This work deals with the development and application of the Finite Point Method (FPM) to compressible aerodynamics problems. The research focuses mainly on investigating the capabilities of the meshless technique to address practical problems, one of the most outstanding issues in meshless methods. The FPM spatial approximation is studied firstly, with emphasis on aspects of the methodology that can be improved to increase its robustness and accuracy. Suitable ranges for setting the relevant approximation parameters and the performance likely to be attained in practice are determined. An automatic procedure to adjust the approximation parameters is also proposed to simplify the application of the method, reducing problem- and user-dependence without affecting the flexibility of the meshless technique. The discretization of the flow equations is carried out following wellestablished approaches, but drawing on the meshless character of the methodology. In order to meet the requirements of practical applications, the procedures are designed and implemented placing emphasis on robustness and efficiency (a simplification of the basic FPM technique is proposed to this end). The flow solver is based on an upwind spatial discretization of the convective fluxes (using the approximate Riemann solver of Roe) and an explicit time integration scheme. Two additional artificial diffusion schemes are also proposed to suit those cases of study in which computational cost is a major concern. The performance of the flow solver is evaluated in order to determine the potential of the meshless approach. The accuracy, computational cost and parallel scalability of the method are studied in comparison with a conventional FEM-based technique. Finally, practical applications and extensions of the flow solution scheme are presented. The examples provided are intended not only to show the capabilities of the FPM, but also to exploit meshless advantages. Automatic hadaptive procedures, moving domain and fluid-structure interaction problems, as well as a preliminary approach to solve high-Reynolds viscous flows, are a sample of the topics explored. All in all, the results obtained are satisfactorily accurate and competitive in terms of computational cost (if compared with a similar mesh-based implementation). This indicates that meshless advantages can be exploited with efficiency and constitutes a good starting point towards more challenging applications. / En este trabajo se aborda el desarrollo del Método de Puntos Finitos (MPF) y su aplicación a problemas de aerodinámica de flujos compresibles. El objetivo principal es investigar el potencial de la técnica sin malla para la solución de problemas prácticos, lo cual constituye una de las limitaciones más importantes de los métodos sin malla. En primer lugar se estudia la aproximación espacial en el MPF, haciendo hincapié en aquéllos aspectos que pueden ser mejorados para incrementar la robustez y exactitud de la metodología. Se determinan rangos adecuados para el ajuste de los parámetros de la aproximación y su comportamiento en situaciones prácticas. Se propone además un procedimiento de ajuste automático de estos parámetros a fin de simplificar la aplicación del método y reducir la dependencia de factores como el tipo de problema y la intervención del usuario, sin afectar la flexibilidad de la técnica sin malla. A continuación se aborda el esquema de solución de las ecuaciones del flujo. La discretización de las mismas se lleva a cabo siguiendo métodos estándar, pero aprovechando las características de la técnica sin malla. Con el objetivo de abordar problemas prácticos, se pone énfasis en la robustez y eficiencia de la implementación numérica (se propone además una simplificación del procedimiento de solución). El comportamiento del esquema se estudia en detalle para evaluar su potencial y se analiza su exactitud, coste computacional y escalabilidad, todo ello en comparación con un método convencional basado en Elementos Finitos. Finalmente se presentan distintas aplicaciones y extensiones de la metodología desarrollada. Los ejemplos numéricos pretenden demostrar las capacidades del método y también aprovechar las ventajas de la metodología sin malla en áreas en que la misma puede ser de especial interés. Los problemas tratados incluyen, entre otras características, el refinamiento automático de la discretización, la presencia de fronteras móviles e interacción fluido-estructura, como así también una aplicación preliminar a flujos compresibles de alto número de Reynolds. Los resultados obtenidos muestran una exactitud satisfactoria. Además, en comparación con una técnica similar basada en Elementos Finitos, demuestran ser competitivos en términos del coste computacional. Esto indica que las ventajas de la metodología sin malla pueden ser explotadas con eficiencia, lo cual constituye un buen punto de partida para el desarrollo de ulteriores aplicaciones.

Mesoscale eddies are relatively small structures that dominate the ocean variability and have large impact on large scale circulation, heat fluxes and biological processes.In the western Mediterranean Sea, a high number of eddies has been observed and studied in the past with in-situ observations. Yet, a systematic characterization of these eddies is still lacking due to the small scales involved in these processes in this region where the Rossby deformation radius that characterizes the horizontal scales of the eddies is small (10-15 km). The objective of this thesis is to perform a characterization of mesoscale eddies in the western Mediterranean. For this purpose, we propose to develop tools to study the fine scales of the basin. First, we develop an eddy resolving simulation of the region for the last 20 years. This simulation shows that existing altimetry maps underestimate the mesoscale signal. Therefore, we attempt to improve existing satellite altimetry products to better resolve mesoscale eddies. We show that this improvement is possible but at the cost of the homogeneity of the fields; the resolution can only be improved at times and locations where altimetric observations are densely distributed. In a second part, we apply three different eddy detection and tracking methods to extract eddy characteristics from the outputs of the high-resolution simulation, a coarser simulation and altimetry maps. The results allow the determination of some characteristics of the detected eddies. The size of the eddies can greatly vary but is around 25-30 km. About 30 eddies are detected per day in the region with a very heterogeneous spatial distribution. Unlike other areas of the open ocean, they are mainly advected by currents of the region. Eddies can be separated according to their lifespan. Long-lived eddies are larger in amplitude and scale and have a seasonal cycle with a peak in late summer, while short-lived eddies are smaller and more present in winter. The penetration depth of detected eddies has also a large variance but the mean depth is around 300 meters. Anticyclones extend deeper in the water column and have a more conic shape than cyclones.

La tecnologia solar i fotovoltaica ha experimentat un important creixement durant els últims anys, i es preveu que sigui una de les principals fonts d'energia en un futur proper. Aquest creixement està relacionat amb una reducció significativa dels costos de producció i fabricació, així com amb una important evolució dels dispositius fotovoltaics que ha originat un increment en l'eficiència de les actuals cèl·lules solars. En el context del desenvolupament de nous dispositius fotovoltaics, la caracterització de materials es considera una tasca determinant. Així, tenint en compte que els dispositius fotovoltaics evolucionen cap a sistemes més prims i estructures més petites, les tècniques de caracterització d'alta resolució representen un paper rellevant en l'evolució i desenvolupament de la tecnologia solar i fotovoltaica. En el present treball, s’utilitzen diferents tècniques de caracterització d'alta resolució per estudiar determinades característiques de dispositius solars basats en silici cristal·lí. Entre les tècniques utilitzades trobem la microscòpia per sonda kelvin, l’espectroscòpia Raman i l’espectroscòpia de fotoluminescència. En concret, el treball es centra fonamentalment en l'estudi de capes de passivació superficial, així com en l'estudi de contactes elèctrics locals processats mitjançant tecnologia làser. L'elevada resolució de les tècniques de caracterització utilitzades en aquest treball ens permet accedir a informació única i exclusiva sobre certes propietats dels sistemes i materials estudiats. D'aquesta manera, la informació obtinguda representa la base per optimitzar i millorar els dispositius fotovoltaics actuals. En la part final del treball, les mateixes tècniques experimentals s'utilitzen per estudiar l'ordenament molecular de diferents capes orgàniques utilitzades en dispositius fotovoltaics d’última generació. Els sistemes fotovoltaics orgànics mostren atractives propietats com flexibilitat i baix cost, les quals posicionen a aquests sistemes com possibles candidats per un ampli ventall de noves aplicacions. Amb aquest últim estudi es vol demostrar la versatilitat i potencial de les tècniques experimentals utilitzades en aquest treball per a l'estudi de materials i dispositius fotovoltaics. / Photovoltaic (PV) technology has experienced a tremendous growth during recent years, and PV energy is expected to be one of the main energy sources in the future. This growth has been induced by a drastic reduction of production costs, and an important evolution of solar cell technology that has lead to an increase of solar cells efficiency. In the context of device evolution, material and device characterization becomes an important task to further explore novel PV systems and architectures. Since ultimate PV technologies progressively move towards thinner devices and smaller structures, characterization techniques with high spatial resolution play an important role for the further technological development of the PV field. In this work, we apply different high-resolution advanced characterization techniques such as Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), micro-Raman and micro-Photoluminescence (PL) to carry out a comprehensive study of crystalline silicon (c-Si) PV devices. In particular, the work is focused on the analysis of rear surface passivation layers and local base contacts processed by laser, which are key features of ultimate c-Si PV architectures. The high-resolution capabilities of such experimental techniques allow obtaining unique and exclusive information about material properties and device operation. In this sense, the obtained information represents the foundations to improve and optimize the current PV devices and technology. In the final part of the work, we apply the same experimental techniques to study the molecular distribution across organic PV (OPV) thin films. OPV systems show attractive properties like low cost and flexibility, which make them suitable candidates for a broad range of novel application possibilities. With this last study we intend to demonstrate the versatility and applicability of the used characterization techniques for studying a wide range of PV materials and devices.

Aquesta tesi presenta la caracterització d’un disseny de detector pxel de CdTe per aplicació en imatge en medicina nuclear. El treball d’aquesta tesi s’ha portat a terme en el marc del projecte Voxel Imaging PET (VIP) Pathnder. El projecte VIP es un projecte ambiciós que pretén provar la viabilitat d’utilitzar detectors pixel·lats de CdTe en imatge en medicina nuclear. El disseny proposat és el mòdul VIP, que consta de blocs de CdTe de 10 mm 10 mm de superfcie i 2 mm de gruix, que estan segmentats en pxels de 1 mm 1 mm. Cada diode de CdTe és llegit pel VIP-PIX, un xip desenvolupat pel projecte VIP i que ofereix una lectura intelligent i independent per píxel i proporciona la mesura en energia i en temps per cada detecció. El treball presentat en aquesta tesi és la caracterització del rendiment de tres experiments per validar el comportament del mòdul VIP. En primer lloc s’ha realitzat la mesura de la resolució en energia i la resolució en coincidència temporal per un detector coplanar de 2 mm de gruix. En segon lloc, s’ha mesurat el charge sharing entre píxels. Per a aquest propòsit, s’ha utilitzat un experiment amb un diode de CdTe llegit per xip VATAGP7.1. L’efecte del charge sharing en la resolució en energia dels píxels també s’ha estudiat. Finalment, s’ha evaluat el rendiment d’un diode de CdTe llegit pel xip VIP-PIX. El rendiment dels circuits electrònics del VIP-PIX s’han caracteriztat i s’ha mesurat la resolució en energia dels píxels de CdTe Aquesta tesi consta de 7 capítols. El capítol 1 parla de la física en la detecció de radiació, especialment centrada en la detecció gamma. El capítol 2 parla de la medicina nuclear, les tècniques utilitzades i els escàners més novedosos emprats en aquest àmbit. El capítol 3 parla del projecte VIP, mostra els detalls del disseny VIP, els objectius aconseguits ns al moment i els objectius a assolir per al nal del projecte. Els capítols 4, 5, i 6 mostren cadascuna de les tres etapes dels experiments realitzats durant la tesi. El capítol 4 mostra les mesures de resolució en energia i coincidència en temps de detecció d’un detector amb un únic píxel de 2 mm de gruix. El capítol 5 mostra les mesures de charge sharing per un detector amb píxels de 2 mm 1 mm i el seu efecte en la resolució en energia. El capítol 6 mostra la mesura de resolució en energia per un detector de CdTe pixel·lat llegit pel xip VIP-PIX, que té píxels de 1 mm 1 mm. El capítol 7 presenta les conclusions assolides amb els tres anàlisis i els posa en el context del camp de deteccio de radiacions per a imatge mèdica. / This thesis presents the characterization of a pixel CdTe detector design for application in nuclear medicine imaging. The thesis work has been carried out within the framework of the Voxel Imaging PET (VIP) Pathfinder project. The VIP project is an ambitious project that aims to prove the feasibility of using pixelated CdTe detectors in nuclear medicine imaging. The proposed design is the VIP module, which consists of slabs of CdTe of 10 mm x 10 mm surface and 2 mm thickness, which are segmented into pixels of 1 mm x 1 mm. Each CdTe diode is readout by the VIP-PIX, an ASIC developed by the VIP project which others smart readout per pixel and provides the energy measurement and the timestamp for each detection. The work presented in this thesis is the characterization of the performance of three different setups to validate the behavior of the VIP module. One of the steps consists of the measurement of the energy resolution and the coincidence time resolution for a CdTe coplanar detector of 2 mm thickness. In the second step the charge sharing between pixels has been measured. A setup with a CdTe diode readout by the VATAGP7.1 has been used. The e ect of the charge sharing on the energy resolution of the pixels has been studied as well. Finally, the performance of a CdTe diode readout by a VIP-PIX ASIC has been evaluated. The performance of the VIP-PIX electronics has been characterized and the energy resolution of the CdTe pixels has been measured. The thesis consists of 7 chapters. Chapter 1 is about the physics behind radiation detection, especially focused on gamma detection. Chapter 2 is about nuclear medicine, the techniques used and the state-of-the-art of nuclear medicine scanner devices. Chapter 3 is about the VIP project, it shows the details of the VIP design, the goals achieved so far, and the targets for the end of the project. Chapters 4, 5, and 6 show each of the three stages of experiments carried out in the thesis. Chapter 4 shows the energy resolution and coincidence time resolution of a single pixel detector with 2 mm thickness. Chapter 5 shows the measurement of charge sharing for a pixel detector with pixels of 2 mm x 1 mm and its effect on the energy resolution. Chapter 6 shows the measurement of the energy resolution for a pixelated CdTe diode readout by the VIP-PIX ASIC, which has pixels of 1 mm x 1 mm. Chapter 7 presents the conclusions achieved with the three analyses and puts them in the context of the radiation detection science for medical imaging.

El interés y la originalidad del trabajo científico de esta tesis se centra en el crecimiento cristalino, el análisis composicional, estructural, morfológico y óptico de la fase monoclínica de los tungstatos dobles que responden a la fórmula K(RE3+)(WO4)2, donde RE3+ denota iones como Y3+, Gd3+, Yb3+, Er3+ y Lu3+. Estos materiales cristalinos se han estudiado sin dopar y dopados con iones Yb3+ y Er3+ para la generación de radiación láser. La obtención de la fase monoclínica de estos tungstatos dobles se ha realizado mediante el método de crecimiento a partir de solución a alta temperatura Top-Seeded Solution Growth (TSSG) utilizando como solvente el pirotungstato de potasio, K2W2O7, debido a las ventajas que ofrece respecto otros solventes. Se han obtenido monocristales con una muy buena calidad óptica y de tamaño adecuado para su posterior caracterización tanto química como física. La caracterización óptica de estos materiales ha sido la parte más extendida en el trabajo y se ha centrado, por una parte, en la matriz (tungstatos dobles sin dopar) y por otra parte en los iones activos generadores de radiación láser. En cuanto a la matriz se ha llevado a cabo la determinación del rango espectral de transparencia óptica (el cual se extiende entre 0.32 y 5.4 micrómetros), la orientación de los ejes principales ópticos respecto a los ejes cristalográficos y en la medida de los índices de refracción a lo largo de las tres direcciones principales ópticas y para un rango de longitudes de onda que se extiende desde los 450 nm hasta los 1500 nm (índice de refracción alrededor de 2).Por otra parte la caracterización óptica de los iones activos se ha centrado en la espectroscopia del yterbio y del erbio y en los experimentos de laseado realizados sobre los iones yterbio. La espectroscopia concierne, en primer lugar, a la absorción óptica polarizada de los dos iones a temperatura ambiente y a temperaturas criogénicas, 6 K (es destacable el valor del coeficiente de absorción del yterbio, que deriva en una longitud de absorción de tansolo 13.3 micrómetros para el caso del KYb(WO4)2 y en una elevada sección eficaz de emisión del orden de 14x10-20 cm2 a una longitud de onda de 980 nm para la polarización etiquetada como Nm). Dicha longitud de absorción permite pensar en la posibilidad de láseres de disco fino (Thin disk lasers) y guías de onda, y debido a la elevada sección eficaz de absorción, se ha utilizado este ión como sensibilizador de las emisiones del erbio. Además, el rango de longitudes de onda de absorción del yterbio permite la posibilidad de excitación mediante diodo con las ventajas que ello supone. En segundo lugar, la espectroscopia concierne a la luminiscencia de dichos iones desde el punto de vista de la emisión óptica también a temperatura ambiente y bajas temperaturas y a la medida de vidas medias. La emisión del yterbio también destaca por su anchura de las líneas de emisión, muy interesantes para la generación de láser pulsados en régimen de pico- y femtosegundos. Las emisiones del erbio que se han estudiado con mayor profundidad han sido las emisiones con máximo de intensidad a 1530 nm y a 550 nm.La generación de radiación láser a partir de iones yterbio se ha realizado en modo continuo para el caso de KLu(WO4)2 dopado con yterbio y en modo pulsado (Quasi-CW) para el caso en que el ión activo no está presente en cantidades dopantes en la estructura sino substituyendo totalmente a la tierra rara (RE), el KYb(WO4)2. La excitación del yterbio se ha realizado mediante un láser de titanio-zafiro y mediante diodo. / The interest and originality of the scientific work of this thesis focuse on the crystal growth, the compositional, structural, morphologycal and optical analysis of the monoclinic phase of the double tungstates K(RE3+)(WO4)2, where RE3+ denotes ions like Y3+, Gd3+, Yb3+, Er3+ and Lu3+. These crystalline materials have been studied without doping and doped with Yb3+ and Er3+ ions for the generation of laser radiation. The obtention of the monoclinic phase of these double tungstates has been realized by means of the Top-Seeded Solution Growth (TSSG) method using the potassium pyrotungstate, K2W2O7, as solvent. This was due to the advantages that it offers in front of other solvents. Single crystals with very high optical quality and suitable size for later chemical and physical characterizations have been obtained. The optical characterization of these materials has been the most extended part of this work and focused, on the one hand, on the host (double tungstates without doping) and, on the other hand, on the active ions. Concerning the host, the determination of the optical spectral range of transparency (that extends from 0.32 to 5.1 micrometers), the orientation of the principal optical axes with respect to the crystallographic axes and the measurement of the refractive indices along the three principal optical directions and for a wavelength range from 450 nm to 1500 nm (refractive index around 2) have been determined.On the other hand, the optical characterization of the active ions focused on the ytterbium and erbium spectroscopy and the laser experiments realized on ytterbium ions. The spectroscopy concerns, in first place, in the polarized optical absorption of the two ions at room temperature and cryogenic temperature, 6 K (it is remarkable the absorption coefficient of ytterbium, that derived in an absorption length of only 13.3 micrometers for the case of KYb(WO4)2, and in a very high absorption cross-section of 14x10-20 cm2 at 980 nm for the polarization labelled Nm). This absorption length allows think in the possibility of Thin-Disk laser designs and waveguides, and due to the high absorption cross-section, this ion has been used as sensitizer of the erbium emissions. Moreover, the range of absorption wavelength for ytterbium allows the possibility of exciting by means of diode. In second place, the spectroscopy involved the luminescence of these ions under the point of view of the optical emission also at room temperature and low temperature and the measurement of the lifetime. The emission of ytterbium is interesting also for the broadening of the emission lines, that is very interesting for the generation of laser pulses in the pico- and femtosecond regimes. The erbium emissions that have been studied deeper have been the 1530 and 550 nm emissions.The generation of laser radiation from ytterbium ions has been realized in continuous-wave mode for the case of KLu(WO4)2 doped with ytterbium and in pulsed mode (Quasi-CW) for the case of KYb(WO4)2. Ytterbium ions have been excited by means of a Titanium-Sapphire laser and a diode.

Esta tesis presenta el desarrollo y la fabricación de pilas de combustibles microfluídicas para aplicaciones portátiles de baja potencia. En concreto, pilas biológicas que utilizan las enzimas en la degradación de la glucosa. El trabajo está dividido en dos secciones dependiendo de si los dispositivos fabricados son activos, es decir, los reactivos son suministrados a la micropila por bombeo (Capítulo 2 y 3). O si por el contrario los reactivos fluyen sin necesidad de mecanismos externos los dispositivos serán pasivos (Capítulo 4 y 5). En el primer capítulo de la tesis se ha llevado a cabo la primera aproximación en el desarrollo de micro pilas de combustible glucosa/O2 con el objetivo de hacer posible las primeras medidas electroquímicas con enzimas. La pila microfluídica fue construida sobre un sustrato de vidrio en el cual se grabaron electrodos de oro mediante técnicas de microfabricación. Por otro lado, se utilizó fotolitografía suave para la fabricación de los canales (con forma de Y) en PDMS. Esta forma de canal permitió fluir dos soluciones en paralelo usando una bomba de jeringa. Como primera aproximación, las enzimas se encontraban fluyendo de manera continua a través del canal. Eso provocaba experimentos caros y dificultaba su posible aplicación portátil. De este modo, el siguiente aspecto en abordarse fue la inmovilización de los biocatalizadores sobre los electrodos de la micro pila. El Capítulo 2 presenta la fabricación de una pila de combustible que posee los biocatalizadores inmovilizados en la superficie de los electrodos lo cual hace que los biocatalizores sean aprovechados más eficientemente que en la anterior pila. Los electrodos se han fabricado utilizando resina pirolizada y se han usado por primera vez con éxito en pilas microfluídicas enzimáticas de este tipo. La pila está compuesta por diferentes capas de material plástico laminado que han sido cortadas usando un plotter de corte. Esto hace que la fabricación del dispositivo sea rápida, barata y compatible con la manufacturación a gran escala. El canal microfluídico se ha definido también sobre este tipo de material plástico, evitando el largo proceso litográfico relacionado con el PDMS. Por otro lado, el canal (en forma de Y) permite optimizar la potencia que obtenemos de la pila cuando bombeamos dos soluciones diferentes. Por otro lado, el dispositivo necesita ser simplificado para finalmente obtener una fuente de energía portátil. Con este objetivo se abordó la siguiente fase de la tesis. El Capítulo 4 describe la fabricación de una pila microfluídica implementada utilizando sustratos de papel a través de los cuales fluyen los reactivos (de manera pasiva) por efecto capilar. Los componentes de la pila se cortaron utilizando un plotter de corte, lo que permitía fabricar dispositivos con mucha rapidez. Se probó el buen funcionamiento de una pila de combustible de papel y enzimática obteniendo valores de potencia similares a los presentados en el Capítulo 3 (donde las soluciones eran bombeadas). A partir de aquí el trabajo se centró en aproximar la pila de papel a la simplicidad de los test de flujo lateral. Así que la micro pila fue adaptada y operada con éxito usando una única solución, generando energía de una bebida comercial. El Capítulo 5 presenta una micropila de combustible fabricada en papel mucho más sofisticada y pequeña que la del capítulo anterior. Se probó satisfactoriamente una nueva combinación de biocatalizadores que permitió trabajar utilizando muestras a pH neutro. Además, el tamaño compacto del sistema abrió la posibilidad de operar la pila de combustible con fluidos fisiológicos como por ejemplo la sangre. Finalmente, se ha demostrado que es posible tener una pila preparada para alimentar dispositivos que requieran poca demanda de energía. Sin embargo, todavía se deben hacer esfuerzos para acercar esta pila a un mundo real, debido principalmente a que el tiempo de vida de las enzimas es todavía limitado. / This thesis presents the development and fabrication of microfluidic fuel cells for low power and portable applications. Specifically, biological fuel cells that use enzymes for glucose degradation. This work is divided in two sections depending on whether the fabricated devices are active, i. e. the reagents are supplied into the micro fuel cell by pumping (Chapters 2 and 3). If, on the contrary, the reagents flow without needing external mechanisms they are passive devices (Chapters 4 and 5). In the first chapter of the thesis the first approach in the development of glucose/O2 micro fuel cells was conducted in order to allow for the initial electrochemical measurements with enzymes. The microfluidic fuel cell was fabricated using a glass substrate in which gold electrodes were impressed using microfabrication techniques. On the other hand, soft lithography was used to fabricate the Y-shaped PDMS channels. This channel shape enabled to flow two solutions in parallel using a syringe pump. The enzymes were continuously flowing through the channel causing expensive experiments in addition to hindering its possible portable application. Thereby, the biocatalysts immobilization on the electrodes was next addressed in this thesis. Chapter 2 presents the fabrication of a micro fuel cell with enzymes trapped on the electrode surfaces which lead to an effective use of the biocatalysts. The electrodes were fabricated using pyrolyzed resists and were successfully used for the first time in enzymatic microfluidic fuel cells of this kind. The fuel cell was formed by different layers of plastic laminated materials cut using a cutter plotter. This promotes a fast and inexpensive device fabrication which is compatible with large scale manufacturing. The microfluidic channel was also defined on this type of plastic materials, thus avoiding the long lithographic process related to the PDMS. Moreover, this Y-shaped channel allows to optimize the power obtained from the fuel cell when two different solution are pumped into the system. Therefore, the following aspect to be addressed was the biocatalyst immobilization over the electrodes of the micro fuel cell Chapter 4 describes the construction of a microfluidic fuel cell fabricated using paper substrates. The reagents flow through this paper (in a passive way) by capillary action. The fuel cell components were cut using a cutting plotter which allows fabricating devices much faster. The proper functioning of this paper-based microfluidic fuel cell was verified obtaining similar power values to those presented in Chapter 3 (were solution were pumped). From here, the work focused on bringing the paper fuel cell closer to the simplicity of lateral flow tests. The fuel cell was then adapted and successfully operated using a single solution, generating energy from a commercial drink. Chapter 5 presents a microfluidic paper-based fuel cell smaller and more sophisticated than the one presented in previous chapter. A new combination of enzyme was tested which allowed to work with samples at neutral pH. Additionally, the compact size of the system opened the possibility to operate the paper fuel cell with physiological fluids, such as blood. Finally, it was demonstrated that was possible to have a fuel cell ready to fed devices demanding low energy. However, more efforts have to be done in the field to approach this fuel cell to a real world mainly due to the still limited lifetime of the enzymes.

Los efectos de la radiación en circuitos electrónicos se conocen desde los comienzos de la carrera espacial en los años 60, pues fuera de la atmósfera terrestre se está expuesto a niveles más altos de radiación que en la superficie. Sin embargo, el escalado de la tecnología electrónica ha conllevado un aumento de su susceptibilidad a la radiación, que puede desembocar en errores de funcionamiento incluso a nivel de tierra. Esta tesis estudia un efecto de la radiación, en memorias SRAM (Static Random Access Memory), denominado evento transitorio, que se caracteriza por corromper los datos almacenados en la memoria sin dañarla permanentemente. Se estudian por simulación diversas técnicas para diseñar memorias más robustas frente a eventos transitorios. Además, se ha diseñado y fabricado un prototipo de SRAM que incorpora algunas de estas técnicas. Finalmente, se ha validado experimentalmente su eficacia mediante la irradiación controlada del circuito / Radiation effects in electronic circuits are known since the beginning of the space race in the 1960s, because out of the terrestrial atmosphere, radiation exposure level is higher than on the surface. However, electronic technology scaling has led to an increase in radiation susceptibility that can result in operation errors even at ground level. This thesis deals with a radiation effect, in SRAMs (Static Random Access Memory), named transient event, which is characterized by corrupting data stored in the memory without causing any permanent damage to it. Several techniques to design more robust memories against radiation effects are studied by simulation. In addition, an SRAM prototype, including some of these techniques, has been designed and manufactured. Finally, the effectiveness of these techniques has been experimentally validated through controlled irradiation of the circuit. / Els efectes de la radiació en circuits electrònics es coneixen des dels inicis de la carrera espacial als anys 60, ja que fora de l’atmosfera terrestre s’està exposat a nivells més alts de radiació que a la superfície. No obstant això, l’escalat de la tecnologia electrònica ha comportat un augment de la susceptibilitat a la radiació, que pot desembocar en errors de funcionament fins i tot a nivell de terra. Aquesta tesi estudia un efecte de la radiació, en memòries SRAM (Static Random Access Memory), anomenat event transitori, que es caracteritza per corrompre les dades emmagatzemades a la memòria sense danyar-la permanentment. S’estudien per simulació diverses tècniques per dissenyar memòries més robustes en front a events transitoris. A més, s’ha dissenyat i fabricat un prototipus d’SRAM que incorpora alguna d’aquestes tècniques. Finalment, s’ha validat experimentalment la seva eficàcia mitjançant la irradiació controlada del circuit.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Wechselwirkung ultrakalter Atome mit der Mode eines optischen Resonators hoher Güte. Die Atome sind dabei in einem periodischen Potenzial gefangen, dessen Periodizität nicht kommensurabel mit der Wellenlänge des Resonators ist. Ein Laser regt die Atome an und sie streuen Photonen in die Resonatormode, wobei die Emission inkohärent ist, falls die Laue- Bedingung nicht erfüllt ist. Dieser Fall wird betrachtet und es werden Bedingungen ermittelt, für welche nichtlineare optische Prozesse auftreten können. Die Eigenschaften des Lichtes werden untersucht, wenn sich das System entweder wie ein parametrischer Verstärker verhält oder wie eine Lichtquelle mit "Antibunching"- Statistik. Weiterhin kann eine stationäre Verschränkung zwischen Licht und Spinwellen der Atome erzeugt werden. Im zweiten Teil wird die Situation betrachtet, in der die Nullpunktsbewegung der Atome für die Atom-Licht-Wechselwirkung relevant ist. Für große Parameterbereiche zeigen numerische Berechnungen, dass die Rückwirkung des Resonators die Formierung eines lokalen Schachbrettmusters in der atomaren Dichteverteilung erzeugt. Die einzelnen Atomgruppe dieses Musters stehen zueinander in fester Phasenbeziehung, was zur Erhöhung der Zahl der Resonatorphotonen führt. / In this thesis we investigate the interactions between ultracold atoms confined by a periodic potential and a mode of a high-finesse optical cavity whose wavelength is incommensurate with the potential periodicity. The atoms are driven by a probe laser and can scatter photons into the cavity field. When the von-Laue condition is not satisfied, there is no coherent emission into the cavity mode. We consider this situation and identify conditions for which different nonlinear optical processes can occur. We characterize the properties of the light when the system can either operate as a degenerate parametric amplifier or as a source of antibunched light. Moreover, we show that the stationary entanglement between the light and spinwavemodes of the array can be generated. In the second part we consider the regime in which the zero-point motions of the atoms become relevant in the dynamics of atom-photon interactions. Numerical calculations show that for large parameter regions, cavity backaction forces the atoms into clusters with a local checkerboard density distribution. The clusters are phase-locked to one another so as to maximize the number of intracavity photons.

El magnetisme és molt important en diverses àrees de la ciència i la tecnologia, cobrint un rang molt ampli d'escales i temes. En aquesta tesis presentem el desenvolupament teòric i la realització experimental de diversos dispositius nous pel control dels camps magnètics. Pel disseny d'aquests s'han emprat diverses estratègies; la teoria de l'òptica de transformació s'ha combinat amb resultats obtinguts directament de les equacions de Maxwell, i les propostes idealitzades han esdevingut dispositius reals mitjançant la combinació de materials ferromagnètics i superconductors formant diferents metamaterials magnètics. En primer lloc presentem l'estudi referent a les capes invisibilitat magnètica. De manera anàloga a com actuaria una capa d'invisibilitat per llum visible, una capa d'invisibilitat magnètica evita que els camps penetrin al seu interior al mateix temps que la capa i el seu contingut són magnèticament indetectables des de l'exterior. En aquesta tesis presentem el desenvolupament de diferents dissenys de capa d'invisibilitat, centrant-nos en un sistema bicapa superconductor-ferromagnètic. Aquesta bicapa ha estat construïda i provada amb èxit. La concentració de camps magnètics també ha estat estudiada. Hem dissenyat una capa concentradora magnètica cilíndrica, la qual concentra els camps magnètics aplicats externs en el seu orifici interior. Alhora, aquesta mateixa capa expulsa el camp magnètic cap a l'exterior quan la font de camp se situa a l'orifici interior. S'han fabricat algunes d'aquestes capes concentradores emprant materials superconductors i ferromagnètics i les seves propietats s'han verificat experimentalment. A més a més també hem demostrat que les capes permeten incrementar l'acoblament magnètic entre circuits. Aquesta propietat l'hem aplicat experimentalment per demostrar que les capes concentradores permeten millorar la transmissió d'energia elèctrica sense fils. Seguidament hem estudiat la transmissió de camps magnètics. A diferència de les ones electromagnètiques que es propaguen fàcilment dins de guies d'ones o fibres òptiques, els camps magnètics decauen ràpidament a mesura que ens allunyem de la font. A fi de superar aquesta limitació hem desenvolupat un sistema de "mànega magnètica" que permet la transferència de camps magnètics estàtics fins a llargues distàncies i que es pot construir combinant adequadament capes superconductores i ferromagnètiques. El disseny l'hem validat a partir de simulacions numèriques i desenvolupaments analítics. Algunes "mànegues" s'han fabricat i les seves propietats ha estat experimentalment demostrades. Finalment hem desenvolupat un forat de cuc magnètic. Inspirats pels forats de cuc cosmològics, que connecten dos punts de l'espai a través d'un camí que se situa fora de l'espai tridimensional convencional, hem desenvolupat un dispositiu capaç de crear l'efecte equivalent per camps magnètics estàtics. Així, el forat de cuc magnètic connecta magnèticament dos punts de l'espai a través d'un camí que és magnèticament indetectable. El dispositiu està format per una "mànega magnètica" recoberta d'una esfera superconductora i una "metasuperfície" ferromagnètica. Les seves propietats han estat estudiades teòricament i el dispositiu ha estat construït. Això ha permès demostrar, també, les seves característiques de manera experimental. En resum, aquesta tesis conté el desenvolupament teòric i la realització experimental de diversos dispositius que permeten la manipulació de camps magnètics. A banda d'estudiar diversos problemes concrets com la invisibilitat magnètica, la concentració o la transmissió de camps, la present recerca ha donat lloc a tot un conjunt d'"eines" que permeten el control i la manipulació de camps magnètics d'una manera general. / Magnetism is very important in various areas of science and technology, covering a wide range of scales and topics. In this thesis we present the theoretical development and the experimental realization of various novel devices to control magnetic fields. Their design is based on different strategies; transformation optics theory is combined with solutions directly obtained from Maxwell equations, and ideal designs are turned into real devices combining superconducting and ferromagnetic materials forming different magnetic metamaterials. We first study the cloaking of magnetic fields. Analogous to the concept of an "invisibility" cloak for light, a cloak for static magnetic fields prevents fields to penetrate in its interior and makes the cloak itself and its content magnetically undetectable from the exterior. Different designs of magnetic cloak are developed and a bilayer superconductor-ferromagnetic cylindrical cloak is experimentally built and tested. The concentration of magnetic fields is also addressed. A cylindrical magnetic concentrating shell is designed, demonstrating that it concentrates external fields in its interior hole and it also expels the field of internal sources towards the exterior. Different concentrating shells are experimentally built using superconducting and ferromagnetic materials and their properties are validated. We also demonstrate that concentrating shells increase the magnetic coupling between circuits. We apply this property to experimentally demonstrate they enhance the wireless transfer of power. The transfer of static magnetic fields is also studied. Different from electromagnetic waves that easily propagate in waveguides or optical fibers, magnetic fields rapidly decay as one moves far from the source. To overcome this limitation we develop the magnetic hose, a design that allows to transfer static magnetic fields to arbitrary distances and can be realized with an adequate combination of superconducting and ferromagnetic shells. The design is validated using numerical calculations and analytical developments. Some hoses are experimentally built and their properties are demonstrated. Finally we develop a magnetic wormhole. Inspired by cosmological wormholes, that connect two points in space through a path that is out of the conventional 3D space, we study an analogous effect for static magnetic fields. The magnetic wormhole magnetically connects two points in space through a path that is magnetically undetectable. It is composed of an interior magnetic hose surrounded by a spherical superconducting shell and a spherical ferromagnetic metasurface. An actual magnetic wormhole is experimentally built and its properties are demonstrated. To sum up, this thesis contains the theoretical development and the experimental realization of different devices to manipulate magnetic fields. In addition to addressing different particular problems, like magnetic cloaking, concentration or magnetic field transfer, this research has resulted in a whole set of new "tools" to shape and control static magnetic fields in a general way.

Desde su descubrimiento los nanotubos de carbono han llamado la atención por sus propiedades únicas. Se esperaba que los nanotubos revolucionaran nuestra tecnología y en parte lo han logrado siendo un material importante para diversas aplicaciones en electrónica y optoelectrónica. Los nanotubos de carbono pueden reemplazar al silicio en sistemas electro‐mecánicas en nano escala (nano‐electromechanical systems NEMS). En esta tesis se presentan varios tipos de NEMS que se han realizado, con diferentes resultados en cada una. En primeros capítulos, se presenta el resonador electro‐mecánico basado en nanotubos. Al reducir la longitud del nanotubo hasta los 100 nm se pudo obtener una frecuencia de resonancia de varios GHz. Este tipo de dispositivos puede ser integrado en las tecnologías recientes de giga‐hertz ofreciendo también la posibilidad de detección de masa con resolución atómica. También los dispositivos basados en los nanotubos multi‐pared aunque operan en las frecuencias mas bajas (de mega‐hertz) pueden operar en las frecuencias pre‐determinadas, calculadas con la teoría de vigas elásticas. La segunda parte de la tesis está dedicada a los nanomotores de nanotubos de carbono. En contrario, la realización de nanomotores es mucho más complicada. A pesar de que en un principio los primeros resultados fueron prometedores, estas estructuras siguen siendo difíciles de fabricar. Todavía no tenemos control sobre la chiralidad de los nanotubos y en su manipulación en nano‐escala permanece el desafío. Para realizar dispositivos operacionales hay que entender mejor las fuerzas que existen a nano‐escala y como aprovecharlas. Así mismo también es posible la integración de nanotubos de carbón con estructuras existentes micro‐fabricadas de silicio, aunque todavía necesita más trabajo. Caso contrario a la integración con grafeno, la cual parece relativamente fácil, siendo este un paso hacia la electrónica de carbono. Todos estos temas forman parte importante de la investigación de NEMS. Sin embargo, estos sistemas van a contribuir para futuros descubrimientos importantes. / Since the discovery of carbon nanotubes high hopes were placed on their possible applications. They were expected to revolutionize our technology and indeed, CNTs have proven to be a good material for applications in electronics, such as channels in field effect transistor and optoelectronic devices. In order to realize future nanotube electronic and electro‐mechanical systems, it is not only necessary to thoroughly understand the underlying physical phenomena of both single as multi‐walled carbon nanotubes (MWNTs), but also to be able to fabricate devices possessing the desirable qualities. Many efforts of this work were dedicated to nanotube manipulation and nanofabrication in order to integrate carbon nanotubes in current fabrication processes and achieve novel type of devices. The device fabrication is described in the Annex A. In the thesis various attempts to experimental realization of CNT‐based nano‐electromechanical systems are shown. Typically, the CNT devices presented later in this thesis operate in so‐called transistor geometry, which is why it is important to understand principles of operations of CNTFETs, explained above in Chapter 1. Then, Chapter 2 brings a short introduction to structural and electronic properties of CNTs and graphene, ways of synthesis and methods used for characterization. The Chapter 3 is an introduction to micro and nanoelectromechanical systems, focusing carbon nanotube resonators and motors. In the second part of the thesis carbon nanotube resonators are studied. To perform the measurements the so‐called mixing technique was used, explained in Annex B. In Chapter 4 a giga‐hertz operation frequency resonator based on ultra‐short SWNT is presented. Also influence of nanotube length and temperature on the resonator frequency and principles of mass sensing are discussed. In Chapter 5 MWNT resonators of different diameters are measured with emphasis of frequency as a function of a number of shells. The number of shells can be reduced using the electrical breakdown technique and the MWNT resonator eigenmodes can be approximated using the elastic beam theory, which is in details explained in the Annex C. The third part of the thesis is dedicated to carbon nanotube motors. First of all, in Chapter 6 different approaches to fabricating micro‐scale heaters are presented in order to realize controlled thermal gradient motor. Suspended micro‐heaters based on platinum and gold are presented, as well as non‐suspended heaters based on highly‐doped silicon. In Chapter 7, a novel type of graphene‐based heating is shown. For all types of heaters fabrication, characterization and integration with CNT motor is discussed. Finally, in Chapter 8 an intention of realization of CNT electron windmill is presented.