Crecimiento por epitaxia de haces moleculares de puntos cuánticos de InAs sobre GaAs(001) con control en su lugar de formación para su integración en microcavidades ópticas

Quantum dots (QDs) are structures that show quantum confinement in all three directions of space. In particular semiconductor QDs are nanometric structures and they have great potential in the development of optoelectronic devices [1]. In particular, the optoelectronic devices that exploit the quantum properties of a single nanostructure [2] are of great interest in the field of cryptography and quantum information technologies [3] for their capability to generate non classical light states, such as single photon emission and entangled photon pair generation [4,5] and in the fundamental studies of cavity quantum electrodynamics (cQED) in solid state [6]. The development of this kind of devices exploits in many cases the light-matter coupling that takes place when an emitter is located in a high quality factor optical cavity. For the development of single photon sources, an increment of the emission rate is obtained due to Purcell effect [7]. Nevertheless, the fabrication of single QD-photonic mode coupled systems is nowadays a technological challenge; it is necessary to simultaneously achieve the spectral and spatial matching of the emission of the nanostructure and the photonic mode: the nanostructure emission wavelength should match the spectral position of the fundamental mode of the optical cavity and the nanostructure should be located at the highest electric field intensity of the photonic mode. Among other semiconductor systems, InAs/GaAs has been widely studied because of the high quality InAs quantum dots obtained by epitaxial Stranski-Krastanov selfassembly in GaAs(001) surface [8]. These self-assembled quantum dots (SAQDs) show high structural and optical quality s but they present an important practical drawback as it is not possible to know their nucleation site a priori. Due to the strict requirements for the fabrication of single nanostructure based devices, the development of fabrication processes to obtain site-controlled quantum dot (SCQDs) is mandatory. Establishing scalable fabrication processes of this kind of devices require to a priori define the spatial location of the active nanostructures. 224 Epitaxial growth on nanohole-patterned substrates has been established as the main technological approach to fabricate SCQDs [9,10]. Nanoholes patterned in the substrate surface can act as preferential nucleation sites for QD formation due to the surface chemical potential minima located at the bottom of these nanoholes, which in addition to the incorporation kinetics determines the SCQDs formation. Nevertheless, growth on patterned substrates imposes important limitations compared to the growth of QDs by means of self assembly processes. First, high resolution lithographic techniques are used for the fabrication of the patterned substrates and defects or contamination could be introduced in the substrate surface. Second, standard procedures in epitaxial growth, such as surface oxide thermal desorption and the growth of thick buffer layers, are not suitable for patterned substrates due to the need to preserve the patterned motifs. These limitations result in that the nanostructures are grown in proximity to the regrowth interface, which may degrade the optical properties of the obtained nanostructures [11]. Therefore, it is crucial to study and optimize all processes involved in the fabrication of SCQDs to obtain nanostructures with suitable properties for its practical application in devices. In addition, as many applications require the formation of a single QD at given positions in a reproducible process, it is mandatory to optimize the occupation statistics (number of QDs obtained per pattern motif) in the patterned motif

BaMgF4 y LiNbO3: sistemas ferroeléctricos como matrices para iones y nanocristales ópticamente activos

Tesis doctoral inédita. Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física de Materiales. Fecha de lectura: 19-07-201

Estudios y aplicaciones de propiedades ópticas, magnéticas y de transporte de carga de nanocompuestos basados en membranas porosas

Se estudiaron membranas de materiales porosos nanoestructurados usadas como matriz en nanocompuestos. Los dos materiales utilizados como matriz fueron alúmina anódica porosa nanoestructurada (AAPN) y silicio poroso bajo las formas de silicio mesoporoso (SP) o macroporoso (SMP). Se montó una nueva línea de fabricación de AAPN en el laboratorio de Física de Semiconductores del IFIS-Litoral. Este laboratorio ya contaba con una amplia experiencia en producción y caracterización de silicio poroso nanoestructurado. Partiendo de un sustrato de aluminio de alta pureza fue posible obtener membranas de AAPN con un alto grado de ordenamiento. Los parámetros estructurales de las membranas de AAPN, como el diámetro de los poros, la distancia entre poros, así como el tamaño de los dominios de poros ordenados, entre otros, se caracterizaron a través de imágenes obtenidas por microscopia de fuerza atómica y electrónica de barrido. Mediante difractometría de rayos X se determinó que la matriz de alúmina que conforma la membrana es amorfa.Mediante un tratamiento del sustrato de aluminio sobre el que crece la alúmina porosa, previo al anodizado, se ha logrado aumentar el tamaño de los granos cristalinos del aluminio hasta 5 mm o más. Se observó que el espesor físico de la alúmina porosa fabricada a partir de este aluminio pretratado está definido por la orientación cristalina del grano subyacente del sustrato sobre el que crece. De esta manera se delimitan zonas en la alúmina porosa, con dimensiones típicas del orden de los milímetros, cuyas propiedades ópticas fueron estudiadas. Se estudió y caracterizó la anisotropía óptica, es decir, la birrefringencia que presenta este material en las distintas zonas. Se encontró una correlación entre la orientación cristalina del sustrato, determinada mediante difracción de electrones retrodispersados, y la anisotropía óptica de la membrana de alúmina resultante. A partir de películas de AAPN que conservan su sustrato de aluminio se fabricaron nanocompuestos introduciendo níquel dentro de los poros por una técnica de electrodeposición pulsada, y posteriormente removiendo el sustrato de aluminio. Estos nanocompuestos permitieron realizar estudios del comportamiento de la matriz de alúmina y de los nanohilos de Ni. En particular -y aprovechando la alineación que adoptan los nanohilos en el nanocompuesto- se estudió la anisotropía de las propiedades magnéticas y su variación con la temperatura. Por otro lado se realizaron experimentos de difracción de rayos X sobre los nanohilos embebidos en alúmina, que permitieron encontrar un comportamiento anómalo del coeficiente de expansión térmica del nanocompuesto que concuerda con los resultados del estudio magnético. En base a estos resultados se encontró que el coeficiente de expansión térmica de la matriz de alúmina es negativo en el rango de temperaturas estudiado. De los experimentos con DRX y los estudios magnéticos se concluye que existen efectos magnetoelásticos asociados a la variación de la temperatura del nanocompuesto.Se diseñaron y fabricaron microcavidades ópticas híbridas a partir de membranas de AAPN y cristales fotónicos unidimensionales de silicio mesoporoso. Estos dispositivos sirven como plataforma para sensores químicos o biosensores basados en propiedades fotónicas, con gran sensibilidad en el rango de las bajas longitudes de onda. Para producir los cristales fotónicos unidimensionales mencionados se diseñaron y fabricaron reflectores de Bragg distribuidos mediante el anodizado de silicio cristalino en una solución que contiene flúor y un surfactante, empleando una densidad de corriente periódica ajustada para producir capas con porosidades y espesores físicos diferentes, pero con el mismo espesor óptico.De esta manera se buscó rescatar las mejores características de cada material nanoestructurado, aprovechando el bajo coeficiente de absorción de la AANP y mayor contraste en los índices de refracción obtenibles con SP, de manera de lograr obtener cavidades con espesores físicos del orden de decenas de micrómetros con baja absorción en el espectro visible, proporcionando un alto factor de calidad Q y transmitancia relativamente alta. Esto permitiría una mayor versatilidad de respuesta en presencia de un analito específico.Se preparó otro tipo de microcompuesto mediante el llenado de poros de silicio macroporoso con lípidos. A diferencia del SP, cuyos poros adoptan una forma dendrítica, el SMP presenta poros cilíndricos perpendiculares a la superficie de gran relación de aspecto y diámetro uniforme. El llenado de poros del SMP con lípidos se realizó -previa funcionalización de las paredes de los poros para tornarlas hidrofílicas- introduciendo una solución de liposomas unilamelares de DMPC (Dimiristoil fosfatidilcolina) conteniendo el marcador de espín 5-SASL, seguido de incubación. Mediante espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica (EPR) se estudió el comportamiento de los lípidos mediante el ajuste de la forma de línea para campo magnético paralelo y perpendicular a los poros, verificando que una parte importante de los lípidos se organizan en bicapas lipídicas cilíndricas sobre las paredes de los poros. Este sistema puede ser considerado como una plataforma para el estudio, tanto por EPR como por métodos ópticos, de transiciones de fase termotrópicas de los lípidos en un entorno confinado.Fil: Forzani, Luisina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Física del Litoral. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Física del Litoral; Argentin

Single photon source based on InGaN/GaN dot-in-a-wire heterosturcture

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física de Materiales. Fecha de lectura: 12-01-2017Esta tesis presenta una investigación sobre las propiedades ópticas, de las propiedades estructurales y ópticas de puntos cuánticos (PCs) formados en inclusiones de InGaN con distintas orientaciones (polares, semi-polares y no polares) incluidas en nanocolumnas de GaN. Las principales conclusiones son las siguientes: Los puntos cuánticos polares de InGaN de las estructuras de InGaN/GaN tienen una alta calidad de emisión óptica con alto grado de polarización lineal y son visibles hasta 80 K. El origen de la formación se atribuye a fluctuaciones aleatorias de concentración de In. La sección eficaz de absorción obtenida está entre las más altas reportadas para puntos cuánticos semiconductores. Las vidas medias estimadas de los excitones están en el rango de nanosegundos. Estos puntos cuánticos constituyen fuentes de fotones individuales, como demuestran las medidas de interferometría Hanbury Brown y Twiss. Los valores estimados de la función de correlación de segundo orden a retardo de tiempo cero están muy por debajo del umbral de dos fotones. Esta fuente de fotones individuales emite en el espectro visible y opera hasta un rango de 1 GHz. La modulación espectral dinámica de la emisión de los PCs polares de InGaN se consiguió mediante el uso de ondas acústicas superficiales y diferentes técnicas estroboscópicas. La modulación obtenida de la energía de emisión para el exciton y el biexciton es un paso prometedor hacia la realización de una fuente sintonizable de fotones individuales operando a alta frecuencia sin necesidad de excitación pulsada. Además, se obtuvo la modulación acústicamente inducida de la energía de ligadura del biexcitón sin ninguna degradación apreciable de la intensidad de emisión. También se determinó que el campo piezoeléctrico lateral es responsable de la inyección de pares de electrones-huecos en el PC desde la región InGaN circundante. Los PCs de InGaN formados en los planos semi-polares y no polares de la heterostructura de nanocolumna con capa lateral (core-shell) poseen cualidades similares a sus homólogos polares. Debido a la influencia reducida del campo eléctrico interno para los planos semi-polares y no polares, las vidas de emisión son más pequeñas y en el rango de picosegundos. Se obtuvo en una sola nanocolumna una fuente de fotones que emitía en las regiones espectrales ultravioleta (PCs no polares), violeta (PCs semi-polares) y visible (PCs polares). El régimen de operación alcanza hasta 2,1 GHz, lo que hace que este dispositivo sea adecuado para aplicaciones de alta frecuencia en el campo del procesamiento de información cuántica. Los resultados obtenidos son un paso prometedor hacia la realización de un emisor de fotones individuales sintonizable dinámicamente con alto grado de polarización lineal y operando a alta frecuencia, que es un componente crucial para la computación cuántica óptica lineal, la comunicación cuántica, la criptografía cuántica y la distribución de claves cuánticos

Derivados de 2h-Benzo[d] [1,2,3]Triazol y 1,8-Naftalenimida como esqueletos multifuncionales en optoelectrónica

En una sociedad tan tecnológica como la actual, en la que gran parte de nuestra actividad cotidiana implica el uso de dispositivos optoelectrónicos, el diseño y construcción de nuevos materiales, con nuevas propiedades y aplicación en dispositivos de última generación, constituye un objetivo fundamental de muchas líneas de investigación. En este sentido, los materiales orgánicos se han establecido como una firme alternativa a los materiales inorgánicos y metálicos tradicionalmente utilizados, debido a su bajo coste, flexibilidad, facilidad de fabricación y propiedades sintonizables. En la presente Tesis Doctoral, se han diseñado y sintetizado diferentes compuestos heterocíclicos derivados de los núcleos de 2H-benzo[d][1,2,3]triazol y 1,8- naftalenimida y se ha evaluado la multifuncionalidad de los mismos, estudiando sus propiedades en aplicaciones electrónicas como semiconductores en transistores de efecto campo orgánicos (OFETs, del inglés Organic Field Effect Transistor), fotónicas como guías de onda ópticas, láseres orgánicos y cromóforos capaces de absorber dos fotones y, por último, se hecho un diseño racional de compuestos con posible potencial en aplicaciones optoelectrónicas como células solares. Asimismo, el empleo de cálculos computacionales ha permitido llevar a cabo el diseño molecular de los compuestos a sintetizar, seleccionando a priori los candidatos más prometedores y evitando así, síntesis innecesarias. Por otro lado, la Química Computacional también ha permitido justificar muchos de los resultados obtenidos de forma experimental permitiendo así, establecer interesantes relaciones estructura/propiedad

Diseño, preparación y caracterización de composites con grafeno obtenido por exfoliación de grafito como fase dispersa

En esta tesis doctoral, se ha realizado un estudio comparativo de cuatro métodos diferentes, a saber, molienda de atrición, ultradispersión por cizallamiento, sonicación en baño de baja potencia y sonicación con sonda, empleados en la exfoliación de grafito en fase acuosa y asistida por surfactante, para la obtención de suspensiones de nanoplaquetas de grafeno (“Few-Layer Graphene”, FLG). La concentración, rendimientos y tasa de producción de nanoplaquetas de grafeno fueron determinadas para cada método a diferentes tiempos de exfoliación, y la calidad de las mismas se estableció empleando espectroscopía Raman, difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión. Se infirió de los resultados que un método combinado formado por sonicación con sonda y exfoliación por cizallamiento ofrece el mejor balance entre calidad y cantidad de nanoplaquetas de grafeno para tiempos de procesamiento relativamente cortos (< 6 h). Las dispersiones de nanoplaquetas producidas con este método combinado se utilizaron, para comprobar su idoneidad a tal efecto, en la fabricación de nanocomposites FLG/Al2O3, mediante un proceso bien definido y escalable, formado principalmente por mezclado en molino de bolas y extrusión, seguida de sinterización convencional. Se estudió la influencia de la adición de FLG en la microestructura y propiedades mecánicas de los composites, observándose mejoras del 26, 4% y el 67,6% en resistencia a flexión y tenacidad de fractura, respectivamente, y una disminución del tamaño de grano de un 25,3%, resultados que se pueden atribuir a la presencia de las nanoplaquetas de grafeno bien distribuidas y preferentemente posicionadas a lo largo de los bordes de grano cerámicos, donde originan mecanismos de refuerzo por puenteo, arrancamiento y detención de grieta. Estos resultados indican que las suspensiones de nanoplaquetas de grafeno preparadas mediante el método combinado presentado pueden ser empleadas efectivamente como fase reforzante en nanocomposites cerámicos con matriz de alúmina

Nanoestructuración de superficies de silicio mediante erosión iónica: influencia de la incorporación simultánea de metales

Tesis doctoral inédita. Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Aplicada. Fecha de lectura: 01-10-201

Control nano-mecánico sobre la emisión de fotones en una microcavidad

"Una cavidad optomecánica es un dispositivo en el cual es posible explorar la interacción entre la radiación electromagnética y el movimiento nano-mecánico de la cavidad. En particular estamos interesados en estudiar la interacción radiación-materia en el límite de una sola excitación cuando los efectos nano-mecánicos actúan directamente sobre el único fotón emitido por un qubit. En este trabajo usamos dos modelos: En el primero, consideramos una semicavidad óptica compuesta por un espejo reflector que puede oscilar armónicamente, en frente de un qubit que esta inicialmente preparado en un estado excitado. Un fotón es emitido y reflejado por el espejo de tal forma que puede excitar nuevamente el qubit para seguir con un proceso de emisión controlado. La radiación que resulta en este proceso debe satisfacer una condición de frontera espacial, tal que el campo eléctrico dependiente del tiempo sea cero en la superficie del espejo y además se pueda modelar como un conjunto continuo y estructurado de modos ..."Magíster en FísicaMaestrí