etapa del trabajo se han estudiado los materiales nanoestructurados conseguidos tras realizar tratamientos térmicos.

Influence of the (111) twinning on the formation of diamond cubic/diamond hexagonal heterostructures in Cu-catalyzed Si nanowires

The occurrence of heterostructures of cubic silicon/hexagonal silicon as disks defined along the nanowire (111) growth direction is reviewed in detail for Si nanowires obtained using Cu as catalyst. Detailed measurements on the structural properties of both semiconductor phases and their interface are presented. We observe that during growth, lamellar twinning on the cubic phase along the (111) direction is generated. Consecutive presence of twins along the (111) growth direction was found to be correlated with the origin of the local formation of the hexagonal Si segments along the nanowires, which define quantum wells of hexagonal Si diamond. Finally, we evaluate and comment on the consequences of the twins and wurtzite in the final electronic properties of the wires with the help of the predicted energy band diagram.

Raman scattering and photoluminescence analysis of silicon on insulator structures obtained by single and multiple oxygen implants

An analysis of silicon on insulator structures obtained by single and multiple implants by means of Raman scattering and photoluminescence spectroscopy is reported. The Raman spectra obtained with different excitation powers and wavelengths indicate the presence of a tensile strain in the top silicon layer of the structures. The comparison between the spectra measured in both kinds of samples points out the existence in the multiple implant material of a lower strain for a penetration depth about 300 nm and a higher strain for higher penetration depths. These results have been correlated with transmission electron microscopy observations, which have allowed to associate the higher strain to the presence of SiO2 precipitates in the top silicon layer, close to the buried oxide. The found lower strain is in agreement with the better quality expected for this material, which is corroborated by the photoluminescence data.

Size-dependent recombination dynamics in ZnO nanowires.

A deep understanding of the recombination dynamics of ZnO nanowires NWs is a natural step for a precise design of on-demand nanostructures based on this material system. In this work we investigate the influence of finite-size on the recombination dynamics of the neutral bound exciton around 3.365 eV for ZnO NWs with different diameters. We demonstrate that the lifetime of this excitonic transition decreases with increasing the surface-to-volume ratio due to a surface induced recombination process. Furthermore, we have observed two broad transitions around 3.341 and 3.314 eV, which were identified as surface states by studying the dependence of their life time and intensitiy with the NWs dimensions.