Últimes notícies sobre els nanotubs

Els nanotubs de carboni, descoberts l'any 1991, desperten l'interès dels investigadors per les seves extraordinàries propietats i aplicacions químiques i tecnològiques. Científics del Centre Nacional de Microelectrònica han aplicat ara noves tècniques de caracterització als nanotubs funcionalitzats i han comprovat que augmenten la seva solubilitat de forma important en diferents disolvents orgànics.Los nanotubos de carbono, descubiertos el año 1991, despiertan el interés de los investigadores, debido a sus extraordinarias propiedades y sus aplicaciones químicas y tecnológicas. Científicos del Centro Nacional de Microelectrónica han aplicado ahora nuevas técnicas de caracterización a los nanotubos funcionalizados y han comprobado que aumentan de forma importante su solubilidad en diferentes disolventes orgánicos

Resistive switching in nanometric BaTiO3 ferroelectric junctions /

Los condensadores ferroeléctricos están formados por dos electrodos metálicos separados por una capa ferroeléctrica, y tienen un gran potencial para dispositivos lógicos y memorias. El carácter ferroeléctrico de la barrera permite la aparición de memoria multinivel con una respuesta (resistencia R) que puede venir determinada por su historia (). El voltaje aplicado previamente permite escribir sobre el condensador distintos estados resistivos. Naturalmente, el éxito de este enfoque depende de la habilidad para fabricar condensadores ferroeléctricos con una gran respuesta RS a temperatura ambiente. El objetivo principal de esta tesis es el estudio del comportamiento RS de capas ferroeléctricas delgadas y ultradelgadas. En particular la distinta respuesta RS que tiene lugar dependiendo del espesor de las capas ferroeléctricas, el tiempo de escritura, amplitud y signo, temperatura y configuración de los contactos. Para ello se han utilizado condensadores ferroeléctricos basados en BaTiO3 epitaxial y se ha desarrollado una configuración completa, presentado en este documento. En condensadores ferroeléctricos basados en BaTiO3 ultrafino los electrones pueden atravesar la barrera mediante efecto túnel. En este caso el efecto de RS se origina como consecuencia de la dependencia de altura de la barrera con el estado de polarización ferroeléctrico. A pesar de que el proceso de "switching" "UP to DOWN" es similar al proceso inverso ("DOWN to UP"), en barreras con efecto túnel estos procesos diferentes generan dinámicas muy distintas. Las diferentes dinámicas consisten en una respuesta rápida para la inversión de la polarización de un signo, y una respuesta lenta para la inversión de polarización de signo contrario. Esto ha sido asociado a la presencia de campos eléctricos ("imprint") causados por la asimetría intrínseca del dispositivo. La caracterización de los condensadores ferroeléctricos de BaTiO3, atendiendo al espesor de la barrera ferroeléctrica (t=3-110nm), muestra que el RS puede variar de magnitud y signo en función del espesor de la barrera y del protocolo de escritura. Medidas adicionales de temperatura han sido necesarias para evidenciar la existencia de una contribución al RS proveniente de un desplazamiento iónico asistido por campo eléctrico. Se discute cómo el balance relativo entre los procesos de difusión puramente electrónica e iónica modula la altura de la barrera Schottky y consecuentemente cómo son responsables de las variaciones observadas en la magnitud y signo de la electrorresistencia. En capas ultradelgadas se encuentra que estos procesos son despreciables y una modulación de la barrera de efecto túnel (puramente electrónica) tiene lugar. Aprovechando el conocimiento adquirido a lo largo de la elaboración del presente trabajo, se han utilizado condensadores ferroeléctricos de efecto túnel para implementar un dispositivo CRS ("Complementary Resistive Switching"). El CRS ha sido desarrollado para resolver el problema de corriente de "sneak" de arrays de memoria pasivos, lo cual abre oportunidades para conseguir arrays nanocrossbar de mayor densidad. Mediante el uso de una configuración simple de uniones túnel ferroeléctricas hemos implementado la funcionalidad del CRS que permite la lectura y escritura de estados binarios de idéntico estado de alta resistencia en el estado sin "bias". Además, se demuestra experimentalmente que esta configuración aporta ventajas notables en cuanto al ahorro energético, y se discute sobre los resultados obtenidos los posibles obstáculos que esta funcionalidad podría enfrentar.Ferroelectric capacitors consist of two metallic electrodes separated by a ferroelectric layer have great potential for memory and logic devices. Here, the ferroelectric character of the barrier should allow to build multilevel of memory with a response (resistance R) that can be dictated by its previous history (cycling voltage V). Previous applied voltage allow writing on the capacitor different resistance states. Naturally, the success of this approach base on the ability to build ferroelectric capacitor with large RS response at room temperature. The ultimate goal of the present thesis is the study of the RS behavior of ferroelectric thin and ultrathin films. In particular, the different RS response depending on parameters such as ferroelectric layer thickness, writing time, amplitude and polarity, device temperature, and contact configuration. For that purpose, epitaxial BaTiO3-based ferroelectric capacitors has been used and a complete set-up has been developed and it is documented in the present thesis. In ultrathin BaTiO3-based ferroelectric capacitors, electrons can tunnel across the ferroelectric barrier. In this case RS results from the different barrier height depending on ferroelectric polarization state. Although, it is assumed that the UP to DOWN switching process it is similar to the DOWN to UP, in tunneling barriers these different processes result in very different dynamics. The different dynamics consists on fast response for one sign of polarization reversal and slow for the other, which has been ascribed to the presence of imprint electric fields caused by the intrinsic device asymmetry. Characterization of BaTiO3-based ferroelectric capacitors, focusing on its dependence on ferroelectric barrier thickness (t = 3-110nm) has revealed that RS can change its magnitude and sign depending on the barrier thickness and writing protocol. Additional temperature-dependent measurements have been instrumental to obtain evidence of the presence of field-assisted ionic motion contributing to RS. It is argued that the relative balance between purely electronic and ionic diffusion processes, modulate the height of the interfacial Schottky barriers and consequently, are responsible of the observed variations of the magnitude and sign of electroresistance. In ultrathin films these processes are found to be negligible and modulation of the tunneling barrier (purely electronic) takes place. Taking benefit of the understanding acquired during the elaboration of the presence work, tunneling ferroelectric capacitors have been used to implement a Complementary Resistive Switch (CRS) device. CRS has been developed to overcome the sneak current path problem of passive memory arrays, which reveal's opportunities for higher density nanocrossbar arrays. By using a simple arrangement of ferroelectric tunnel junctions, we implemented the CRS functionality that allows effectively writing and reading binary states of identically large resistance state in the unbiased state. Moreover, it is experimentally demonstrated that this arrangement has significant advantages in power saving, and it is discussed on the basis of the obtained results that the possible bottlenecks that this functionality might show

Electrolyte-gated organic field-effect transistors based on organic semiconductor : insulating polymer blends /

La presente tesis doctoral se centra en la fabricación, optimización, caracterización y aplicación de capas activas compuestas de una mezcla de semiconductor orgánico y un polímero aislante (OSC:PS) en transistores orgánicos de efecto de campo (EGOFET) con puerta-electrolítica. El EGOFET esta considerado como una prometedora plataforma de detección en el campo de la bioelectrónica debido a su capacidad de operar en medios electrolíticos. Hasta la fecha, aunque en varios proyectos de investigación se ha demostrado su alto potencial como plataforma de detección, existe algunos problemas que deben resolverse, tales como su baja movilidad del portador de carga, lentos tiempo de respuesta y una degradación rápida que dificultan su aplicación práctica. En este contexto, la tesis se divide en tres bloques, que van desde la fabricación de los dispositivos hasta sus aplicaciones. La primera parte de la tesis tiene como objetivo la fabricación de dispositivo robustos y eficientes empleando dos estrategias: (i) la optimización de la mezclas de polímero aislante y semiconductor orgánico (OSC) y (ii) el uso de una técnica basada en la deposición de capas activas mediante disolución que recibe el nombre de BAMS (bar assistance meniscus shearing). En la primera parte de la tesis (Capitulo 2), se emplearon cuatro semiconductores orgánicos diferentes en que se incluyen tres pequeñas moléculas y un polímero semiconductor como materiales activos. Los dispositivos se han caracterizado mediante medida electricas (características de transferencia y salida) y su analisis y compresión, la sensibilidad potenciométrica, velocidad de conmutación (tiempo de respuesta) y estabilidad eléctrica en agua MilliQ y soluciones salinas (NaCl). Además, la segunda parte de la tesis (Capítulo 3) está dedicada al desarrollo de un sensor de iones de mercurio basado la exposición de los capas activas a disoluciones acuosa que contienen iones de mercurio. En este caso, se observó un cambio gradual en el potencial umbral, que era respuesta directa de la concentración de iones a la qual se exponia la capa activa. Además, se realizaron pruebas de microscopía de fuerza de atómica "Kelvin-prove" y espectroscopía electroquímica de impedancia con el objetivó de entender el mecanismo de respuesta frente al mercurio. El cual se relaciono con la oxidación/reducción de los iones Hg2+ y la superficie del semiconductor. Finalmente, la tercera parte de la tesis (Capítulo 4) se centra en la fabricación de nuevos dispositivo sustituyendo el electrolito por un hidrogel (HYGOFET). Logrando dispositivo de alto rendimiento empleando un hidrogel a base de agua como dieléctrico. Además, el HYGOFET muestra una excelente respuesta a los variación de presión debida a la alineación de los dipolos del agua dentro de la capa de semiconductor. Por lo tanto, el dispositivo se puede visualizar como un prototipo de sensor de presión adaptable a ropa inteligente.The present Doctoral Thesis is focused on the fabrication, optimization, characterization and application of organic semiconductors:insulating polymer blends for electrolyte-gated organic field-effect transistors (EGOFETs), which are considered a promising sensing platform in the field of bioelectronics due to their ability to operate in common electrolyte media. Up to date, although several research works have already demonstrated the high potential of using EGOFETs as sensing platform, some unsolved problems (i.e. low carrier mobility, slow response time and fast degradation) are actually hindering their practical application. Within this context, the thesis is divided into three main parts, from EGOFET devices fabrication to their applications. The first part of the thesis aims to obtain robust and efficient EGOFETs device based on two overlooked strategies: (i) the exploitation of blends composed by an insulating polymer and an organic semiconductor (OSC) and (ii) the use of a solution-shearing technique, such as bar-assisted meniscus shearing (BAMS), to deposit the OSC:PS blend. In this part (Chapter 2), four OSCs, including three small molecules and one polymer, were selected as active materials for the fabrication of EGOFETs. The four OSC:polymer blends EGOFET devices have been systematically studied by evaluating and comparing their transfer and output characteristics, potentiometric sensitivity, switching speed and their electrical stability properties recorded in MilliQ water and a NaCl solution as electrolyte media. In addition, the second part of the thesis (Chapter 3) is devoted to the development of a mercury ions sensor based on an EGOFETs by systematically exposing the blend films to a mercury ions aqueous solutions. In this case, a gradual positive threshold voltage shift of the electrical characteristics was observed, which was selected as the detection parameter towards mercury ions. Furthermore, Kelvin probe force microscopy and electrochemical impedance spectroscopy tests were carried out to explore the mechanism of the mercury response, which was demonstrated to be related to the redox reaction between Hg2+ ions and the semiconductor surface. Finally, the third part of the thesis (Chapter 4) is focused on the fabrication of a novel EGOFET device, namely a hydrogel-gated organic field-effect transistor (HYGOFET). A high performance HYGOFET device was achieved by replacing the liquid electrolyte with a water-based hydrogel to serve as dielectric layer. Furthermore, the HYGOFET exhibits an excellent response to pressure stimuli due to the alignment of water dipoles within the OSC layer. The device can thus be envisioned as proof of concept device which can be find applications in the field of textile electronic skin

Artificial Synapses based on the Photoconductance of LaAlO₃/SrTiO₃ Quantum Wells /

Al llarg dels últims anys, hi ha hagut un interès creixent en sistemes que, inspirats pels descobriments en neurobiologia, processen la informació sobre la base de xarxes neuronals on la plasticitat sinàptica és l'element nuclear per a desenvolupar càlculs o fins i tot per a emmagatzematge d'informació. En aquest domini de recerca, que comprèn la computació neuromòrfica, un dels objectius és replicar aspectes bàsics de tasques cognitives complexes mitjançant l'emulació de xarxes neuronals i sinapsis artificials, amb l'objectiu de superar el paradigma computacional basat en l'arquitectura de von Neumann. En aquesta Tesi, s'han investigat les propietats òptiques de les interfícies entre els materials LaAlO3 i SrTiO3, havent-se trobat que en aquests sistemes la fotoconductància observada pot explotar-se per a desenvolupar sinapsis òptiques artificials. En particular, s'ha descobert que la conductància d'aquestes interfícies pot augmentar o disminuir plàsticament, en resposta a polsos òptics de diferents longituds d'ona. La foto-resposta observada depèn de l'ordre d'arribada d'estímuls òptics de diferents longituds d'ona, i aplana el camí per a la implementació de plasticitat sinàptica i, més específicament, del fenomen STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) estimulat per impulsos òptics. En la Tesi es discuteix l'origen de la foto-resposta observada i es conclou que és causada per dos processos de fotoexcitació, és a dir, l'excitació d'electrons situats en estats electrònics originats per defectes relacionats amb centres de tipus DX i, paral·lelament, la fotoexcitació a estats superficials a través d'efecte túnel quàntic. Com s'ha esmentat més amunt, es mostra que aquesta foto-resposta es pot adaptar per aconseguir STDP, usant la conductància de pous quàntics epitaxials de LaAlO3 / SrTiO3 com sinapsis òptiques. La possibilitat d'explotar la fotoconductància de LaAlO3 / SrTiO3 per a emular algunes tasques cognitives bàsiques també s'explora en la Tesi. S'analitza també la fotoconductància de interfícies amorfes de LaAlO3 / SrTiO3, on la conductància és sensible a condicions d'il·luminació en entorns ben il·luminats. S'inclou una discussió sobre la perspectiva de fer servir la fotoconductància dels pous quàntics de LaAlO3 / SrTiO3 per a aplicacions en visió neuromòrfica.A lo largo de los últimos años, ha habido un interés creciente en sistemas que, inspirados por los descubrimientos en neurobiología, procesan la información en base a redes neuronales donde la plasticidad sináptica es el elemento nuclear para desarrollar cálculos o incluso para almacenamiento de información. En este dominio de investigación, que comprende la computación neuromórfica, uno de los objetivos es replicar aspectos básicos de tareas cognitivas complejas mediante la emulación de redes neuronales y sinapsis artificiales, con el objetivo de superar el paradigma computacional basada en la arquitectura de von Neumann. En esta Tesis, se han investigado las propiedades ópticas de las intercaras entre los materiales LaAlO3 y SrTiO3, habiéndose hallado que en estos sistemas la fotoconductancia observada puede explotarse para desarrollar sinapsis ópticas artificiales. En particular, se ha descubierto que la conductancia de estas intercaras puede aumentar o disminuir plásticamente, en respuesta a pulsos ópticos de diferentes longitudes de onda. La foto-respuesta observada depende del orden de llegada de estímulos ópticos de diferentes longitudes de onda, y allana el camino para la implementación de plasticidad sináptica y, más específicamente, del fenómeno STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) estimulado por impulsos ópticos. En la Tesis se discute el origen de la foto-respuesta observada y se concluye que es causada por dos procesos de fotoexcitación, a saber, la excitación de electrones ubicados en estados electrónicos originados por defectos relacionados con centros de tipo DX y, paralelamente, la fotoexcitación a estados superficiales a través de efecto túnel cuántico. Como se ha mencionado más arriba, se muestra que esta foto-respuesta se puede adaptar para lograr STDP, usando la conductancia de pozos cuánticos epitaxiales de LaAlO3 / SrTiO3 como sinapsis ópticas. La posibilidad de explotar la fotoconductancia de LaAlO3 / SrTiO3 para emular algunas tareas cognitivas básicas también se explora en la Tesis. Se analiza también la fotoconductancia de intercaras amorfas de LaAlO3 / SrTiO3, donde la conductancia es sensible a condiciones de iluminación en entornos bien iluminados. Se incluye una discusión sobre la perspectiva de usar la fotoconductancia de los pozos cuánticos de LaAlO3 / SrTiO3 para aplicaciones en visión neuromórfica.Recently, inspired by neurobiology, researchers have investigated systems that process information based on spiking neural networks where synaptic plasticity is the kernel of calculation, communication, or even storage of information. In this area, neuromorphic computing is proposed to cope with complex cognitional tasks through emulating spiking neural networks consisting of artificial synapses, aiming at overcoming the von Neumann bottleneck in conventional computational paradigms. In this Thesis, we have investigated the optical properties of the LaAlO3/SrTiO3 interfaces, which can be exploited as artificial optical synapses due to their persistent photoconductance. In particular, we find that the conductance of these interfaces can be increased or decreased plastically depending on the time order of arrival of optical pulses of different wavelengths. The observed plastic photoresponse, which depends on the order of time arrival of optical stimuli, paves the way to the implementation of spike-timing dependent plasticity (STDP) using light as external stimulus. In the Thesis we discuss the origin of the observed wavelength-dependent time-correlated photoresponse in epitaxial LaAlO3/SrTiO3 quantum wells. We conclude that the photoresponse involves two photoexcitation processes, namely, the excitation of electrons located at defect-related DX centers and the photoexcitation to surface states via quantum tunneling. As aforementioned, it is shown that this photoresponse can be adapted to achieve STDP, using the conductance of epitaxial LaAlO3/SrTiO3 quantum wells as optical synapses. The possibility of exploiting the photoconductance of LaAlO3/SrTiO3 to emulate some basic cognitive tasks is also explored. Additionally, we have explored the photoconductance of amorphous LaAlO3/SrTiO3 interfaces, where the conductance is sensitive to illumination conditions in well-lighted environments. We include a discussion about the perspective of using the persistence photoconductance of LaAlO3/SrTiO3 quantum wells to applications in neuromorphic vision

Atomic-scale characterization of structural distortions in perovskite oxide thin films /

El desenvolupament de nous dispositius, cada cop més complexes, que s'adeqüin a les necessitats del mercat s'està convertint en una tasca cada cop més complicada deguda a la gairebé completa explotació de les propietats ofertes pels materials actuals. No obstant, és possible desenvolupar dispositius que ofereixin noves funcionalitats a través de la fabricació d'heteroestructures epitaxials (a l'escala nano-mètrica) compostes per diferents materials, on les propietats de cadascun dels compostos emprats són alterades degut a la seva interacció mútua. Quan aquestes estructures estan formades per òxids del tipus "perovskita", existeix una forta interacció entre els diferents graus de llibertat dels electrons (xarxa cristal·lina, espín, òrbita i càrrega) donant lloc a un gran ventall de propietats físiques fascinants, que, a més, poden ser modificades a mida mitjançant la subtil alteració de les seves propietats estructurals a través de la tensions. Per tal d'entendre els fenòmens físics que donen lloc a aquest tipus d'efectes, és necessari conèixer l'estructura real dels defectes i/o distorsions que apareixen en aquestes estructures. Per aquesta raó, és indispensable l'ús de noves tècniques de caracterització capaces d'analitzar en l'espai real i amb resolució atòmica aquests sistemes. El desenvolupament de la tècnica de la microscòpia electrònica de transmissió d'escaneig corregida d'aberracions, combinada amb la espectroscòpia EELS (STEM-EELS), va significar un avanç notable ja que aquesta tècnica permet la observació directe d'estructures complexes i no periòdiques (així com defectes o interfases) en l'espai real i amb resolució subatòmica, sense la necessitat d'emprar simulacions numèriques. En aquest treball, s'aborden tres casos paradigmàtics de distorsions estructurals derivades de les tensions en capes fines epitaxials d'òxids tipus perovskita. En primer lloc, s' investiga la forta interacció entre la microestructura, els tipus de defectes i les propietats superconductores de les capes fines de YBa2Cu3O7 del tipus nanocompost, on nanopartícules orientades aleatòriament resten atrapades dins de la pròpia matriu del YBCO. A més, s' estudia en detall totes les distorsions que apareixen al voltant d'un dels defectes més comuns observats en aquest tipus de capes, que també tenen una influencia rellevant en les seves propietats superconductores. En segon lloc, s' estudien els mecanismes estructurals que ajuden en l'acomodació de la tensió epitaxial, tan compressiva con expansiva, en les capes fines de LaNiO3 (LNO) i NdNiO3 (NNO), crescudes sobre monocristalls de LAO i LSAT, respectivament. S'observa la formació de dos tipus diferents de defectes en funció del compostos emprats, tant en la capa com en el substrat. Les propietats de transport elèctric de les capes són també investigades per tal de correlacionar els defectes generats i les propietats macroscòpiques de les capes. Finalment s' investiguen els efectes de disminuir el gruix de les capes de La0.7Sr0.3MnO3 fins a l'ordre d'uns pocs nanòmetres. S'observa l'aparició d'una transició des d'un estat ferromagnètic i metàl·lic cap a un altre ferromagnètic i aïllant quan el gruix de les capes és reduït per sota d'un gruix crític, fet que contradiu el mecanisme de transport elèctric esperat en aquest compost: el conegut com a intercanvi doble o "double-exchange mechanism". S'aporta una nova visió d'aquest fenomen a través de la caracterització de les modificacions estructurals que tenen lloc en aquestes capes, que apareixen degut a la tensió epitaxial i al confinament espacial. Es creu que les propietats estructurals mostrades poden ajudar en l'entesa de les alteracions de les propietats físiques observades en les capes de LSMO quan aquestes són reduïdes a uns pocs nanòmetres.The continuous development of novel and complex devices for fulfilling the market demands is becoming more complex over time because of the wholly exploitation of the available bulk materials. One possibility to accomplish novel devices possessing new functionalities is by engineering epitaxial heterostrucutres, in the nanometric scale, where the properties of the used compounds can be modified because of their mutual interaction. When these heterostructures are made of perovskite oxides, the strong interplay between the lattice, spin, orbit and charge degrees of freedom lead to a huge range of fascinating properties that can be tailored by the subtle structural modifications induced by strains. In order to understand the underlying physics behind these phenomena, it is crucial to know the real structure of the emerging lattice defects or distortions within these kind of structures. For this reason, new techniques capable of analyzing these systems in the real space with atomic resolution are required. The development of the aberration-corrected scanning transmission electron microscopy, combined with the electron energy loss spectroscopy, technique (STEM-EELS) marked a notable breakthrough as it permits to directly see, without the need of simulations, the real structure of complex non-periodical structures, such as defects or interfaces, in real space and with sub-atomic resolution. In this work, we address three paradigmatic examples of strain-driven structural distortions appearing in one of the most studied family of functional oxides materials, this is, the case of perovskite oxides. First, we investigate the strong interplay between the microstructure, the defect landscape and the superconducting properties of YBa2Cu3O7 nanocomposite films, where randomly oriented nanoparticles are trapped within the YBCO host matrix. Besides, we analyze in detail all the emerging distortions around one of the most common defect found in YBCO nanocomposite films, which will also ultimately impinge on its superconducting properties. Second, we study in detail the structural mechanisms that help on the accommodation of the epitaxial strain, either compressive or tensile, in LaNiO3 (LNO) and NdNiO3 (NNO) thin films grown onto LAO and LSAT single crystal substrates, respectively. Two different kind of defects are identified in the studied heterostructures, which are observed to appear depending on the used compound and substrate. The electrical transport properties are also under investigation in order to find out the implications of the generated defect landscapes in the macroscopic properties of the films. Finally, we investigate the effect of reducing the film thickness of La0.7Sr0.3MnO3 thin films down to few nanometers. A transition from a ferromagnetic-metallic to a ferromagnetic-insulating phase is identified when films are reduced below a critical thickness, which contradicts the electrical transport mechanism expected for this compound. We provide new insights on the structural modifications generated by the epitaxial strain and the spatial confinement effects in these ultrathin films, which might help to understand the observed modifications on the LSMO physical properties

Growth and characterization of nanocomposite YBa₂Cu₃O₇-[delta] - BaMO₃ (M = Zr, Hf) thin films from colloidal solutions /

El YBa2Cu3O7-δ es el superconductor de alta temperatura con mayor potencial tecnológico para aplicaciones de potencia e imanes que trabajan bajo campos magnéticos elevados. Sin embargo, todavía es un reto mejorar sus prestaciones en forma de película delgada epitaxial con un coste bajo de fabricación. La deposición de soluciones químicas ha surgido como una técnica muy competitiva para obtener láminas delgadas epitaxiales y multicapas de alta calidad con nanoestructuras controladas. Hemos desarrollado un proceso novedoso de crecimiento mediante Calentamiento Flash que muestra un excelente potencial para la producción industrial en continuo de conductores epitaxiales de YBa2Cu3O7-δ. En esta tesis hemos establecido, por primera vez, una imagen completa que describe las fases intermedias y la evolución de la microestructura durante el calentamiento. Hemos extendido la ventana de la temperatura de crecimiento sin ninguna degradación de las propiedades superconductoras, por lo que la deposición de conductores epitaxiales de YBa2Cu3O7-δ es compatible con el uso de sustratos de cinta metálica con capas tampón de CeO2. Además, también hemos encontrado que este proceso de crecimiento promueve la formación de una alta concentración de defectos de apilamiento y, por lo tanto, de tensiones a escala nanométrica. Las láminas ultrafinas de YBa2Cu3O7-δ y nanocompuestos, en el rango de 5-50 nm, se prepararon después de una optimización de los parámetros de crecimiento. La reducción de la energía interfacial induce una alta densidad de defectos de apilamiento, lo que conduce a una matriz de YBa2Cu3O7-δ altamente distorsionada. Esta modificación microestructural se vuelve extremadamente grave cuando el grosor de la lámina delgada disminuye por debajo de 25 nm, degradando significativamente las propiedades superconductoras. También hemos estudiado la evolución de las características de las nanopartículas segregadas espontáneamente con el espesor de las láminas delgadas y su influencia en la eficiencia del anclaje de vórtices. La preparación de nanocompuestos de YBa2Cu3O7-δ a partir de nanopartículas de óxido preformadas y no reactivas que forman soluciones coloidales ha demostrado ser una estrategia muy exitosa para lograr un estricto control de las características de las nanopartículas y la optimización de la nanoestructura de las láminas delgadas superconductoras. Las perovskitas BaMO3 (M = Zr, Hf) son las composiciones más prometedoras de nanopartículas preformadas que hasta ahora han conducido a láminas delgadas de nanocompuestos de alta calidad con altas concentraciones de nanopartículas (20-25% molar). La composición y el tamaño de las nanopartículas han demostrado ser factores cruciales para adaptar el rendimiento del anclaje de vórtices bajo campos magnéticos aplicados. La aplicación del proceso de crecimiento de calentamiento flash al crecimiento de láminas delgadas nanocompuestas permite la preservación del tamaño de las nanopartículas y la generación de una alta densidad de defectos de apilamiento de pequeña longitud, que desempeñan un efecto sinérgico para aumentar la eficiencia de los centros de anclaje de vórtices artificiales y mejorar así las propiedades de los conductores. La técnica de multideposición es efectiva para aumentar aún más el espesor de la lámina delgada, mientras que la eficacia del anclaje de vórtices se conserva y la capacidad de transporte de corriente eléctrica de las láminas delgadas nanocompuestas aumenta.YBa2Cu3O7-δ (YBCO) is the best material choice to address the performances required in power applications and magnets working under high magnetic fields. However, it is still challenging to achieve low manufacturing costs and high superconducting performances of coated conductors (CCs) for large scale power applications. Chemical Solution Deposition has emerged as a very competitive technique to obtain epitaxial films and multi-layers of high quality with controlled nanostructures. We have developed a novel Flash Heating growth process that shows high potential to be compatible with the industrial reel-to-reel production of YBCO CCs. Here we have set up, for the first time, a full image describing the intermediate phase and microstructure evolution during this heating process. We extend the growth temperature window down to 750 ºC without any degradation of superconducting properties, making it being compatible with the deposition of YBCO CCs on CeO2-caped metallic tape substrates. In addition, we have also found that this growth process promotes the formation of a high concentration of stacking faults and so of nanostrain. YBCO and nanocomposite ultrathin films, in the range of 5-50 nm, have been prepared after a series optimization of growth parameters. The relief of the interfacial energy induces a high density of stacking faults, leading to a highly distorted YBCO matrix. Such microstructural disorder becomes extremely serious when the film thicknesses decrease below 25 nm, significantly degrading the superconductivity. We have also studied the evolution of the characteristics of spontaneous segregated nanoparticles with nanocomposite film thicknesses and their influence on the vortex pinning efficiency. The preparation of YBCO nanocomposites from non-reactive preformed oxide nanoparticles forming colloidal solutions has demonstrated to be a very successful strategy to achieve a tight control of the nanoparticle characteristics and the optimized nanostructural landscape on the superconducting films. BaMO3 (M=Zr, Hf) perovskites are shown to be the most promising compositions of preformed nanoparticles up to now that led to high quality nanocomposite films at high nanoparticle concentrations (20-25 mol%). The composition and size of nanoparticles have demonstrated to be crucial factors for tailoring vortex pinning performance in applied magnetic field. The application of the Flash Heating growth process in the growth of nanocomposite films allows both the preservation of nanoparticle size and the generation of a high density of short stacking faults, which play a synergistic effect to increase the artificial pinning centers and enhance the strong pinning contribution. Multi-deposition technique is proved effective to further enhance the film thickness while vortex pinning efficiency is preserved and current-carrying capacity of the nanocomposite films is increased

Influence of organic semiconductors morphology, structure and processability on organic field-effect transistors performance /

En esta tesis hemos estudiado como la manera de procesar los semiconductores orgánicos puede afectar a su morfología y estructure cristalina. Semiconductores orgánicos de tipo p y n han sido empleados como capas activas en transistores orgánicos de efecto campo (OFETs). Más concretamente, hemos realizado estudios con diferentes semiconductores orgánicos y hemos fabricado transistores con estos semiconductores procesados por solución, con las técnicas de deposición drop casting and bar-assisted meniscus shearing (BAMS), y por evaporación. El propósito de este trabajo ha sido encontrar la correlación entre la estructura molecular, la organización cristalina de las moléculas y la morfología de la capa delgada con las propiedades eléctricas del semiconductor orgánico. También, buscando la mejora del rendimiento y la estabilidad de los dispositivos, los semiconductores orgánicos en esta tesis se han mezclado íntimamente con polímeros aislantes. Además, se ha estudiado en detalle el rol del polímero aislante en la mezcla comparando OFETs basados en películas delgadas constituidas por sólo el semiconductor orgánico con películas delgadas fabricadas a partir de la mezcla de semiconductor y polímero. Por último, la técnica de deposición por spray ha sido estudiada como técnica para depositar contactos orgánicos basados en el metal orgánico tetratiafulvaleno-tetracianoquinodimetano (TTF-TCNQ) y también para la formación de monocristales de semiconductores orgánicos.In this thesis we have studied how the processing of organic semiconductors can affect their morphology and crystal structure. p-Type and n-type organic semiconductors have been employed as active layers in Organic Field-Effect Transistors (OFETs). More in detail, we have performed studies with different organic semiconductors and fabricated transistors based on them by solution (drop casting and bar-assisted meniscus shearing) and by evaporation. The purpose of the work carried out has been elucidating the correlation of the molecular structure, crystal packing and thin film morphology with the electrical properties of the organic semiconductor. Further, aiming at enhancing the performance and stability of the devices, the organic semiconductors used in this thesis were blended with polymer binders. In addition, the effect of the polymer binder has been studied in detail by comparing OFETs based on thin-films of the pristine semiconductor with OFETs based on thin-films of the semiconductor blended with polymers. Finally, spray printing has been explored as technique for depositing organic contacts based on the organic metal tetrathiafulvalene-tetracyanoquinodimethane (TTF-TCNQ) and also for forming single crystals of organic semiconductors

Liquid-assisted ultrafast growth of superconducting films derived from chemical solutions /

L'ús generalitzat de superconductors d'alta temperatura (HTS) en aplicacions a gran escala està, en part, encara limitat per l'elevat cost de fabricació de cintes recobertes (CCs). Amb la intenció d'aconseguir un avanç important per assolir un major rendiment, en aquesta tesi hem desenvolupat una tècnica innovadora que combina els beneficis de Deposició de Solucions Químiques (CSD) a baix cost amb les altes velocitats del creixement cristal·lí a partir de fases líquides. Es basa en la formació d'un líquid transitori derivat de solucions de carboxilats, aprofitant els obstacles cinètics per la cristal·lització de la fase d'equilibri. En aquesta tesi doctoral, primer expliquem els fonaments del procés que condueix a la cristal·lització de YBa2Cu3O7-δ assistida per un líquid transitori; i després portem a terme una investigació detallada sobre aquesta tècnica. El "proof-of-principle" de la viabilitat d'aquesta nova aproximació es va aconseguir amb la disponibilitat dels forns tipus RTA que permeten rampes fins a 80ºC/s. Les reaccions implicades en el procés s'observen amb mesures in situ i de microscòpia, entre altres. Primer, la piròlisi resultant de la barreja de propionats de Ba, Cu i Y a baixes temperatures (500ºC) és observada amb espectroscòpia in situ d'infraroig. A continuació, s'utilitza difracció de rajos-X amb llum de sincrotró per revelar les reaccions que tenen lloc per convertir el BaCO3, CuO i Y2O3 en la fase final, així com analitzar la nucleació i el creixement del YBa2Cu3O7-δ des del líquid transitori (TLAG). Per dur a terme el procés, el pas de deposició es realitza amb mètodes d'impressió d'injecció de tinta o revestiment per rotació. Les característiques de les solucions s'han adaptat a la tècnica de deposició i es correlacionen amb la morfologia de la capa resultant. A continuació s'han investigat diversos paràmetres per controlar la velocitat de la reacció limitant per l'eliminació del carbonat de bari amb l'objectiu d'evitar la retenció de carboni a les capes gruixudes epitaxials. Posteriorment, s'estableixen els conceptes bàsics per a la comprensió dels mecanismes de nucleació i creixement del YBCO a partir de TLAG. Amb l'objectiu d'obtenir capes epitaxials de YBCO orientades en l'eix-c, es presenten diverses estratègies per controlar la força de cristal·lització. Els paràmetres rellevants són: la composició de la solució, la pressió d'oxigen, les rampes d'escalfament i les temperatures de creixement. Finalment, les condicions de cristal·lització es correlacionen amb les microestructures i propietats superconductores de les capes resultants. Es presenten dos camins diferents per dur a terme el creixement mitjançant la formació de líquid. Un és a través d'un augment de temperatura a pressió d'oxígen constant (ruta-Temperatura). L'altre procés consisteix en dos passos (ruta-pO2). Per aquest últim, l'eliminació de BaCO3 es desvincula del creixement de YBCO mitjançant un salt en pO2. Cal abordar diversos reptes en funció de la ruta. Alguns d'ells són: la reactivitat del líquid amb els substrats degut a la seva naturalesa altament corrosiva, o una mullabilitat inadequada. Finalment, hem tingut èxit en obtenir pel·lícules fines de YBCO epitaxials d'entre 90-500 nm amb propietats superconductores molt elevades (Tc 90-92K, Jc fins a 5MA/cm2 a 77K), i velocitats de creixement fins a 100 nm/s, augmentat així en un factor 100 la velocitat de creixement de la metodologia de CSD convencional. Aquesta metodologia podria ser traslladada a altres materials.The widespread use of High Temperature Superconductors (HTS) into large scale applications is, in part, still limited by the high costs of coated conductors manufacturing. Aiming for a breakthrough to achieve high throughput, in this thesis we have developed a novel technique that combines the low cost benefits of Chemical Solution Deposition (CSD) with the very high growth rates of crystallization from liquid phases. It relies on the formation of a transient liquid derived from carboxylate solutions, taking advantage of the kinetic hindrances on crystallization to reach the equilibrium phase. In this dissertation, we first explain the basics of the process that leads to YBa2Cu3O7-δ crystallization assisted by a transient liquid and then we elaborate on the results of our investigation about this technique. The "proof-of-principle" of this new approximation viability has been achieved with the use of rapid thermal annealing furnaces, allowing heating rates up to 80ºC/s. The reactions involved in the process are observed with in situ measurements and microscopic analyses, among others. First, the pyrolysis of the Ba, Cu and Y propionates mixture at low temperatures (500ºC) is observed with in situ infrared spectroscopy. Then, time resolved X-ray diffraction with synchrotron light is used to reveal the reaction paths to convert the resulting BaCO3, CuO and Y2O3 to the final phase, as well as nucleation and growth of the YBa2Cu3O7-δ film from the transient liquid. To do so, the deposition step is performed with spin coating or Ink Jet printing methodologies. The solutions characteristics have been adapted to the deposition technique and correlated to the resulting film morphology. Then, several parameters have been investigated to control the rate limiting BaCO3, elimination reaction in order to avoid carbon retention in the final thick epitaxial films. Afterwards, the basic concepts for understanding the nucleation and growth mechanisms of YBCO with TLAG are set. With the aim of obtaining c-axis epitaxial YBa2Cu3O7-δ films, several strategies are presented to control the driving force for crystallization. The relevant parameters are solution composition, oxygen pressure, heating ramps and growth temperatures. Finally, the crystallization conditions are correlated to the resulting films microstructure and superconducting performances. Two different paths are presented to reach TLAG. A direct temperature raise at constant oxygen pressure (Temperature-route), or a two step process (pO2-route). For the latter, BaCO3 elimination is disentangled from YBa2Cu3O7-δ growth by a jump on pO2. Additionally, several challenges needed to be addressed depending on the route: liquid reactivity with the substrates due to its highly corrosive nature or improper wettability, are some of them. Finally, we have succeeded in obtaining highly epitaxial YBCO thin films of 90-500nm with very high superconducting performances (Tc 90-92K, Jc up to 5MA/cm2 at self-field and 77K), at growth rates up to 100nm/s, increased by a factor 100 from those reported with conventional CSD. This methodology could be applied to other materials

Solution-processed organic field-effect transistors : from fundamental aspects to applications /

En esta tesis hemos estudiado varios factores relacionados con los transistores orgánicos de efecto campo (OFETs) procesados por solución, incluyendo su fabricación, su caracterización eléctrica y posibles aplicaciones, especialmente en el campo de sensores físicos. En este trabajo se han utilizado principalmente disoluciones de diferentes semiconductores orgánicos (OSC) de pequeña molécula tipo-p y polímeros aislantes. La deposición de estas mezclas para obtener las capas activas de los OFETs se ha llevado a cabo mediante una técnica de procesado por solución escalable, en concreto la denominada bar-assisted meniscus shearing (BAMS). El propósito principal de este trabajo ha sido comprender la influencia que tienen los parámetros de fabricación elegidos sobre las propiedades morfológicas y estructurales de las capas activas resultantes, y, por tanto, su impacto en las propiedades eléctricas de los dispositivos finales. Se ha realizado un estudio detallado a escala nanométrica de capas basadas en OSC:polímero aislante, descifrando la separación vertical de ambos componentes y el efecto que tiene sobre la estabilidad y el rendimiento de los dispositivos. Además, se han explorado diferentes métodos de dopaje con el objetivo de mejorar las características eléctricas de los OFETs que sufren de una alta resistencia de contacto. También se ha estudiado la relación entre propiedades morfológicas y eléctricas empleando dispositivos flexibles sometidos a tensión mecánica. Finalmente, gracias a la optimización de los parámetros de procesado se han fabricado OFETs con una alta sensibilidad a radiación de rayos-X, explicando a su vez cómo la morfología y el transporte de carga en la capa activa determinan la respuesta de estos dispositivos.In this thesis we have studied several aspects related to organic field-effect transistors (OFETs) printed from solution, including their fabrication, their electrical characterisation, and further applications, especially in the field of physical sensing. Blends of different p‑type small molecule organic semiconductors (OSCs) and insulating polymer binders have been employed in this research work. For the deposition of such blends as active layers for OFETs a scalable solution processing technique has been exploited, namely bar‑assisted meniscus shearing (BAMS). The main purpose of the work carried out has been understanding the influence of the fabrication parameters of choice on the morphological and structural features of the resulting active layer and, thus, their impact on the electrical performance of the final devices. A detailed nanoscale study of OSC:insulating polymer thin films has been conducted, elucidating the vertical stratification of both components and its effect on the devices stability and performance. Further, aiming at improving the electrical characteristics of devices exhibiting high contact resistance values, different doping methodologies have been explored. In addition, the morphology-performance relationship has been studied for flexible OFET devices subjected to mechanical strain. Finally, OFETs exhibiting high sensitivity to X-ray radiation have been fabricated by optimising the processing parameters, rationalising how the morphological and transport properties of the active layer determine the sensing capability of such devices

Magneto-optical spectroscopy and domain imaging of functional oxides /

Bibliografia.En aquesta tesi s'han investigat les propietats físiques de diferents sistemes basats en òxids funcionals de metalls de transició. Aquests materials presenten una gran varietat de propietats -magnetisme, ferroelectricitat, superconductivitat- que els fan interessants per a ser explotats com a nous dispositius més enllà de les tecnologies electròniques i fotòniques d'avui dia. La força motriu del nostre estudi ha estat la comprensió dels processos físics fonamentals que expliquen una sèrie de fenòmens observats. En alguns casos, el nostre interès ha estat entendre perquè un determinat material mostra una gran activitat magneto-òptica (MO) atípica, i en altres casos, entendre com es mouen els dominis ferroelástics sota camps elèctrics. Finalment, hem concentrat la nostra atenció en les ones acústiques superficials (SAW) i la seva interacció amb els materials magnètics. Tot i la diversitat de materials i propietats estudiades, hi ha un tret en comú: la metodologia més important per investigar aquests sistemes ha estat l'ús de la llum i, més específicament, l'explotació de l'espectroscòpia MO i la microscopía òptica. Alhora, els esforços s'han dirigit a la construcció, sempre que ha estat possible, dels models teòrics adequats que descriuen les dades experimentals. A continuació, enumerem breument dels resultats més rellevants de la investigació descrita en aquesta tesi: (i) La contribució intrínseca de polarons en manganites a l'activitat MO. En resum, el nostre estudi revela una resposta magneto-òptica gegant i inesperada de polarons auto-atrapats en el visible, que és gairebé dos ordres de magnitud major que la resposta de fons del material i comparable a millores de tipus plasmònic o fotòniques a l'activitat MO. A més, proporcionant un marc teòric, hem identificat les transicions electròniques fotoinduïdes responsables de l'activitat MO intrínseca dels polarons. Aquesta troballa obre noves perspectives per explorar altres vies per obtenir grans efectes magnetoelèctrics, utilitzant la magneto-òptica en lloc de propietats magnètiques. (ii) L'estudi de la incorporació de les terres rares en granats d'itri i ferro (YIG) i les conseqüències sobre les seves propietats magnètiques. Resumidament, els nostres resultats mostren que el dopatge de Ce provoca una transferència de càrrega selectiva des del ions de Ce als llocs tetraèdrics dels Fe en l'estructura del YIG. Això causa una pertorbació de les propietats electròniques i magnètiques del compost original que redueix l'acoblament de canvi entre el Ce i els moments magnètics del Fe causant comportament magnètic atípic. Les nostres troballes representen un avanç important per a la comprensió dels processos físics que determinen les propietats òptiques dels compostos basats en YIG. (iii) Hem utilitzat microscòpia òptica i MO per analitzar la distribució espacial de dominis de macla ferroelàstics en cristalls de SrTiO3 sota campselèctrics. El nostre treball ens ha permès identificar el senyal de l'anisotropia del comportament dielèctric de baixa temperatura del SrTiO3. Curiosament, el marc teòric que hem desenvolupat per a descriure aquesta anisotropia indica el paper essencial de l'aparició de modes antiferroelèctrics dels ions de Ti que s'acoblen amb modes polars antiferrodistortive. Les nostres observacions són rellevants per aplicacions en les quals és essencial la comprensió i control de la resposta ferroelástica per al disseny nanotecnològic. (iv) Finalment, hem utilitzat la microscòpia MO per accedir a les propietats magnètiques individuals de dispositius magnetoelèctrics de tipus piezoelèctric/magnètic microestructurats. Específicament, s'han estudiat els efectes de SAWs en un piezoelèctric (LiNbO3) sobre les propietats magnètiques de microestructures de Pt/Co/Pt amb anisotropia-magnètica-perpendicular. Els nostres resultats mostren que les SAW poden induir grans canvis en el camp coercitiu magnètic, fins un 80% del valor inicial. Mitjançant l'ús d'una sonda tèrmica de proximitat hem demostrat que els canvis en les propietats magnètiques són en gran part causa d'una dissipació de calor intrínseca de les SAW.In this Thesis we have investigated the physical properties of different systems based on functional transition metal oxides. These materials show a large variety of properties -magnetism, ferroelectricity, superconductivity- that makes them interesting to explore novel devices beyond today's electronic and photonic technologies. The driving force of our study has been the understanding of the fundamental physical processes that explain a series of observed phenomena. In some cases, our interest has been to understand why a particular material shows an atypically large magneto-optical activity; in other cases, why and how ferroelastic domains move under electric fields; finally, we have turned our attention to surface acoustic waves and their interaction with magnetic materials. In spite of the disparity of materials and properties there is a common thread: our most important methodology to research these systems has been the use of light and, more specifically, the exploitation of magneto-optical spectroscopy and optical imaging. At the same time, efforts have been aimed at building, wherever possible, appropriate theoretical models that describe the experimental data. In the following, a concise and brief account is given of the most relevant outcomes of the research described in this Thesis: (i) We have determined the intrinsic contribution to the magneto-optical activity of polarons in manganites. Our study has revealed a large magneto-optical response in the visible, almost two orders of magnitude larger than the background response of the material and comparable to photonic- or plasmonic-mediated magneto-optical enhancement. Additionally, we have identified the photoinduced electronic transitions responsible for the intrinsic magneto-optical activity of self-trapped polarons. This finding opens new perspectives to explore other pathways to obtain large magnetoelectric effects, using magneto-optics instead of magnetic properties. (ii) We have analyzed the incorporation of Cerium into Yittrium Iron Garnet (YIG) and the consequences of this doping on the magnetic and electronic properties of YIG. Summarizing, our results show that Ce-doping triggers a selective charge transfer from Ce to the Fe tetrahedral sites in the YIG structure. This, in turn, causes a disruption of the electronic and magnetic properties of the parent compound, reducing the exchange coupling between the Ce and Fe magnetic moments and causing atypical magnetic behavior. Our findings represent an important step forward for the comprehension of the physical processes that determine the optical properties of YIG-based compounds. This specially relevant, taking into account that these materials are nowadays present in commercial devices in optical communication technologies. (iii) We have used optical and magneto-optical imaging to analyze the spatial distributions of ferroelastic twin domains in SrTiO3 crystals under the application of in-situ applied electric fields. Our work has enabled us to identify the sign of the anisotropy of the low-temperature dielectric behavior of SrTiO3. Interestingly, the theoretical frame that we have developed to describe this anisotropy indicates the essential role of the emergence of an antiferroelectric displacement of the Ti ions that couples to polar and antiferrodistortive lattice modes. Our observations are very relevant for applications where understanding and controlling the distribution of all types of ferroelastic domains is essential for nanotechnology design. (iV) Finally, we have used magneto-optical microscopy to access the magnetic properties of the individual piezoelectric/magnetic microstructured magnetoelectric devices. Specifically, we have studied the effects of surface acoustic waves (SAW) propagating on a piezoelectric LiNbO3 on the magnetic properties of microstructured Pt/Co/Pt squares with perpendicular magnetic anisotropy. Our results show that SAW can induce large changes in the magnetic coercive field, up to 80 % of the initial value. By using a thermal proximity scanning probe we have shown that the changes in the magnetic properties are largely due to an intrinsic SAW-induced heat dissipation