A microscopic description of the many-body properties of anisotropic homogeneous gases of bosonic dipoles in two dimensions is presented and discussed. By changing the polarization angle with respect to the plane, we study the impact of the anisotropy, present in the dipole-dipole interaction on different physical quantities. We restrict the analysis to the range of polarization angles where the interaction is always repulsive, although the strength of the repulsion can be strongly dependent on the orientation with respect to the polarization field. We present a study of the zero energy two-body problem which allows us to find the scattering length of the interaction and to build a suitable Jastrow many-body wave function that will be used as a trial wave function for Monte Carlo simulations of the bulk two-dimensional system of bosonic dipoles. In the first part of this work we have studied the low-density dipolar Bose gas and we find that the anisotropy has an almost negligible impact on the ground state properties of the many-body system in the universal regime where the scattering length governs the physics of the system. We also show that scaling in the gas parameter persists in the dipolar case up to values where other isotropic interactions with the same scattering length yield different predictions. We also evaluate the excitation spectrum of the dipolar Bose gas in the context of the Feynman approximation and compare the results obtained with the Bogoliubov ones. As expected, we find that these two approximations agree at very low densities, while they start to deviate from each other as the density increases. When the density of the system is increased we find that the behavior of the system depends on the value of the polarization angle of the dipolar moments of the system. At large densities and moderate values of the polarization angle the system undergoes a first-order quantum phase transition from a gas and a crystal phase. We also find that the anisotropy of the dipole-dipole potential causes an elongation of the crystalline lattice of the system in the direction where the interaction is stronger. At large polarization angles and moderate densities the system undergoes a second-order quantum phase transition from a gas to a stripe phase. Interestingly, the critical exponents of this second order transition are nearly independent of the tilting angle and are compatible with the 3D Ising and 3D XY model universality classes within the statistical uncertainty of our simulations. Finally, at high densities and large tilting angles the system shows a first order phase transition between the crystal and stripe phases. The slope of this transition curve is extremely large indicating that, due to the anisotropy of the interaction, the crystal phase of the system is no longer stable if the dipole - dipole potential is highly anisotropic. We consider the ground state of a bilayer system of dipolar bosons, which is a configuration consisting in the continement of the particles in two paralel planes by means of a trapping potential. We consider the simplest situation where dipole moments are oriented by an external field in the direction perpendicular to the parallel planes. Quantum Monte Carlo methods are used to calculate the ground-state energy, the one-body and two-body density matrix as a function of the separation between layers. We find that by decreasing the interlayer distance for fixed value of the strength of the dipolar interaction, the behavior of all the physical observables studied are compatible with the existence of a second order phase transition modulated by the inter-layer distance. In this sense, the results presented in this work are in good agreement with some previous studies of dipolar gases in a bilayer setup / En este trabajo presentamos una descripción de las propiedades de los gases homogéneos de dipolos bosónicos en dos dimensiones. Cambiando el ángulo de polarización respecto a la perpendicular al plano donde las partículas están confinadas estudiamos el impacto de la anisotropía de la interacción dipolar en diferentes magnitudes físicas. El análisis se restringe al rango de ángulos de polarización en que la interacción es repulsiva aunque la intensidad pueda depender fuertemente de la orientación respecto a la dirección de polarización. El análisis del problema a dos cuerpos a energía cero nos permite evaluar la longitud de difusión de la interacción y construir una función de onda de tipo Jastrow para el sistema de muchos cuerpos. Esta función de onda será usada como función de prueba para las simulaciones Monte Carlo del sistema homogéneo de dipolos bosónicos en dos dimensiones. En la primera parte de la tesis hemos estudiado el gas de Bose dipolar en el régimen de bajas densidades, observando que el impacto de la anisotropía es negligible en las propiedades macroscópicas en el regimen donde la longitud de difusión gobierna la física del sistema. Hemos comprobado también que el escalado en el parámetro de gas persiste en el caso dipolar hasta valores donde otras interacciones isótropas con la misma longitud de difusión llevan a distintas predicciones. Hemos evaluado el espectro de excitaciones elementales del gas de Bose dipolar en el contexto de la aproximación de Feynman, comparando los resultados con los obtenidos mediante la aproximación de Bogoliubov. Como cabría esperar, las dos aproximaciones coinciden a bajas densidades y se alejan progresivamente al aumentar la densidad. Al aumentar la densidad del sistema vemos que el comportamiento del gas depende del valor del ángulo de polarización de los momentos dipolares. A altas densidades y valores moderados del ángulo de polarización el sistema experimenta una transición de fase de primer orden pasando de una fase gaseosa a una cristalina. Hemos observado también que la anisotropía de la interacción dipolar causa una elongación de la red cristalina en la dirección de interacción más intensa. Para valores elevados del ángulo de polarización y densidades moderadas el sistema muestra transición de fase, esta vez de segundo orden, en la que el sistema pasa de la fase gaseosa a una fase de bandas. Los exponentes críticos de esta transición de fase son independientes del ángulo de polarización y, dentro de los errores estadísticos de las simulaciones, son compatibles con las clases de universalidad del modelo de Ising y XY en tres dimensiones. Finalmente, a altas densidades y valores grandes del ángulo de polarización el sistema muestra otra transición de fase de primer orden entre la fase cristalina y la fase de bandas. La pendiente de esta curva de transición es extremadamente grande indicando que, debido a la anisotropía de la interacción, la fase cristalina deja de ser estable si el potencial de interacción dipolo-dipolo es muy anisótropo. En la última parte de la tesis estudiamos el estado fundamental de un sistema bicapa de dipolos bosónicos, que es una configuración en la que se confinan las partículas en dos planos paralelos mediante un potencial externo. Consideramos la situación más simple en la que los momentos dipolares están orientados por un campo externo en la dirección perpendicular a los planos. Hemos evaluado la energía del estado fundamental y las matrices densidad a uno y dos cuerpos en función de la distancia entre capas usando métodos Monte Carlo. Hemos encontrado que disminuyendo la distancia entre planos para un valor fijo de la intensidad de la interacción, el comportamiento de todos los observables estudiados es compatible con la existencia de una transición de fase de segundo orden modulada por la distancia entre capas. En este sentido, los resultados obtenidos en este trabajo muestran buen acuerdo con estudios previos de este sistema.

This thesis presents a three-dimensional dynamic model of a double-deck circular tunnel embedded in a full-space. The model uses the receptance method to obtain the response of the complete structure from the response of its parts. The considered subsystems are the interior floor and the tunnel-soil coupled system. The classical thin plate theory is considered to represent the behaviour of the first and the Pipe in Pipe model is chosen to describe the second. Because the complete model is assumed to be geometrically invariant in the train circulation direction, the coupling of both systems is performed in the wavenumber-frequency domain. After the model formulation, some important issues about its numerical computation are detailed and the obtained results are discussed. The response of a double-deck tunnel to a dynamic and to a quasistatic excitation is compared to the response obtained for a simple tunnel. The first comparison is done performing a power flow study of both tunnel structures when a harmonic line load is applied on them. The main differences between their radiation magnitudes and patterns are identified and discussed. The second comparison is done calculating the total amount of energy crossing a certain surface when a static load moving at a constant speed is considered. Results for a wide range of load speeds and radial distances are presented. A complete track-tunnel-soil model is finally obtained coupling a superstructure model to the interior floor model previously presented.

The main objective of this PhD thesis is the fluid dynamic characterization of the flow behind vortex generators (VG) as well as to investigate their influence in the separation of the boundary layer. CFD simulations have been carried out for the analysis of the flow downstream a single vortex generator on a flat plate. In order to evaluate the induced flow effect of the VG, a test case of a single rectangular VG has been designed and the flow have been numerically simulated and analyzed. Three-Dimensional steady state simulations at low Reynolds number have been performed using EllipSys3D CFD code and the computational results have been compared with experimental data. The self-similar behavior and the helical symmetry on the VG induced flow have been studied. The computations have demonstrated considerable reliability when reproducing the physics of the VG by a rectangular vortex generator. Furthermore, a detailed analysis of the equilibrium parameters has been made on a two-dimensional turbulent wake in two different test cases: a twin-plate and a symmetric airfoil (NACA0012). Both cases have been numerically analyzed and the computational results have been compared with experimental observations. The self-similar behaviour on the wake generated by a twin-plate and a symmetric airfoil has been tested and the CFD results match the experimental observations reasonably well.This thesis has been divided into five main parts:PART I. In this part is presented the importance of this research as well as the main motivation to carry out such work. An extensive description of the state of the art on vortex generators models is presented with high emphasis on wind turbine applications. Further, a very detailed explanation of the state of the art on self-similarity and on two-dimensional turbulent wake equilibrium is given.PART II. The three chapters of this part comprise the foundation of this thesis. In this part there is a detailed description of the vortex generator models used in this research, as well as a comparison of the computational results with the wind tunnel experiments carried out by Clara M. Velte, as a validation tool of the computations. The implementation of the BAY model into the EllipSys CFD code is described in Chapter 5 and it was performed in conjunction with N.N. S?rensen and P.E. Rethore. Finally a parametric study of the device angle dependency of a single VG on a flat plate is described in Chapter 7. Four different angles of attack have been selected for this parametric study: 20º, 25º, 30º and 35º.PART III. In this part, a self-similarity analysis has been made on a single rectangular VG on a flat plate. The simulations were able to capture the helical behaviour of the vortex generator wake with good accuracy when comparing with the experimental data. A very detailed description of the downstream evolution of the helical parameters in the computations is presented in this chapter 8 and compared with experimental results.

The analysis of the dynamic behaviour of rotating turbomachinery components is of relevant interest to avoid damages or fatigue problems in these parts. To determine the dynamic behaviour of a part of a structure it is necessary to perform an analysis of the free vibration of this part and a study of the excitation characteristic. The free vibration analysis (modal analysis) determines the natural frequencies and mode shapes of the structure. The excitation analysis gives the frequency content and the shape of the excitation. Hydraulic runners are very complex structures that are submerged and confined inside a casing. Particularly pump-turbine runners behave as disk-like structures at their first modes of vibration and they are excited with the well known Rotor-Stator Interaction (RSI) when they are under operation. In order to study the effect of the rotation, the confinement and the excitation on the dynamic behaviour of the structure in a systematic and clear way, a simplified model is needed. For this reason, in this thesis the dynamic behaviour of a rotating disk submerged in water and confined inside a casing has been analyzed analytically, experimentally and contrasted with simulation. Firstly, an analytical model for the analysis of the dynamic behaviour is presented. The natural frequencies and mode shapes of a rotating disk considering the surrounding flow are analytically determined with a simplified model. Also the response of the disk with different excitation patterns that simulates the RSI is analyzed. Finally the transmission from the rotating to the stationary frame is discussed. For the experimental analysis a rotating disk test rig has been developed. It consists of a rotating disk submerged and confined inside a casing. The disk has been excited from the rotating frame with piezoelectric patches (PZT) and with a special impact device. The response of the disk has been measured simultaneously from the rotating and from the stationary frame. The first several natural frequencies and mode shapes of the disk when it rotates in air and in water have been obtained in the rotating frame with miniature accelerometers screwed on the disk and contrasted with the analytical model presented and with a numerical FEM simulation. Only the diametrical modes, which are the most relevant and similar to the real hydraulic runners, have been considered in this study. The disk has been excited with several rotating excitation patterns that simulate the real RSI. The dynamic behaviour of the disk due to these excitation patterns has been determined experimentally and contrasted with the analytical model. / L'anàlisi del comportament dinàmic de components rotatius en turbomàquines és de gran interès per a evitar danys o problemes de fatiga en aquestes parts. Per determinar el comportament dinàmic d'una part d'una estructura és necessari dur a terme una anàlisi de la vibració lliure d'aquesta part i un estudi de la característica d'excitació. L'anàlisi de les vibracions lliures (anàlisi modal) determina les freqüències i modes propis de l'estructura. Amb l'anàlisi de l’excitació s’obté el contingut freqüencial i el mode de la excitació. Els rodets hidràulics són estructures molt complexes que es troben submergides i confinades dins d'una carcassa. Particularment els rodets de màquines turbina-bomba es comporten com a estructures en forma de disc en els seus primers modes de vibració i estan excitats amb la coneguda interacció rotor-estator (RSI) quan estan en funcionament. Per tal d'estudiar l'efecte de la rotació, el confinament i l'excitació en el comportament dinàmic de l'estructura d'una manera sistemàtica i clara, es necessita un model simplificat. Per això, en aquesta tesi el comportament dinàmic d'un disc giratori submergit en aigua i confinat dins d'una carcassa s'ha analitzat analíticament, experimentalment i contrastat amb simulació. En primer lloc, es presenta un model analític per a l'anàlisi del comportament dinàmic. Les freqüències i modes propis d'un disc giratori considerant el flux que l’envolta es determinen analíticament amb un model simplificat. També s'analitza la resposta del disc amb diferents patrons d'excitació que simulen la excitació RSI. Finalment es discuteix la transmissió del sistema rotatiu al sistema estacionari. Per a l'anàlisi experimental s'ha desenvolupat un banc de proves que consisteix d'un disc giratori submergit i confinat dins d'una carcassa. El disc ha estat excitat des del sistema rotatiu amb excitadors piezoelèctrics (PZT) i amb un dispositiu d'impacte especialment dissenyat. La resposta del disc s'ha mesurat simultàniament des del sistema rotatiu i des del sistema estacionari. Les primeres freqüències i modes propis del disc quan gira en aire i en aigua s'han obtingut des del sistema rotatiu amb acceleròmetres miniatura cargolats en el disc i s’han contrastat amb les obtingudes amb el model analític presentat i amb una simulació numèrica d’elements finits (FEM). Només els modes diametrals del disc, que són els més rellevants i similars als dels rodets hidràulics, s'han considerat en aquest estudi. El disc ha estat excitat amb diversos patrons d'excitació que simulen el veritable RSI. El comportament dinàmic del disc a causa d'aquests patrons d'excitació ha estat determinat experimentalment i contrastat amb el model analític. Finalment, s'ha realitzat l'anàlisi de la transmissió des del sistema rotatiu al sistema estacionari. Les freqüències i modes propis del disc s'han detectat amb diversos tipus de sensors col•locats al sistema estacionari. / El análisis del comportamiento dinámico de componentes rotativos en turbomáquinas es de gran interés para evitar daños o problemas de fatiga en estas partes. Para determinar el comportamiento dinámico de una parte de una estructura es necesario llevar a cabo un análisis de la vibración libre de esta parte y un estudio de la característica de excitación. El análisis de las vibraciones libres (análisis modal) determina las frecuencias y modos propios de la estructura. Con el análisis de la excitación se obtiene el contenido frecuencial y el modo de la excitación. Los rodetes hidráulicos son estructuras muy complejas que se encuentran sumergidas y confinadas dentro de una carcasa. Particularmente los rodetes de máquinas turbina-bomba se comportan como estructuras en forma de disco en sus primeros modos de vibración y están excitados con la conocida interacción rotor-estator (RSI) cuando están en funcionamiento. Para estudiar el efecto de la rotación, el confinamiento y la excitación en el comportamiento dinámico de la estructura de una manera sistemática y clara, se necesita un modelo simplificado. Por ello, en esta tesis el comportamiento dinámico de un disco giratorio sumergido en agua y confinado dentro de una carcasa se ha analizado analíticamente, experimentalmente y contrastado con simulación. En primer lugar, se presenta un modelo analítico para el análisis del comportamiento dinámico. Las frecuencias y modos propios de un disco giratorio considerando el flujo que lo rodea se determinan analíticamente con un modelo simplificado. También se analiza la respuesta del disco con diferentes patrones de excitación que simulan la excitación RSI. Finalmente se discute la transmisión del sistema rotativo al sistema estacionario. Para el análisis experimental se ha desarrollado un banco de pruebas que consiste de un disco giratorio sumergido y confinado dentro de una carcasa. El disco ha sido excitado desde el sistema rotativo con excitadores piezoeléctricos (PZT) y con un dispositivo de impacto especialmente diseñado. La respuesta del disco se ha medido simultáneamente desde el sistema rotativo y desde el sistema estacionario. Las primeras frecuencias y modos propios del disco cuando gira en aire y en agua se han obtenido desde el sistema rotativo con acelerómetros miniatura atornillados en el disco y se han contrastado con las obtenidas con el modelo analítico presentado y con una simulación numérica de elementos finitos (FEM). Sólo los modos diametrales del disco, que son los más relevantes y similares a los de los rodetes hidráulicos, se han considerado en este estudio. El disco ha sido excitado con varios patrones de excitación que simulan el verdadero RSI. El comportamiento dinámico del disco debido a estos patrones de excitación ha sido determinado experimentalmente y contrastado con el modelo analítico. Finalmente, se ha realizado el análisis de la transmisión desde el sistema rotativo al sistema estacionario. Las frecuencias y modos propios del disco se han detectado con varios tipos de sensores colocados en el sistema estacionario.

Rheology is a discipline of continuum mechanics that is concerned with the mechanical properties of matter as it flows. Key to the study of rheology is the concept that materials do not behave as Newtonian liquids of as heterogenous, homogenous mateirials, but as a combination of the two. This combination and blurring of the line between liquid and solid peoperties is knows as viscosity. Furthermore, the viscosity of a material or liquid will not necessarily remain constant when it is subjected input forces or stresses at different frequencies. This consideration brings with it the idea of viscoelasticity which can account for the variations in the characteristics of a sample medium.Magnetic tweezers are tools that allow examination of and investigation into the viscoelastic properties of a sample on the mesoscopic scale. Magnetic matter can be inserted into and bound onto a sample. This magnetic matter can then be manipulated using an external magnetic or electromagnetic field. Calibrated magnetic tweezers apparatus can be used to investigate the mechanical and viscoelastic properties of a material with the novel application of time-variant forcesand stresses. The resultant behaviour, or response, of the sample can be observed using a microscope and analysed further.Fibrin is the highly extensible, fibre-like protein that makes up blood clots. Its particularly high levels of extensibility combined with interesting material properties such as viscoelasticity can strain-hardening make it an ideal test sample for magnetic tweezers experiments. The high elastic limit of fibrin ensures that plastic deformation does not usually occur under the range of input forces and stresses exerted by magnetic tweezers. This allows non-destructive and repeatable tests to be performed.Magnetic tweezers have been developed and used in a series of experiments on fibrin to produce a viscoelastic characterisation of the fibrous networks. The key results in this work are the design of high-sensitivity apparatus for the experiments and associated techniques for high-frequency analysis, use of the tweezers with a high-speed CCD attached to a microscope and the analysis of the viscoelastic properties of fibrin over a several decades of frequency.

La sinterització de partícules d'Ag és una solució interessant com a material per "die-attach" pels mòduls de l'electrònica de potència, principalment per aplicacions d'alta temperatura, ja que ofereix les bones propietats de l'Ag (incloent el punt de fusió de 961 ºC) utilitzant una baixa temperatura de procés (< 300 ºC) . En aquest treball s'ha estudiat el procés per a la sinterització de partícules d'Ag i s’ha realitzat una anàlisi comparativa amb altres materials utilitzant cicles tèrmics. Primer, hem analitzat l'efecte dels principals paràmetres del procés de sinterització de la capa sinteritzada d'Ag amb l'objectiu d'obtenir informació per l'aplicació directa de pastes d'Ag en mòduls de potència, i així, comprendre els principals mecanismes que regulen les propietats d'aquest material. Aquesta tasca va requerir el desenvolupament de muntatges experimentals i eines específiques que van permetre establir les diferents condicions del procés. Els paràmetres de sinterització analitzats van ser: la pressió, temperatura, temps, mètode d’assecat de la pasta d'Ag i les condicions de la superfície del substrat. L'anàlisi basada en les microseccions FIB i els tests de "die-shear" van revelar que la densificació de la capa d'Ag i la seva adherència al substrat de Cu, milloren clarament amb major pressió i temperatura de sinterització, i que es veuen poc afectades pel temps de sinteritzat. Aquests fets evidenciaven que la perifèria del "die-attach" està fortament influenciada per l'ambient (aire) i que, en aquesta regió s’eliminen millor els components orgànics de la pasta d'Ag (durant l'etapa de secat) que en el centre. Aquest procés ha estat identificat com el més crític durant la sinterització i el mètode d’assecat sense el xip sobre la pasta, ha estat el que ha mostrat els millors resultats. Un resultat interessant de l'estudi és que, la pressió i la temperatura de sinterització es poden ajustar de forma complementària per obtenir una adhesió requerida (valor de "die-shear"). D'aquesta manera, el procés de sinterització es pot adaptar a diferents condicions de processat, com per exemple mostres compatibles amb altes pressions, però no amb altes temperatures o viceversa. També s'ha portat a terme una anàlisi comparativa del comportament termomecànic amb altres materials de "die-attach" (AuGe i PbSnAg) amb proves de cicles tèrmics severs (-65 ºC a 275 ºC) utilitzant vehicles de prova formats per varis xips (Si o SiC) i substrats (Cu sense metal·litzar i metal·litzats amb Ag i Au). Les mostres van ser ciclades (en un muntatge experimental desenvolupat específicament) i avaluades amb un protocol basat en el test de "die-shear" i inspeccions SAM, per a determinar els modes de fallada. La millor força de “die-shear” es va obtenir en tots els casos per a les partícules sinteritzades d'Ag, encara que la velocitat de degradació més alta va ser per a les mostres de plata sinteritzada assecades amb xip. En contrast, pel mètode d’assecat sense xip, el sinteritzat d'Ag mostra inclús millors resultats en el cicle tèrmic, que pels aliatges de soldadura. En quant al material semiconductor, els resultats dels cicles tèrmics mostren que la taxa de degradació és més ràpida per a les mostres amb SiC, que per a les elaborades amb Si, mentre que per al les soldadures (aliatges) el PbSnAg mostra millors resultats que l’AuGe. En aquest sentit es va realitzar un treball de simulació termomecànica per entendre els mecanismes de degradació durant el cicle tèrmic. Les simulacions van demostrar que els estressos normals més alts associats amb els canvis de temperatura es troben a la interfase "die-attach"/ substrat, amb els valors màxims a les cantonades del xip i a la seva perifèria. Aquests resultats expliquen qualitativament les imatges SAM que mostren patrons de delaminació concèntriques al "die-attach" i, a més a més, que els materials "més rígids" (amb major mòdul de Young, com SiC i AuGe) mostren taxes de degradació més ràpides. / La sinterización de partículas de Ag es una solución interesante como material para die-attach para los módulos de la electrónica de potencia principalmente en aplicaciones de alta temperatura, ya que ofrece las propiedades sobresalientes de la Ag (incluyendo punto de fusión de 961 ºC) usando una baja temperatura de proceso (< 300 ºC). En este trabajo se ha estudiado el proceso para la sinterización de partículas de Ag y se realizó un análisis comparativo con otros materiales utilizando ciclos térmicos. Primero, hemos analizado el efecto de los principales parámetros del proceso de sinterización de la capa sinterizada de Ag con el objetivo de obtener información para la aplicación directa de pastas de Ag en módulos de potencia, y además, comprender los principales mecanismos que regulan las propiedades de este material. Esta tarea requirió el desarrollo de montajes experimentales y herramientas específicas que permitieron establecer las diferentes condiciones del proceso. Los parámetros de sinterización analizados fueron la presión, temperatura, tiempo, método de secado de la pasta de Ag y las condiciones de la superficie del sustrato. El análisis basado en las microsecciones FIB y los test de die-shear revelaron que la densificación de la capa de Ag y su adherencia al sustrato de Cu mejora claramente con mayor presión y temperatura de sinterización, y que se ve poco afectado con el tiempo. En el centro de la capa de Ag, el nivel de densificación es menor que en la periferia, donde, además, aparece una fina capa de óxido de Cu. Estos hechos evidenciaron que la periferia del die-attach está fuertemente influenciada por el ambiente (aire) y que en esta región se eliminaron mejor que en el centro los componentes orgánicos de la pasta de Ag (durante la etapa de secado). Este proceso ha sido identificado como el más crítico durante la sinterización y el método de pre-secado sin el chip en la parte superior de la pasta, ha sido el que ha mostrado los mejores resultados. Un resultado interesante del estudio es que, la presión y la temperatura de sinterización se pueden ajustar de forma complementaria para obtener una adhesión requerida (valor de die-shear). De esta manera, el proceso de sinterización se puede adaptar a diferentes condiciones del ensamblado, tales como las muestras compatibles con altas presiones, pero no con altas temperaturas o viceversa. Se ha llevado a cabo un análisis comparativo del rendimiento termo-mecánico con otros materiales de die-attach (AuGe y PbSnAg) con pruebas de ciclos térmicos severos (-65 ºC a 275 ºC) utilizando vehículos de prueba formados por varios chips (Si o SiC) y sustratos (Cu sin metalizar y metalizados con Ag y Au). Las muestras fueron cicladas (en un montaje experimental desarrollado específicamente) y evaluados con un protocolo basado en test de die-shear e inspecciones SAM, para determinar los modos de fallo. La mejor fuerza se obtuvo en todos los casos para las partículas sinterizadas de Ag, aunque la tasa de degradación más alta fue para las muestras secadas con chip. En contraste, para el método de secado sin chip, el sinterizado de Ag muestra incluso mejores resultados en el ciclo térmico, que las aleaciones de soldadura. En cuanto a la material semiconductor, los resultados de los ciclos térmicos muestran que la tasa de degradación es más rápida para las muestras con SiC, que para las elaboradas con Si, mientras que para las soldaduras (aleaciones) el PbSnAg muestra mejores resultados que el Auge. En este sentido, se realizó un trabajo de simulación termo-mecánica para entender los mecanismos de degradación durante el ciclo térmico. Las simulaciones demostraron que los estreses normales más altos asociados con los cambios de temperatura se encuentran en la interfaz die-attach / sustrato, con los valores máximos en las esquinas del chip y su periferia. Estos resultados explican cualitativamente las imágenes SAM que muestran patrones de delaminación concéntricas en die-attach y además, que los materiales "más rígidos" (con mayor módulo de Young, como SiC y AuGe) muestran tasas de degradación más rápidas. / Sintering of Ag particles is an interesting solution as die-attach material for power electronics packaging in high temperature applications because it offers the outstanding properties of Ag (including a 961 ºC melting point) using low process temperature (< 300 ºC). In this work we have studied the processing methods for sintering Ag particles and we performed a comparative analysis with other die-attach materials based on thermal cycling. We have first analysed the effect of the main sintering process parameters on the final characteristics of the Ag die-attach layers with the aim at obtaining information for the direct application of Ag pastes in power assemblies, and for understanding the main mechanisms governing the properties of this material. This task required the development of specific set-ups and tools allowing the settling of different process conditions. The sintering parameters analysed were pressure, temperature, time, Ag paste drying method and substrate surface condition. The analysis based on FIB microsections and die-shear tests revealed that the densification of the Ag layer and its adherence to the Cu substrate clearly improve with higher sintering pressure and temperature, and is practically not affected with time. In the centre of the Ag layer, the level of densification is lower than in the periphery, where, in addition, a thin Cu oxide layer appears. Those facts evidenced that the die-attach periphery is strongly influenced by the surrounding ambient (air) and that in this region the organic components of the original paste are better eliminated than in the centre during the Ag paste drying step. This process has been identified as perhaps the most critical one during sintering and a drying method without the die on top of the paste has shown the best results. An interesting result of the study is that sintering pressure and temperature can be adjusted complementarily to obtain a given die-attach adhesion (die-shear value). In this way, the sintering process can be adapted to different assembly conditions such as, for example, samples compatible with high pressures but not with high temperatures or vice versa. A comparative analysis of the thermo-mechanical performances with other die-attach materials (AuGe, and PbSnAg) under harsh thermal cycling tests (-65 ºC to 275 ºC) has been carried out using test vehicles formed by several dice (Si or SiC) and Cu substrates (bare Cu, Ag and Au plated surface). The test vehicles were cycled in a specifically developed set-up and evaluated with an experimental protocol based on die-shear tests, failure mode determination and SAM inspection. The best initial die-shear strength was obtained in all cases for sintered Ag particles, contrasting with the highest degradation rate observed for this material dried with chip on top of the paste. In contrast, for the drying method without die, sintered Ag shows even better cycling results than the solder alloys. Concerning the semiconductor material, the thermal cycling results show that the degradation rate is faster for SiC- than for Si-based test vehicles, while concerning strictly the solder alloys PbSnAg shows better results than AuGe. In this sense, a thermo-mechanical simulation work was performed to understand the degradation mechanisms during thermal cycling. The simulations demonstrated that the higher normal stresses associated with temperature swings were located at the die-attach/substrate interface, with the maximum values in the corners of the die and its periphery. These results qualitatively explain the SAM images showing concentric die-attach delamination patterns and the fact that “stiffer” materials (with higher Young modulus, such as SiC and AuGe) show faster degradation rates.

The present work is a compilation of the research produced in the field of wave propagation modeling. It contains in-depth analysis of stability, convergence, dispersion and dissipation of spatial, temporal and spatial-temporal discretization schemes. Space discretization is done using stabilized finite element methods denoted with the acronyms ASGS and OSS. Time discretization is done using finite difference methods including backward Euler (BE), 2nd order backward differentiation formula (BDF2) and Crank-Nicolson (CN). Firstly, we propose two stabilized finite element methods for different functional frameworks of the wave equation in mixed form. These stabilized finite element methods are stable for any pair of interpolation spaces of the unknowns. The variational forms corresponding to different functional settings are treated in an unified manner through the introduction of length scales related to the unknowns. Stability and convergence analysis is performed together with numerical experiments. It is shown that modifying the length scales allows one to mimic at the discrete level the different functional settings of the continuous problem and influence the stability and accuracy of the resulting methods. Then, we develop numerical approximations of the wave equation in mixed form supplemented with non-reflecting boundary conditions (NRBCs) of Sommerfeld-type on artificial boundaries for truncated domains. We consider three different variational forms for this problem, depending on the functional space for the solution, in particular, in what refers to the regularity required on artificial boundaries. Then, stabilized finite element methods that can mimic these three functional settings are described. Stability and convergence analyses of these stabilized formulations including the NRBC are presented. Additionally, numerical convergence test are evaluated for various polynomial interpolations, stabilization methods and variational forms. Finally, several benchmark problems are solved to determine the accuracy of these methods in 2D and 3D. Afterwards, we analyze time marching schemes for the wave equation in mixed form. The problem is discretized in space using stabilized finite elements. On the one hand, stability and convergence analyses of the fully discrete numerical schemes are presented. On the other hand, we use Fourier techniques (also known as von Neumann analysis) in order to analyze stability, dispersion and dissipation. Additionally, numerical convergence tests are presented for various time integration schemes, polynomial interpolations (for the spatial discretization), stabilization methods, and variational forms. Finally, a 1D example is solved to analyze the behavior of the different schemes considered. Later, we present various application examples and compare the numerical results of the different algorithms i.e. ASGS or OSS stabilization and BE, BDF2 or CN time marching schemes. Additionally, comparison with experiments is performed in some cases. Finally, conclusions are drawn including the research achievements and future work. / El presente trabajo es una compilación de la investigación producida en el campo de modelado de propagación de ondas. Contiene análisis de estabilidad, convergencia, dispersión y disipación de discretizaciones espaciales, temporales y espacio-temporales. La discretización espacial se hace usando elementos finitos estabilizados denotados por los acrónimos ASGS y OSS. La discretización temporal se hace usando métodos de diferencias finitas incluyendo backward Euler (BE), backward differentiation formula de 2do orden (BDF2) y Crank-Nicolson (CN). En primer lugar, proponemos dos métodos de elementos finitos estabilizados para diferentes marcos funcionales de la ecuación de ondas en forma mixta. Estos métodos de elementos finitos estabilizados son estables para cualquier par de espacios de interpolación de las incógnitas. Las formas variacionales que corresponden a los diferentes marcos funcionales son tratadas de manera unificada a través de la introducción de longitudes de escalado relacionadas a las incógnitas. Estabilidad y convergencia son analizadas junto con experimentos numéricos. Se muestra como modificando las longitudes de escalado se puede reproducir a nivel discreto los diferentes marcos funcionales del problema continuo y como influencian la estabilidad y precisión de los métodos resultantes. Luego, desarrollamos aproximaciones numéricas de la ecuación de ondas en forma mixta complementadas con condiciones de frontera de no-reflexión (NRBCs) de tipo Sommerfeld sobre fronteras artificiales para dominios truncados. Análisis de estabilidad y convergencia de estas formulaciones estabilizadas incluyendo la NRBC son presentados. Adicionalmente, pruebas de convergencia son llevadas a cabo para varias interpolaciones polinomiales, métodos de estabilización y formas variacionales. Finalmente, varios problemas de referencia son resueltos para determinar la precisión de estos métodos en 2D y 3D. Después, analizamos esquemas de discretización temporal para la ecuación de ondas en forma mixta. El problema es discretizado en el espacio utilizando elementos finitos estabilizados. Por un lado, análisis de convergencia y estabilidad de los esquemas numéricos totalmente discretos son presentados. Por otro lado, usamos técnicas de Fourier (también conocidas como análisis de von Neumann) con el fin de analizar estabilidad, dispersión y disipación. Adicionalmente, pruebas numéricas de convergencia son presentadas para varios esquemas de integración temporal, interpolaciones polinomiales (para la discretización espacial), métodos de estabilización y formas variacionales. Finalmente, un ejemplo 1D es resuelto para analizar el comportamiento de los diferentes esquemas numéricos considerados. Más tarde, presentamos varios ejemplos de aplicación y comparamos los resultados numéricos de los diferentes algoritmos. Por ejemplo estabilización ASGS/OSS y esquemas de integración temporal BD/BDF2/CN. Adicionalmente, se compara los resultados numéricos con resultados experimentales en algunos casos. Por último, las conclusiones son presentadas incluyendo los logros obtenidos en esta investigación y el trabajo futuro.

The potential of particulate mechanics was explored with the purpose of developing a single software modelling framework in which to model multi-physics geomechanical problems. Individual particulate models were developed for solid, fluid and granular material phases, building onto the existing Distinct Element Modelling (DEM) environment Particle Flow Code in Three Dimensions (PFC3D), with the intention that they could be combined to represent a geomechanical problem of any configuration. Advantages of utilising PFC3D were firstly, its inbuilt feature allowing inter-particle bonding so that, in the limiting case, solid material could be represented and secondly, its embedded coding language, FISH, which allows the creation of user defined variables and functions which may be used to manipulate and modify the basic DEM code. The Particle Solid Model (PSM) employed a bonded particle assembly with the concept of constructing a determinate lattice to replace a continuum material. Basic particle interactions were handled by the DEM behaviour inherent to PFC3D and complex behaviour, such as fracturing, was realised through additional code written in FISH. The Particle Fluid Model (PFM) was created with the concept of developing a macroscopic particle representation of a fluid where the particles moved freely with the flow. Fluid behaviour was implemented by preventing physical contact of the DEM particles through force-separation laws representative of pressure and viscosity fields. These were again realised via FISH code. The Particle Proppant Model (PPM) would be implemented simply through the inherent capabilities of the PFC3D DEM code and would be used to represent granular material on a grain for grain basis. After initial development of the individual models, benchmark tests were carried out to evaluate their basic capabilities.

Aquesta tesi tracta l'estudi de protocols de comunicació quàntica amb sistemes devariable continua (CV). Els sistemes de CV són aquells descrits per coordenades canòniques conjugades $x$ i $p$ dotades amb un espai de Hilbert de dimensió in&#64257;nita. Una classe especial de sistemes CV són, els anomenats estats Gaussians.Contràriament als sistemes discrets, els estats Gaussians entrellaçats no es podendestil·lar només amb operacions Gaussianes. No obstant va ser mostrat que, és possible extreure bits clàssics perfectament correlacionats per establir claus secretes aleatòries. Apropiadament modi&#64257;quem el protocol usant entrellaçament Gaussià bipartit per assolir la distribució de claus quàntiques de manera e&#64257;cient i realista. Descrivim i demostrem la seguretat en front de diversos possibles atacs enla comunicació, detallant els recursos necessaris. També hem considerat un protocol tripartit simple conegut com Acord Bizantí. És un vell protocol de comunicació clàssica en el què els participants (amb possibles traïdors entre ells)només podem comunicar-se en parelles, mentre intenten arribar a una decisiócomú. Clàssicament hi ha un límit en el nombre màxim de traïdors que poden estar involucrats dins el joc. No obstant, una solució quàntica existeix. Mostrem aquestasolució dins els CV usant estats entrellaçats Gaussians multipartits i operacionsGaussianes. A més, mostrem sota quines premisses, entrellaçament contingut als estats, soroll, detectors ine&#64257;cients, el nostre protocol és e&#64257;cient i aplicable amb tecnologia actual. És conegut que tot i que el seu rol excepcional dins els estats CV, de fet, els estats Gaussians no són sempre els millors candidats per desenvolupar tasquesd'informació quàntica. Així, ataquem el problema de la quanti&#64257;cació de correlacions(clàssiques i/o quàntiques) entre dos modes CV (Gaussians i no Gaussians).Proposem de&#64257;nir les correlacions entre dos modes com el màxim numero de bits correlacionats extrets a través de mesures locals en les quadratures de cadamode. En els estats Gaussians, on l'entrellaçament és accessible a través de la seva matriu de covariança la nostra quanti&#64257;cació majoritza l'entrellaçament, reduint¬se a un monotó d'entrellaçament per estats purs. Per estats no Gaussians, com estats fotònics de Bell, estats foto-substrets i mescles d'estats Gaussians, la correlació de bits en quadratures mostra ser també una funció monòtona amb la negativitat. Aquesta quanti&#64257;cació dóna una operacional i factible manera de mesurar l'entrellaçament no Gaussià en experiments actuals mitjançant detecció homodine directa i sense necessitar una tomogra&#64257;a completa de l'estat amb lamateixa di&#64257;cultat que si es tractes d'estats Gaussians. Finalment ens hem focalitzat amb col·lectivitats atòmiques descrites com CV. L'entrellaçament induït per la mesura entre dos col·lectivitats atòmiques macroscòpiques va ser reportat experimentalment al 2001. Allà, la interacció entreun únic pols làser apropant-se a través de dos col·lectivitats atòmiques separades espacialment combinat amb una mesura projectiva &#64257;nal en la llum permetia la creació d'entrellaçament EPR pur entre les dues col·lectivitats. Mostrem com generar, manipular i detectar entrellaçament mesoscopic entre un nombre arbitraride col·lectivitats a través d'una interfície llum-matèria quàntica no demolidora. Lanostra proposta s'extén d'una manera no trivial per entrellaçament multipartit (GHZ ide tipus clúster) sense la necessitat de camps magnètics locals. A més mostrem sorprenentment que, donat el caràcter irreversible de la mesura, la interacció de la col·lectivitat atòmica amb un segon feix de llum pot modi&#64257;car e inclús revertir la acció d'entrellaçament del primer deixant la col·lectivitat en un estat separable. / This thesis deals with the study of quantum communication protocols with Continuous Variable (CV) systems. CV systems are those described by canonical conjugated coordinates $x$ and $p$ endowed with in&#64257;nite dimensional Hilbertspaces, thus involving a complex mathematical structure. A special class of CVstates, are the so-called Gaussian states. We present a protocol that permits toextract quantum keys from entangled Gaussian states. Differently from discretesystems, Gaussian entangled states cannot be distilled with Gaussian operations only. However it was already shown, that it is still possible to extract perfectly correlated classical bits to establish secret random keys. We properly modify theprotocol using bipartite Gaussian entanglement to perform quantum key distribution in an ef&#64257;cient and realistic way. We describe and demonstrate security in front of different possible attacks on the communication, detailing the resources demanded. We also consider a simple 3-partite protocol known as Byzantine Agreement. It is anold classical communication problem in which parties (with possible traitors amongthem) can only communicate pairwise, while trying to reach a common decision. Classically, there is a bound in the maximal number of possible traitors that can be involved in the game. Nevertheless, a quantum solution exist. We show that solution within CV using multipartite entangled Gaussian states and Gaussian operations. Furthermore, we show under which premises concerning entanglement content of the state, noise, inef&#64257;cient homodyne detectors, our protocol is ef&#64257;cient and applicable with present technology. It is known that in spite of their exceptional role within the space of all CV states, in fact, Gaussian states are not always the best candidates to perform quantum information tasks. Thus, we tackle the problem of quanti&#64257;cation of correlations (quantum and/or classical) between two CV modes (Gaussian and non-Gaussian). We propose to de&#64257;ne correlations between the two modes as the maximal number of correlated bits extracted via local quadrature measurements on each mode. On Gaussian states, where entanglement is accessible via their covariance matrix ourquanti&#64257;cation majorizes entanglement, reducing to an entanglement monotone for pure states. For non-Gaussian states, such as photonic Bell states, photon subtracted states and mixtures of Gaussian states, the bit quadrature correlationsare shown to be also a monotonic function of the negativity. This quanti&#64257;cation yields a feasible, operational way to measure non-Gaussian entanglement in currentexperiments by means of direct homodyne detection, without needing a complete state tomography with the same complexity as if dealing with Gaussian states. Finally we focus to atomic ensembles described as CV. Measurement induced entanglement between two macroscopical atomic samples was reported experimentally in 2001. There, the interaction between a single laser pulsepropagating through two spatially separated atomic samples combined with a &#64257;nal projective measurement on the light led to the creation of pure EPR entanglement between the two samples. We show how to generate, manipulate and detect mesoscopic entanglement between an arbitrary number of atomic samples through a quantum non-demolition matter-light interface. Our proposal extends in a non-trivialway for multipartite entanglement (GHZ and cluster-like) without needing local magnetic &#64257;elds. Moreover, we show quite surprisingly that given the irreversiblecharacter of a measurement, the interaction of the atomic sample with a secondpulse light can modify and even reverse the entangling action of the &#64257;rst one leavingthe samples in a separable state.

Graphene deposited on a substrate often exhibits out-of-plane deformations with different features and origins. Networks of localized wrinkles have been observed in graphene synthesized through CVD, as a result of compressive stresses transmitted by the substrate. Graphene blisters have been reported with various sizes and shapes, and have been shown to be caused by gas trapped between graphene and substrate. Such wrinkles or bubbles locally modify the electronic properties and are often seen as defects. It has been also suggested that the strong coupling between localized deformation and electronic structure can be potentially harnessed in technology by strain engineering, although it has not been possible to precisely control the geometry of out-of-plane deformations, partly due to an insufficent theoretical understanding of the underlying mechanism, particularly under biaxial strains. The specific contributions of the thesis are outlined next. Firstly, we study the emergence of spontaneous wrinkling in supported and laterally strained graphene with high-fidelity simulations based on an atomistically informed continuum model. With a simpler theoretical model, we characterize the onset of buckling and the nonlinear behavior after the instability in terms of the adhesion and frictional material parameters of the graphene-substrate interface. We find that a distributed rippling linear instability transits to localized wrinkles due to the nonlinearity in the van der Waals graphene-substrate interactions. We identify friction as a selection mechanism for the separation between wrinkles, because the formation of far apart wrinkles is penalized by the work of friction. Secondly, we examine the mechanics of wrinkling in supported graphene upon biaxial strains. With realistic simulations and an energetic analysis, we understand how strain anisotropy, adhesion and friction govern spontaneous wrinkling. We then propose a strategy to control the location of wrinkles through patterns of weaker adhesion. These mechanically self-assembled networks are stable under the pressure produced by an enclosed fluid and form continuous channels, opening the door to nano-fluidic applications. Finally, we examine the coexistence of wrinkles and blisters in supported graphene. By changing the applied strain and gas mass trapped beneath the graphene sample, we build a morphological diagram determining the size and shape of graphene bubbles, and their coexistence with wrinkles. As a whole, the research described above depicts a systematic and broad understanding of out-of-plane deformations in monolayer graphene on a substrate, and could be a theoretical foundation towards strain engineering in supported graphene. / La deposición de grafeno sobre un substrato a menudo exhibe deformaciones fuera del plano con diversas características y orígenes. Al sintetizar grafeno se han observado mediante CVD redes de arrugas localizadas, como resultado de tensiones de compresión transmitidas por el sustrato. Mientras tanto ha sido posible identificar el gas atrapado entre el grafeno y el sustrato como el responsable del origen de ampollas de tamaños y formas diversos. Tanto las arrugas como las burbujas modifican localmente las propiedades electrónicas, lo que a menudo se considera como defectos. También se ha sugerido que el fuerte acoplamiento entre la deformación localizada y la estructura electrónica podría ser tecnológicamente aprovechada mediante la ingeniería de deformación. Desafortunadamente hasta el presente no ha sido posible controlar con precisión la geometría de las deformaciones fuera del plano, en parte debido a una insuficiente comprensión teórica del mecanismo subyacente, especialmente bajo deformaciones biaxiales. Las contribuciones específicas de la presente tesis se describen a continuación. En primer lugar, estudiamos la aparición espontánea de arrugas en muestras de grafeno simplemente apoyadas y lateralmente tensionadas mediante simulaciones de alta fidelidad, con base en un modelo continuo atomísticamente informado. A través de un modelo teórico simple caracterizamos la aparición de pandeo y el comportamiento no lineal, después de la inestabilidad, en términos de los parámetros de adhesión y de fricción de la interfaz grafeno-sustrato. Encontramos que una ondulación distribuida de una inestabilidad lineal transita hacia arrugas localizadas debido a la no linealidad en las interacciones de van der Waals entre el grafeno y el substrato. Identificamos la fricción como un mecanismo de selección para la separación entre las arrugas, debido a que la formación de arrugas distantes es penalizada por el trabajo de fricción. En segundo lugar, analizamos la mecánica de arrugas en grafeno apoyado bajo deformaciones biaxiales. Mediante simulaciones realistas y un análisis energético, entendemos cómo la deformación anisotropíca, la adherencia y la fricción gobiernan la rugosidad espontánea. Consecuentemente, proponemos una estrategia para controlar la ubicación de las arrugas a través de patrones de débil adherencia. Estas redes mecánicamente auto-ensambladas son estables bajo la presión producida por un fluido encerrado y forman canales continuos, posibilitando el desarrollo de aplicaciones de nano fluidos. Finalmente, analizamos la coexistencia de arrugas y de ampollas en muestras de grafeno apoyado. Mediante el control de la deformación aplicada así como de la masa de gas atrapada debajo de la muestra de grafeno, construimos un diagrama morfológico para determinar el tamaño y la forma de burbujas de grafeno, y su coexistencia con las arrugas. En su conjunto, la investigación descrita anteriormente representa una comprensión sistemática y amplia de las deformaciones fuera del plano en muestras de grafeno monocapa apoyadas sobre un sustrato, y podría servir como fundamento teórico en la incipiente área de ingeniería de deformación en grafeno.