The study of supersymmetry has led us to a better understanding of field theories, specially in the strong coupling regime. In this thesis we have tried to show this through several examples. These are: - The first of these examples has been the application of localization techniques in supersymmetric theories. Specifically, we have used the partition function of N=2 supersymmetric Chern-Simons theory with gauge group U(N) and 2Nf flavors. To regularize the theory, it is necessary to make the computation in a three sphere whose radius, R, serves as an IR regulator which can be taken to infinity at the end of the computation. Once we have the exact partition function in terms of a matrix integral, we can solve the integral by means of a saddle-point approximation. This approximation becomes exact in the large N limit. The saddle-point equation can be solved exactly and in the decompactification limit it shows different phases depending on the value of the 't Hooft coupling. We have also computed the free energy and the vacuum expectation value of a Wilson loop for a big circle of the three sphere. Both of them show discontinuities in their derivatives, in particular, the discontinuity in the free energy appears in the third derivative and thus, both phase transitions are third order. - Other application that we have seen consists of the use of the gauge/gravity duality. In particular, starting from the gravity dual to N=1 super Yang-Mills, proposed by Maldacena and Núñez, we have reviewed how to add flavors (quarks) to this theory, without mass first and with mass later. We have also seen how to extract information about the field theory from these gravity duals, we have paid special attention to how the beta-function of the field theory dual is obtained from the gravity background proposed by Conde, Gaillard and Ramallo, dual to N=1 super Yang-Mills field theory with Nf massive flavors and a quartic superpotential. The main result from the point of view of the field theory is that, in the case Nf=2N, the beta-function shows a non-trivial UV fixed point, which hints on possible IR fixed point as proposed by Seiberg in the conformal window picture. No evidence of non-trivial fixed points is found for Nf different from 2N. - Again, in the context of the gauge/gravity duality, we have studied how to generate new supergravity solutions applying T-duality and how this affects the G-structures that describe the supersymmetry of these solutions. We have applied T-duality to the IIB supergravity solution of Klebanov and Witten with flavors. The supersymmetry of these backgrounds can be described by an SU(3)-structure and an SU(2)-structure before and after T-dualizing, respectively. - Finally, we have presented an N=1 supersymmetric model that exhibits a superconducting phase transition. This model is based on a quartic Kähler potential for a chiral multiplet and no superpotential. The main difference with standard superconductivity is that the phase transition becomes first order rather than second order. Another difference is that, as it is typical in supersymmetric theories, the dependence on the cut-off is softened in our model. / El estudio de supersimetría nos ha permitido un mejor entendimiento de las teorías de campos, especialmente en el régimen de acoplamiento fuerte. En esta tesis hemos tratado de mostrar esto a través de varios ejemplos. A saber: - Primero hemos mostrado cómo calcular de manera exacta con técnicas de localización la función de partición de la teoría de Chern-Simons supersimétrica N=2 con grupo gauge U(N) y 2Nf sabores en una tres esfera. Una vez que tenemos la función de partición exacta en términos de una integral de matrices, podemos resolverla por medio de la aproximación de punto silla. Esta aproximación se vuelve exacta cuando tomamos el límite de N grande. En el límite de descompactificación calculamos la energía libre y el valor de expectación de un lazo de Wilson correspondiente a un círculo máximo de la tres-esfera, mostrando transiciones de fase de tercer orden. - Otra aplicación ha consistido en el uso de la dualidad gravedad/gauge. Hemos revisado como construir una solución de supergravedad dual a la teoría N=1 super Yang-Mills con Nf sabores masivos y un superpotencial cuártico. El principal resultado desde el punto de vista de la teoría de campos que corresponde a dicha solución, consiste en que, en el caso Nf=2N, la función beta exhibe un punto fijo UV no trivial que da lugar a indicios acerca de un punto fijo IR adicional tal y como propone Seiberg en su propuesta de la ventana conforme. - También en el contexto de la dualidad gravedad/gauge hemos estudiado cómo generar nuevas soluciones de supergravedad por medio de la aplicación de T-dualidad a la solución de supergravedad de Klebanov y Witten con sabores. La supersimetría de estas soluciones pueden ser descritas en términos de una SU(3) estructura antes de T-dualizar, o una SU(2)-estructura, después de T-dualizar. - Finalmente, hemos presentado un modelo supersimétrico que exhibe una transición de fase superconductora basado en un potencial de Kähler cuártico para un multiplete quiral y sin superpotencial. Encontramos dos diferencias con superconductores usuales: nuestro modelo exhibe una transición de fase de primer orden, en lugar de ser de segundo orden, y la dependencia con la energía de corte es más suave.

Tesi realitzada al Departament de Fìsica Fonamental / Codification of genetic information; regulation of gene expression; transport of nutrients inside cells; immune protection against infectious agents; transduction of external signals... These are some of the crucial processes that take place in living organisms at the molecular level. A deep understanding of how these phenomena occur is vital to get a precise knowledge of the laws governing the microscopic world and understand, prevent and even find cures for many illnesses with an origin in the molecular scale. Single-molecule experiments emerge as a powerful and versatile tool to investigate molecular processes at the level of individual molecules and trajectories with unprecedented spatial and temporal resolution. A paradigmatic experimental technique is given by “optical tweezers” (OT), which consist of a laser beam that captures micron-sized plastic beads using light momentum conservation. This instrument makes it possible to manipulate with nanometric precision a biomolecule and exert forces on it in the range of [0-100] pN. The diversity of systems being studied using optical tweezers increases every day. In this thesis, OT are used to unravel the mechanisms of unfolding and folding of several small nucleic acid hairpins and a protein when a force is applied to their ends. Moreover, single antigen-antibody bonds are investigated by qualitatively measuring the correlation between bond affinity and bond elasticity. All single-molecule experiments have in common the relevant role played by thermal fluctuations. These are crucial at the microscopic scale and contain overriding thermodynamic and kinetic information of molecular systems. The study of the characteristic forces at which molecular cooperative transitions occur, such as molecular unfolding or bond dissociation, is known as dynamic force spectroscopy (DFS). In this thesis DFS combined with Markov models are widely used to characterize the unfolding/folding reaction pathway, the transition states present in the molecular free-energy landscape, and the elastic, kinetic and thermodynamic properties of a protein, the antigen-antibody bond and nucleic acid hairpins under different conditions. A general result is that non-equilibrium DFS methods provide an excellent platform to extract thermodynamic properties of molecular states that can only be observed under dynamical conditions (that is, they are never observed in equilibrium at reasonable time scales), such as intermediate or bound configurations. An alternative method to extract thermodynamic properties of molecular systems is the use of fluctuation relations (FR). These are mathematical identities that relate non-equilibrium work measurements to free-energy differences. When an irreversible transformation is mechanically induced in an otherwise full-equilibrated molecular system, a work is performed between an initial and a final state that differs in each independent repetition of the experiment. FR relate a collection of these work measurements to the difference in free energy between the initial and the final states, independently of the molecular reaction pathway. If the system is initially found at a partially equilibrated state, an extended version of FR can be used to measure its free energy of formation. This grants access to the thermodynamic properties of misfolded and intermediate states that are rarely sampled in full equilibrium. Additionally, the extended FR allow us to reconstruct the free-energy branches of molecular states observed during non-equilibrium experiments from irreversible work measurements. Hence, relative stabilities between molecular native, unfolded, misfolded an intermediate states can be compared at different stages of the irreversible experiment. Results in this thesis pave the way to characterize the thermodynamics and kinetics of complex molecular process that occur under partial equilibrium conditions (as is the case in living organisms), using both DFS and FR. Examples are found in many kinetic states related to intermolecular binding or in transient non-equilibrium states occurring in polymerization reactions (e.g. translocating). Hence the influence of the findings and methods developed in this thesis remains to be seen. / La codificació de la informació genètica, la regulació de l'expressió dels gens, el transport de nutrients dins la cèl·lula, la protecció immunològica contra agents infecciosos... Aquests són alguns dels processos moleculars que s'esdevenen en organismes vius i són crucials per la seva supervivència. Entendre el funcionament d'aquests fenòmens és vital per conèixer les lleis que governen l'escala microscòpica i per entendre, preveure, o fins i tot trobar cures de malalties amb origen molecular, com el Parkinson, l'Alzheimer, o alguns càncers. Els experiments amb una única molècula són una eina molt poderosa i versàtil que permet investigar molts processos moleculars a escala de molècula i trajectòria individual, amb una resolució espaio-temporal sense precedents. Una eina paradigmàtica per dur a terme aquest tipus d'estudis són les “pinces òptiques”, consistents en un feix de llum coherent focalitzat capaç d'atrapar partícules de plàstic microscòpiques utilitzant la conservació del moment. Aquest instrument permet manipular una única biomolècula amb precisió nanomètrica, i exercir-hi forces en el rang entre 0 i 100 pN. La diversitat de sistemes estudiats amb les pinces òptiques augmenta cada dia. En aquesta tesi, s'utilitzen per desxifrar els mecanismes del plegament i desplegament d'àcids nucleics i d'una proteïna quan s'hi aplica una força. A més, les propietats d'un únic enllaç entre un antigen i un anticòs s'investiguen de manera qualitativa, mesurant la correlació entre l'afinitat i l'elasticitat de la unió. Els resultats d'aquesta tesi obren la porta a la caracterització termodinàmica i cinètica de processos moleculars complexos que s'esdevenen en condicions d'equilibri parcial (com ocorre en organismes vius) utilitzant l'espectroscòpia dinàmica de forces (és a dir, l'estudi de les forces característiques per induir transicions moleculars) i els teoremes de fluctuació (que proporcionen estimacions de l'energia lliure mitjançant mesures irreversibles). Alguns exemples poden trobar-se en els estats cinètics i metaestables relacionats amb el plegament mecànic -com els estats intermedis i mal plegats-, en la interacció intermolecular, o en estats metaestables que es donen en reaccions de polimerització -com la translocació dels motors moleculars.

Nanoscience and Nanotechnology have experienced a tremendous growth in few years. Nanotechnologies are the design, characterization, production and application of structures, devices and systems by controlling shape and size at nanometer scale. Carbon exists in several forms, depending on how the carbon atoms are arranged, their properties vary. One of the carbon forms is carbon nanotubes, which are capped at each end by half of a fullerene, and have aroused great interest in the research community because of their exotic electrical, thermal and mechanical properties. MWCNTs and SWCNTs were discovered in 1991 and 1993, respectively, by Ijima. A single-wall carbon nanotube can be described as a graphene sheet rolled into a cylindrical shape so that the structure has one-dimensional axial symmetry. Carbon nanotubes (CNTs) have unique characteristics that allow them to act as electrodes in charge storage devices, sensors and traps for pollutants, among others. On the one hand, for applications that require a certain amount of energy in pulse form, the traditional capacitors used in electronic circuits are not suitable because they cannot store enough energy in the volume and weight available. However, given the characteristics of CNTs that have a narrow size distribution, large specific surface area, low resistivity and high stability, CNTs have been regarded as a suitable material for electrodes in supercapacitors. On the other hand, the development of new systems, based in CNTs, which could overcome some of the current limitations in the capture of emerging pollutants in fluids, such as nanometric particles (being, moreover, difficult to detect) and organic pollutants at very low concentrations, is an additional objective of the present thesis. Water plasma and nitrogen plasma treatments were performed to remove amorphous carbon and to functionalize the surface of CNTs with different oxygen or nitrogen groups. Conditions of plasma treatments were optimized by adopting a Box-Wilson experimental design. Various microscopic and spectroscopic techniques were used to characterize the morphology, structure and elemental compositions before and after the plasma treatments. Electrochemical measurements show that water plasma treatment significantly increases the active surface area of CNTs, and nitrogen plasma is more effective to improve the charge transfer. Both nitrogen and water plasma raise the capacitance of CNTs notably in comparison to untreated CNTs. Manganese dioxide was deposited by galvanostatic method on untreated CNTs and plasma treated nanotubes. The MnO2 structure changes from nanoflower (as deposited) to needle like or to a layer coating on the surface of CNTs depending on the voltage applied during the cycling measurements. CNTs treated with 75 W plasma power and 10 Pa nitrogen pressure, and further functionalized with MnO2, exhibit the highest specific capacitance obtained in this thesis; 955 Fg-1 at 10 mVs-1. This value is almost 87% of the theoretical value for MnO2. The structural evolution of CNTs during water assisted growth has also been studied. The obtained length of CNTs was ~ 800 µm on silicon wafer. Transfer of ultralong CNTs on conductive adhesive aluminum tape was carried out using a novel methodology that lowers the series resistance of the electrode. The specific capacitance of CNTs/Al increases from 87 to 148 Fg-1 for untreated and water plasma treated CNTs/Al, respectively. In addition, we found that for a successful and faster growth of CNTs on copper substrate, strong adhesion of the buffer layer (Al2O3) is essential. A multilayered setup (Cu/Ni/Ti/Al2O3) prior to catalyst deposition boosts the growth rate and quality of CNTs. Vertically-aligned CNTs were synthesized on quartz fiber filters for environmental applications. Three chlorinated VOCs; trichloroethylene, chloroform and 1,2-dichlorobenzene were used to study the adsorption/desorption properties of CNTs/QF. The ability to detect or remove organic pollutants increases after the water plasma treatment, which functionalizes the CNTs surface and removes the catalyst from the top of CNTs (inner cavities are available for use). We found that molecules with aromatic rings present stronger interactions with CNTs (Phi-stacking). / La nanociencia y la nanotecnología han experimentado un enorme crecimiento en pocos años. Una de las formas del carbono son los nanotubos de carbono, que están limitados en cada extremo por medio fulereno, y que han despertado un gran interés en la comunidad científica debido a sus exóticas propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas. Un nanotubo de carbono de pared simple puede ser descrito como una hoja de grafeno enrollada en forma cilíndrica de modo que la estructura tiene una simetría axial. Los nanotubos de carbono (CNTs) tienen características únicas que les permiten actuar como electrodos en dispositivos de almacenamiento de carga, sensores y adsorción de contaminantes, entre otros. Los principales objetivos de esta tesis son la síntesis de CNTs sobre los diversos sustratos para aplicaciones de almacenamiento de carga (supercondensadores) y ambientales. Tratamientos de plasma de agua y nitrógeno se realizaron para eliminar el carbono amorfo y funcionalizar la superficie de los CNTs con diferentes grupos de oxígeno o nitrógeno. Las condiciones de los tratamientos de plasma fueron optimizados mediante la utilización de un diseño experimental de Box-Wilson. Las medidas electroquímicas muestran que el tratamiento con plasma de agua aumenta significativamente el área superficial activa de los CNTs, y el plasma de nitrógeno es más eficaz para mejorar la transferencia de carga. Tanto el plasma de nitrógeno como el de agua aumentan la capacidad de los nanotubos de carbono en comparación con los CNTs no tratados. El dióxido de manganeso se depositó electroquímicamente mediante el método galvanostático sobre los nanotubos de carbono sin tratar y tratados con plasma. La estructura de MnO2 cambia de una estructura de “nanoflor” (inicialmente) a una en forma tipo aguja o de capa superficial en función del voltaje aplicado durante los experimentos de ciclado. Los CNTs tratados con 75 W de potencia de plasma y 10 Pa de presión de nitrógeno, y posteriormente funcionalizados con MnO2, exhiben la capacitancia específica más alta obtenida en esta tesis; 955 Fg-1 a 10 mVs-1. Este valor es aproximadamente el 87% del valor teórico para MnO2. La evolución estructural de los nanotubos de carbono durante su crecimiento asistido por agua ha sido estudiada. La longitud obtenida de los CNTs es de ~ 800 micras sobre una oblea de silicio. La transferencia de CNTs ultralargos a una cinta adhesiva de aluminio conductor se llevó a cabo utilizando una metodología novedosa que reduce la resistencia en serie del electrodo. La capacidad específica de los CNTs / Al aumenta de 87 a 148 Fg-1 para los CNTs / Al sin y con tratamiento de plasma de agua, respectivamente. Una configuración de múltiples capas (Cu/Ni/Ti/Al2O3) antes de depositar el catalizador aumenta la velocidad de crecimiento y la calidad de los CNTs. CNTs verticalmente alineados se sintetizaron sobre filtros de fibra de cuarzo para aplicaciones ambientales. Tres compuestos orgánicos volátiles clorados; tricloroetileno, cloroformo y 1,2 diclorobenceno se utilizaron para estudiar las propiedades de adsorción / desorción de CNTs / QF. Se vio que las moléculas con anillos aromáticos presentan interacciones más fuertes con los nanotubos de carbono (apilamiento de tipo pi).

Tesi realitzada a l'Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) / The present thesis is included in the field of nanobioelectricity. That is, understanding the electrical properties of biological specimens at the nanoscale (< 200 nm). To do so we used an electrical variation of the Atomic Force Microscope called Electrostatic Force Microscope (EFM). By the application of a novel methodology (experimental and theoretical) we were able to obtain electrical polarization properties of single bacteria. Firstly the methodology was applied to calibration samples were the dielectric constant was already known. The obtained value for a silicon nitride sample was 7.6 and the nominal value for this material is 6-8 (depending on stoichometry). Also a silicon oxide sample was studied obtaining a dielectric constant of 3.9 while the nominal value is 4. Both calculations validate the used methodology. Moving to bacteria we found that the effective dielectric constant, for the four bacterial types investigated (Salmonella typhimurium, Escherchia coli, Lactobacilus sakei, and Listeria innocua) is around 3-5 under dry air conditions. Under ambient humidity, it increases to 6-7 for the Gram-negative bacterial types (S. typhimurium and E. coli) and to 15-20 for the Gram-positive ones (L. sakei and L. innocua). We show that the measured effective dielectric constants can be consistently interpreted in terms of the electric polarization properties of the biochemical components of the bacterial cell compartments and of their hydration state. These results demonstrate the potential of electrical studies of single bacterial cells. Finally a comparison of these results with smaller ones (namely nanoparticles and viruses) was performed in the theoretical side obtaining that the geometrical factors of the sample have a larger influence in the small objects. Also it was concluded that while there exist some analytical approximations to work with them, these are not applicable to larger objects like bacteria. This work confirms that dielectric measurements of single bacterial cells can be correlated with the electric polarization response of their biochemical constituents and their internal structure, thus opening interesting possibilities for analytical studies based on the biological electric polarization properties (also with smaller biological entities). / La present tesi està inclosa en l'àmbit de la nanobioelectricitat. És a dir, la comprensió de les propietats elèctriques de les mostres biològiques a escala nanomètrica (< 200 nm ). Per a això es va utilitzar una variant elèctrica del Microscopi de Força Atòmica (AFM) anomenat Microscopi de Força Electrostàtica (EFM). Mitjançant l'aplicació d'una metodologia nova (experimental i teòrica) hem estat capaços d'obtenir propietats de polarització elèctrica de bacteris individuals. En primer lloc es va aplicar la metodologia a certes mostres de calibratge amb constant dielèctrica ja conegudes. El valor obtingut per a una mostra de nitrur de silici va ser de 8.2 i el valor nominal d'aquest material és de 7-8 (depenent de la estoicometria). Passant als bacteris, es va trobar que la constant dielèctrica efectiva, per als quatre tipus de bacteris investigats (Salmonella typhimurium, Escherichia coli, Lactobacilus sakei, i Listeria innocua) és al voltant de 3-5 en condicions d'aire sec. En virtut de la humitat ambiental, aquesta augmenta a 6-7 per als tipus de bacteris Gram-negatius (S. typhimurium i E. coli) i a 15-20 per als Gram-positius (L. sakei i L. innocua). Es demostra que les constants dielèctriques eficaces mesurades poden ser interpretades consistentment en termes de les propietats de polarització elèctriques dels components bioquímics dels compartiments cèl•lulars i del seu estat d'hidratació. Finalment una comparació d'aquests resultats amb objectes més petits (és a dir, nanopartícules i virus) en el seu aspecte teòric va concloure que els factors geomètrics de la mostra tenen una major influència en els objectes petits. També es va concloure que, si bé hi ha algunes aproximacions analítiques per treballar amb ells, aquestes no són aplicables a objectes més grans, com ara els bacteris. Aquest treball confirma que les mesures dielèctriques de cèl•lules bacterianes individuals es poden correlacionar amb la resposta de polarització elèctrica dels seus constituents bioquímics i la seva estructura interna, obrint així possibilitats interessants per als estudis analítics sobre la base de les propietats biològiques de polarització elèctrica (cosa també certa en entitats biològiques més petites).

In 2004 there were newly conditions for a scientific revolution, with very important technology implications and yet to be completely developed. It is the isolation of atomic carbon layers, better known as graphene, whose extreme mechanical and electronic properties stand out above all known materials: it presents the highest electron mobility, ambipolarity, it supports large current densities, the highest elastic modulus, increased thermal conductivity, it shows high impermeability, and reconciles fragility and ductility. The study of graphene was about to be the next step to the boom in nanotechnology. In this case, the system to consider is purely two-dimensional, being the thinnest structure known to date. In 2010, this discovery was acknowledged with the Nobel Prize to the scientists A. Geim and K. Novoselov from the Manchester University (UK). The goal of the project, in which this thesis was framed, is to develop new materials in ultrathin structures of few monoatomic layers, based on graphene, with extreme surface properties (very high wear resistance, ultra low friction and surface energy, extreme chemical resistance, biocompatibility) for biomedical applications. The scope of this objective is to overcome the limitations of current techniques in terms of the growth surface of graphene (of some .m2) and to extend the possible applications of graphene to systems and devices requiring macroscopic size surfaces. For this purpose, the thesis had different tasks consisting of: a) The design and construction of a new high vacuum reactor in the Clean Room of the Universitat de Barcelona that works with high-temperature chemical vapor deposition (CVD) and magnetron sputtering. b) Study of the principles of a CVD process of graphene on metals, and development of a modified CVD method based on pulses of gas (methane), which will reduce the current deposition times to 1-10 s, pressure of 10-4 Pa, quantity of precursor gas needed, and temperature (900-1000 °C), to grow high quality graphene. c) Fabrication of graphene layers on metal substrates, sputtered copper/nickel and copper foils, of large area and high quality by this modified CVD technique, focusing on obtaining the material as effectively as possible towards an implementation on applications. d) Characterization of the graphene obtained through different techniques in order to optimize its physical and surface properties, as well as the CVD method; such as structural and morphological studies by Raman spectroscopy, SEM and Optical Microscopy. In addition to a transfer process from copper to silicon. e) Fabrication and characterization of graphene layers by means of mechanical exfoliation of graphite on silicon in order to characterize the electrical properties to fabricate a graphene-based FET. Exfoliated samples were also used to study the effect of the SHI irradiation with glancing angles on the surface. The thesis is then, divided into four main parts. The Part I will introduce the state of the art of graphene as novel material and its outstanding properties, its discovery, and all the technologies that triggered its development during these years until the first applications. The Part II will describe the experimental setups used throughout this work, regarding the fabrication and characterization of substrates by magnetron sputtering, the growth mechanisms of the new developed CVD system, and a brief explanation of the fundamentals of each technique. In the part III, a complete review of all the results of the samples obtained by mechanical exfoliation of graphite and CVD on copper will be exposed; together with their characterization. Part IV includes the main conclusions of the work, which are summarized. Afterwards, a list of the scientific results published is shown, as well as the contributions in conferences and meetings. In the end of the manuscript, an Appendix with three sections is shown: a complete CVD review, the abstract of the patent developed during this thesis, and a complete list of all the samples produced. / En 2004, A. Geim y K. Novoselov (Universidad de Manchester, UK), aislaron por primera vez una capa atómica de carbono (la estructura más fina hasta la fecha), más conocido como grafeno, cuyas propiedades mecánicas y electrónicas extremas permanecen por encima de todos los materiales conocidos: la más alta movilidad electrónica, ambipolaridad, soporta grandes densidades de corriente, el más alto módulo elástico, más conductividad térmica, alta impermeabilidad, y reconcilia fragilidad y ductilidad. El estudio del grafeno estaba a punto de ser el siguiente paso en el boom de la Nanotecnología cuando en 2010, este descubrimiento recibió el Premio Nobel. El objetivo de la tesis es superar las limitaciones de las técnicas actuales en cuanto a la superficie de crecimiento del grafeno (de algunas micras) y extender las posibles aplicaciones a sistemas y dispositivos que requieran de superficies macroscópicas. Para este propósito, esta tesis tuvo diferentes fases que consistieron en: a) El diseño y construcción de un nuevo reactor de alto vacío, que lleva a cabo procesos de Depósito Químico de Vapor (CVD) a altas temperaturas y pulverización catódica. b) Estudio de los principios del crecimiento del grafeno en metales, y desarrollo de un método CVD modificado basado en pulsos de gas (metano), que reduce el tiempo de depósito a 1-10 s, presión de 10-4 Pa, cantidad de gas precursor necesario, y la temperatura (900-1000 °C). c) Fabricación de grafeno de gran área y alta calidad en sustratos metálicos, cobre/níquel depositado y láminas de cobre, mediante este CVD modificado. d) Caracterización del grafeno obtenido mediante diferentes técnicas con el fin de optimizar sus propiedades físicas y superficiales, así como el método CVD; estudios estructurales y morfológicos con espectroscopia Raman, microscopía electrónica y óptica. Además de un proceso de transferencia de cobre a silicio. e) Fabricación y caracterización de grafeno obtenido mediante exfoliación mecánica de grafito sobre silicio para caracterizarlo eléctricamente y fabricar un transistor de Efecto Campo. Las muestras exfoliadas fueron usadas también para estudiar el efecto de la radiación de SHI rasante sobre la superficie.

This thesis presents experimental work on developing rare-earth ions and Si nanostructures as a material platform for light emitting devices (LEDs) in the visible and near-infrared range. The realization of the different electroluminescent devices, based on a single, bi- or tri-layer approach of silicon oxide and/or silicon nitride co-doped or not with rare earth ions, is successfully performed. Several complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible fabrication techniques such as co-magnetron sputtering, plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and ion implantation are used. By using characterization techniques such as time of flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), secondary ion mass spectrometry (SIMS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy-filtered transmission electron microscopy (EFTEM), focused ion beam (FIB) and ellipsometry, the structural and compositional properties of the studied active layers are determined. In addition, electro-optical properties at room and at high temperatures (25 0C – 300 0C) under quasi-static and dynamic regimes are studied in both visible and near-infrared spectral region. Typically, the used electro-optical techniques have been current-voltage, capacitance-voltage, charge to breakdown, electroluminescence (EL)-current, EL-voltage and time-resolved EL. / Esta tesis presenta un trabajo experimental en el desarrollo de iones de tierras raras y nanoestructuras de Si como plataforma de materiales para dispositivos de emisión de luz (LEDs) en el rango visible e infrarrojo cercano. Se han fabricado diferentes dispositivos electroluminiscentes basados en capas simples, dobles o triples de óxido de silicio y/o nitruro de silicio dopados o no con tierras raras. Para ello se han empleado varias técnicas de fabricación compatibles con la tecnología CMOS; a saber, depósito de vapor químico asistido por plasma (PECVD), pulverización catódica mediante magnetrón, depósito de vapor químico a baja presión (LPCVD) e implantación de iones. Así mismo, las propiedades estructurales y de composición de las capas fabricadas han sido determinadas mediante el uso de técnicas de caracterización tales como TOF-SIMS, SIMS, XPS, EFTEM, FIB y elipsometría. Además, a temperatura ambiente y altas temperaturas (25 0C – 300 0C) se han estudiado las propiedades electro-ópticas en los regímenes cuasi-estático y dinámico. Por lo general, las técnicas electro-ópticas empleadas fueron corriente-voltaje, capacitancia-voltaje, estudio de carga hasta la ruptura, electroluminiscencia (EL)-corriente, EL-voltaje y EL resuelta en tiempo.

Este trabajo se enmarca dentro de la modelización óptica y estructural de capas delgadas semiconductoras, particularmente de óxidos conductores transparentes del tipo ZnO y ZnO:Al, así como de capas dopadas tipo p y tipo n de µc­Si:H, todas ellas con propiedades para ser utilizadas como parte integral de células solares tipo p-i-n de a-Si:H y de µc-Si:H. A partir de un modelo óptico de medio efectivo basado en medidas de transmitancia y reflectancia, se caracteriza la microestructura de capas delgadas de los materiales previamente mencionados. Estos resultados son contrastados con los obtenidos mediante técnicas de caracterización morfológica y estructural tales como microscopía de fuerzas atómicas (AFM) espectroscopia Raman, difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y de trasmisión (TEM). Posteriormente, con la experiencia adquirida del análisis microestructural de las muestras estudiadas, se realiza la modelización microestructural de una célula solar completa tipo p-i-n depositada sobre un substrato rugoso comercial. El presente trabajo está estructurado en 4 bloques. En el primer bloque se estudian los fundamentos teóricos de los modelos ópticos utilizados en el presente trabajo doctoral. En dicho estudio se describe la manera de deducir de los parámetros ópticos y estructurales de capas delgadas a partir de métodos ópticos simples, basados en medidas de transmitancia y reflectancia espectral y del ajuste de las medidas experimentales. Esto se lleva a cabo utilizando diferentes aproximaciones tales como el método de suma aplicado a capas delgadas homogéneas y heterogéneas, y finalmente utilizando un método matricial y la aproximación de Medio Efectivo para modelizar la microestructura de las capas delgadas semiconductoras. Finalmente se presentan 2 modelos que permiten tratar la rugosidad en la caracterización microestructural de capas delgadas. El primero de ellos utilizado en capas muy delgadas o en aquellas que tienen una rugosidad rms srms inferior a 10-15 nm, y el segundo modelo aplicado a 2 medios separados por una interfaz rugosa con (15 nm = srms = 50 nm). En el segundo bloque se estudia la microestructura de series de capas delgadas de ZnO depositadas sobre substratos de vidrio tipo Corning 1737F a temperaturas de substrato variable comprendidas entre la temperatura ambiente y 200°C, y series de capas depositadas a igual temperatura de substrato (100°C) pero con diferente fracción de dopaje con Al2O3 en intervalo de (0.5-2 wt%). El análisis microestructural de este grupo de capas delgadas, con espesores entre 300 – 500 nm, se realizó a partir del cálculo de las constantes ópticas del material usando para ello el modelo de Sellmeier para el cálculo del índice de refracción n en todo el intervalo de longitudes de onda. El cálculo del coeficiente de absorción se realizó con la relación de Tauc en el frente de alta absorción. Con los datos de n, a y d se realiza una simulación del espectro experimental, y esta, a su vez, es mejorada usando un modelo de medio efectivo EMA a través de la inclusión de una pequeña capa superficial, la cual tiene como objeto simular la rugosidad superficial de las capas delgadas mediante la mezcla de pequeña fracción de microcavidades junto con los valores de las constantes ópticas previamente calculadas. Dicho estudio se ha correlacionado con los resultados obtenidos mediante técnicas de análisis morfológico y estructural tales como AFM, XRD y TEM. El tercer bloque aborda el estudio de las propiedades microestructurales de capas muy delgadas dopadas tipo p y tipo n de silicio microcristalino (µc-Si:H), que han sido obtenidas a baja temperatura de substrato mediante HWCVD con características para ser utilizadas en células solares tipo p-i-n basadas en a-Si:H y µc­Si:H. Este estudio se realizó mediante la aplicación de un modelo de EMA y, posteriormente, fue correlacionado con medidas de TEM. Los espesores estudiados se encuentran entre 20 y 60 nm, y todas las capas delgadas fueron caracterizadas microestructuralmente utilizando un modelo de 3 capas delgadas (capa superficial, zona de crecimiento y fase de incubación), los resultados obtenidos fueron correlacionados con medidas de AFM, espectroscopia Raman, y TEM. A partir de la correlación entre las técnicas se observó que el modelo óptico es fiable para reproducir la microestructura de una capa delgada sin importar su espesor. En el cuarto bloque se presenta la modelización óptica de una multiestructura de capas delgadas que, en este caso particular, correspondió a una célula solar tipo p-i-n de a-Si:H utilizando un modelo de medio efectivo basado en medidas de transmitancia y reflectancia. Este proceso se desarrolló en seis pasos, y consistió en primer lugar en caracterizar microestructuralmente las capas delgadas de manera individual depositadas sobre substrato plano y sobre substrato rugoso y, posteriormente, se fueron añadiendo una a una las capas que componen la célula y se estudió caso a caso hasta completar la célula solar. Finalmente, se analizaron algunas características de la microestructura de las capas que constituyen el dispositivo, tales como espesores, cristalinidad, réplica y propagación de la rugosidad, y algunos defectos estructurales propios del proceso de depósito de las mismas. Estas características fueron analizadas contrastando las microestructuras obtenidas por el modelo óptico frente a técnicas de microscopía tales como SEM y TEM. / Aquest treball de tesi s’emmarca dins de la modelització òptica i estructural de capes primes semiconductores, particularment d’òxids conductors transparents del tipus ZnO i ZnO:Al, així com de capes dopades tipus p i tipus n de µc-Si: H, totes elles amb propietats per ser utilitzades com a part integral de cèl·lules solars tipus p-i-n de a-Si:H i de µc-Si:H. A partir de ’mesures de transmitància i reflectància i mitjançant l’ús d’un model òptic de medi efectiu basat en, es caracteritza la microestructura de capes primes dels materials abans esmentats. Aquests resultats són contrastats amb aquells que han estat obtinguts mitjançant tècniques de caracterització morfològica i estructural tals com microscòpia de forces atòmiques (AFM) espectroscòpia Raman, difracció de raigs X (XRD), microscòpia electrònica de rastreig (SEM) i de transmissió (TEM). Posteriorment, amb l’experiència adquirida de l’anàlisi microestructural de les mostres estudiades, es realitza la modelització microestructural d’una cèl·lula solar completa tipus p-i-n dipositada sobre un substrat rugós comercial. Aquest treball s’ha estructurat en 4 blocs. Al primer bloc s’estudien els fonaments teòrics dels models òptics utilitzats en el present treball doctoral. En aquest estudi es descriu la manera de deduir dels paràmetres òptics i estructurals de capes primes a partir de mètodes òptics simples, basats en mesures de transmitància i reflectància espectral i de l’ajust de les mesures experimentals. Això es realitza mitjançant diferents aproximacions, tals com el mètode de suma aplicat a capes primes homogènies i heterogènies i, finalment, utilitzant un mètode matricial i l’aproximació de Medi Efectiu per modelitzar la microestructura de les capes primes semiconductores. Finalment es presenten 2 models que permeten tractar la rugositat en la caracterització microestructural de capes primes. El primer d’ells utilitzat en capes molt primes o en aquelles que tenen una rugositat rms srms inferior a 10-15 nm, i el segon model aplicat a 2 medis separats per una interfície rugosa amb (15 nm = srms = 50 nm). Al segon bloc s’estudia la microestructura de sèries de capes primes de ZnO dipositades sobre substrats de vidre tipus Corning 1737F a temperatura variable en el rang entre temperatura ambient i 200°C, i sèries de capes dipositades a igual temperatura de substrat (100°C) però amb diferent fracció de dopatge amb Al2O3 en el rang de (0.5 – 2 wt%). L’anàlisi microestructural d’aquest grup de capes primes, amb gruixos entre 300 - 500 nm, s’ha realitzat a partir del càlcul de les constants òptiques del material, utilitzant amb aquesta finalitat el model de Sellmeier per al càlcul de l’índex de refracció n en tot el rang de longituds d’ona. El càlcul del coeficient d’absorció s’ha dut a terme amb la relació de Tauc al front d’alta absorció. Amb les dades de n, a i d es realitza una simulació de l’espectre experimental, i aquesta, al seu torn, és millorada usant un model de medi efectiu EMA per mitjà de la inclusió d’una petita capa superficial, la qual té el propòsit de simular la rugositat superficial de les capes primes mitjançant la barreja d’una petita fracció de microcavitats, juntament amb els valors de les constants òptiques prèviament calculades. Aquest estudi s’ha correlacionat amb els resultats obtinguts mitjançant tècniques d’anàlisi morfològica i estructural tals com AFM, XRD i TEM. El tercer bloc aborda l’estudi de les propietats microestructurals de capes molt primes dopades tipus p i tipus n de silici microcristal·lí (µc-Si:H), que han sigut obtingudes a baixa temperatura de substrat mitjançant HW-CVD amb característiques per ser utilitzades en cèl·lules solars tipus p-i-n basades en a-Si:H i µcSi:H. Aquest estudi s’ha realitzat mitjançant l’aplicació d’un model d’EMA i, posteriorment, s’ha correlacionat amb mesures de TEM. El rang de gruixos estudiats es troba entre 20 i 60 nm, i totes les capes primes han estat caracteritzades microestructuralment emprant un model de 3 capes primes (capa superficial, zona de creixement i fase d’incubació), els resultats obtinguts han estat correlacionats amb mesures d’AFM, espectroscòpia Raman, i TEM. A partir de la correlació entre les tècniques s’ha observat s va observar que el model òptic és fiable per reproduir la microestructura d’una capa prima sense importar el seu gruix. En el quart bloc es presenta la modelització òptica d’una multiestructura de capes primes que, en aquest cas particular, correspon a una cèl·lula solar tipus p-i-n-de a-Si:H utilitzant un model de medi efectiu basat en mesures de transmitància i reflectància. Aquest procés s’ha desenvolupat en sis passos, i ha consistit, en primer lloc, en caracteritzar microestructuralment les capes primes de manera individual dipositades sobre substrat pla i sobre substrat rugós i, posteriorment, s’han anat afegint una a una les capes que componen la cèl·lula i s’ha estudiat cas a cas fins a completar la cèl·lula solar. Finalment, s’han analitzat algunes característiques de la microestructura de les capes que constitueixen el dispositiu, tals com gruixos, cristal·linitat, rèplica i propagació de la rugositat, així com defectes estructurals propis del procés de dipòsit de les mateixes. Aquestes característiques han estat analitzades contrastant les microestructures obtingudes pel model òptic davant tècniques de microscòpia tals com SEM i TEM. / The framework of this doctoral thesis is the optical and structural modelling of semiconductor thin films, particularly transparent conducting oxides such as ZnO and ZnO: Al, as well as doped layers p-type and n-type µc-Si:H, which are used as layers in a-Si:H and µc-Si:H p-i-n solar cells. Using the effective medium approximation optical model (EMA) on the transmittance and reflectance, the aforementioned materials have been structurally characterized. The results have been contrasted with those obtained by morphological and structural characterization techniques such as atomic force microscopy (AFM) Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Finally, with the gained experience in the microstructural analysis of the samples, the modelling of a complete p-i-n solar cell deposited on a rough substrate type was performed. This doctoral thesis is divided into four sections. In the first section the theoretical bases of the optical models used in this work have been studied. The deduction of the optical and structural parameters of thin films from simple optical methods is presented. These methods are based on the measurement of spectral transmittance and reflectance, and the adjustment of experimental measurements. This is accomplished by using different approaches such as the addition method usually employed to homogeneous and heterogeneous thin films and, finally, using a matrix method and an effective medium approximation model to deduce also the microstructure of the semiconductor thin films. Finally, we present two models that allow treating the roughness on microstructural characterization of thin films. The first one is used in very thin layers or layers with an rms roughness srms values lower than 10-15 nm, and the second model applied to media separated by an interface with roughness in the range of (15 nm = srms = 50 nm). In the second section we deal with the microstructure of the ZnO thin films series deposited on Corning 1737F glass substrates at different substrate temperatures in the range between room temperature and 200°C and a series of layers deposited at 100 °C, but with different doping concentration of Al2O3 in the range of (0.5 – 2 wt %). The microstructural analysis of this group of thin films having a thickness of 300-500 nm was made from the calculation of the optical constants of the material, by using the Sellmeier model to calculate the refractive index over the range of wavelengths. The absorption coefficient calculation was performed using the Tauc relation in the high absorption region. With the data of n, a d we can simulate the experimental spectra of T(.) and R(.). This fitting is further improved by using a model of effective medium approximation EMA and the addition of a very thin surface layer, which is intended to simulate the surface roughness of the thin layers. This surface layer is formed by a mixture of voids and the material with the optical constants previously calculated. This study has been correlated with the results obtained by techniques of morphological and structural analysis such as AFM, XRD and TEM. The third section deals with the study of the microstructural properties of very thin p-type and n-type doped layers of microcrystalline silicon µc-Si:H, which were deposited at low substrate temperature by HWCVD and were suitable to be used in p-i-n solar cells based on a-Si:H and µc-Si:H. This study was conducted by applying a model of EMA, and subsequently has been validated with TEM and HRTEM measurements. The thickness range studied was between 20 and 60 nm, and all the thin films were microstructurally characterized by using a 3-thin-layer model (surface layer, bulk area and the incubation area), the results were also correlated with measures of AFM, Raman spectroscopy, and TEM. From the correlation between the techniques it was noticed that the optical model is reliable to reproduce the microstructure of a thin layer regardless of its thickness. The fourth section is about the study of the optical modelling of a multi-structure system of thin layers, which particularly corresponds to an a-Si: H p-i-n solar cell, using a model of EMA based on measurements of spectral transmittance and reflectance. This process was developed in six steps, and consisted first in microstructural characterization of individually thin layers deposited on flat substrate and later on rough substrate. Subsequently were added one by one the layers that make the cell up. Finally, some features of the microstructure of the layers constituting the photovoltaic device such as thickness, crystallinity, roughness replica and propagation of the surface roughness, and some structural defects typical of the deposition process are analysed. These features were tested by contrasting the microstructures obtained by the optical model versus microscopy techniques such as SEM and TEM.

Les tecnologies de sensors de gas basades en semiconductors presenten limitacions importants de selectivitat i consum d'energia. Per tant, esdevé necessari l’assaig de nous conceptes de dispositius capaços de satisfer aquests dos requeriments per aplicar-los en plataformes mòbils. En aquesta tesi es presenta una tecnologia de sensors altament selectiva i autònoms des d’un punt energètic, incloent la seva avaluació experimental i l’anàlisi dels mecanismes físico-químics de detecció subjacents. S´han fabricat materials nano-híbrids, basats en nanofils inorgànics (NWs), funcionalitzats amb monocapes “auto-acoblades” (SAMs). A la dissertació es mostren les extraordinàries característiques en termes de selectivitat i sensibilitat de gas que exhibeixen aquests materials; els estudis teòrics són consistents amb les observacions experimentals disponibles i permeten identificar l'estructura electrònica dels orbitals moleculars de frontera SAM, que és el paràmetre crucial per a garantir una interacció eficaç entre el sensor i els gasos. A més a més, es presenta un nou concepte de sensor autònom sobre la base d'una heteroestructura p-Si/n- ZnONW que respon exclusivament a la llum solar sense necessitar d’altres fonts d'energia externes. Els canvis de la tensió de circuit obert (alfa-Voc), que s’utilitzen per controlar la presència d'espècies de gasos, mostren una correlació directa amb la densitat de portadors de càrrega (Nd) al nanofil de n-ZnO. Finalment, es presenta l’aplicació de tècniques de microfabricació en el disseny d’un dispositiu que integra els conceptes de selectivitat i autonomia energètica, capaç per tant de detectar concentracions de NO2 rellevants per a aplicacions de seguretat (nivell de ppb) sense la necessitat de fonts d'energia externes. La mida compacta, la baixa demanda d'energia i la robustesa de la tecnologia fan que el concepte de sensor que aquí es presenta sigui molt prometedor per a la seva integració futura en plataformes electròniques mòbils. / Contemporary semiconductor based gas sensor technologies could already prove their high sensitive characteristics but exhibit crucial debilities in terms of target selectivity and power consumption. As both criteria have to be fulfilled for the application in mobile sensor platforms, new device concepts are needed. Within the here presented thesis the development of a highly selective and self-powered as well as experimental evaluations and analysis of the underlying sensing mechanisms are presented. First, hybrid nano materials are fabricated, based on inorganic nanowires (NWs) functionalized with self-assembled monolayers (SAMs), and show extraordinary characteristics in terms of gas selectivity and sensitivity. Theoretical mechanistic studies are consistent with the experimental observations and identify the electronic structure of the SAM frontier molecular orbitals as crucial parameter for efficient sensor-gas interactions. Furthermore, a novel self-powered sensor concept is presented based on a p-Si/n-ZnO NW heterostructure that is solely driven by solar light and without the need of external energy sources. Changes of the open cirquit voltage (alpha-Voc) that are used to monitor the presence of gas species are shown to correlate with the charge carrier density (Nd) within the n-ZnO NW upon gas-sensor interactions. Finally, microfabrication techniques are applied to unify the selective and self-powered concepts within a single sensor device that is capable to selectively and quantitatively detect NO2-gas concentrations within security relevant concentrations (ppb level) and without the need of external energy sources. The compact size, low energy demand and validity of signal information make the here presented sensor concept very promising for the integration into mobile electronic platforms.

Tesi vinculada a l'Institut de Ciències del Cosmos / The aim of this thesis is to present a solution for the readout of Silicon Photo-Multipliers (SiPMs) arrays improving currently implemented systems. Using as a starting point previous designs with similar objectives a novel current mode input stage has been designed and tested. To start with the design a valid model has been used to generate realistic output from the SiPMs depending on light input. Design has been performed in first place focusing in general applications for medical imaging Positron Emission Tomography (PET) and then using the same topology for a more constrained design in particle detectors (upgrade of Tracker detector at LHCb experiment). A 16 channel ASIC for PET applications including the novel input stage has demonstrated an excellent timing measurement with good energy resolution measurement and pile-up detection. This document starts with the analysis of the requirements needed to fit such a system, followed by a detailed description of the input stage and analog processing. Signal is divided in the input stage into three different signal paths: timing, energy and pileup. Every channel performs different signal analysis to deliver; a fast time signal output (digital edge), energy output (a linear time over threshold digital output) and a digital bit to signal pile-up. The time information is then ORed between all channels to generate a single timing output. All the pile-up bits are combined in a digital word ready to be readout for the 16 channels. Design has been optimized for reduced power consumption and no components needed to interface inputs and outputs. Digital slow control to tune the circuit behaviour is also included. The prototype measurements have proved to be a valid option for integration in a full system scanner. An adapted prototype of the input stage using different technology and adapted to the different constraints from a particle detector is also presented. Only simulation results are available since device is still under production. An analysis of the different requirements needed by the SciFi tracker design is summarized. Current specifications are still evolving since final sensor is still not defined, but other requirements and some tunable elements permits to design such prototypes. / L’objectiu d’aquesta tesi és presentar una solució per a la lectura de matrius de fotomultiplicadors de silici (SiPM) millorant les característiques de sistemes actuals. Amb aquesta finalitat s’ha dissenyat i provat el circuit d’una nova etapa d’entrada. En primer lloc s’ha dissenyat pensant en aplicacions genèriques i per a imatge mèdica, concretament per a escàners PET (Positron Emission Tomography). Però més endavant s’aplica la mateixa topologia per a una aplicació més concreta i específica com és un detector de partícules (l’actualització del Tracker a l’experiment LHCb). Els SiPM són uns dispositius electrònics relativament nous amb la possibilitat de comptar fotons i millorant algunes característiques dels sensors actuals, com serien la tensió d’operació més baixa, més guany o immunitat a camps magn`etics, mentre manté unes prestacions excel•lents respecte el guany, resolució temporal i rang dinàmic. Aquest tipus de dispositius es troben en constant evolució encara i una gran varietat de fabricants intenten millorar les prestacions, sobretot respecte la eficiència en la detecció de llum, reduir el corrent d’obscuritat, construir matrius més grans i augmentar l’espectre al qual són sensibles. En aquest document es presenta el disseny d’un circuit integrat específic amb les següents característiques: gran rang dinàmic, alta velocitat, multicanal, amb entrada en corrent i baixa impedància d’entrada, baix consum, control de la tensió de polarització del SiPM i amb les sortides de; temps, càrrega i apilament.

Quantum cryptography is one of the most important quantum information applications. The present thesis covers several topics on quantum cryptography, such as the security analysis of quantum channels for key distribution protocols and the study of quantum cloning.First, we introduce a general formalism to characterize the cryptographic properties of quantum channels in the realistic scenario where the two honest parties employ prepare and measure protocols and the known two-way communication reconciliation techniques. We derive a necessary and sufficient condition to distill a secret key using this type of schemes for arbitrary bipartite quantum systems of finite dimension. The obtained results suggest that there may exist weakly entangling channels useless for key distribution using prepare and measure schemes.Next, we consider Gaussian states and Gaussian operations for cryptographic tasks and derive a new security condition. As it happens for quantum systems of finite dimension, our results suggest that there may also exist weakly entangled Gaussian states useless for key distribution, using Gaussian operations. Finally, we study the connection between cloning and state estimation.It was a long-standing problem to show whether state estimation becomes equivalent to quantum cloning in the asymptotic limit of an infinite number of clones. The equivalence is proven here using two known results in quantum information theory, the monogamy of quantum states and the properties of entanglement-breaking channels.