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The ability of detecting farces and torques at the micro-and nano-scale is fundamental. When this Thesis started, various scanning probe techniques had already been developed to probe the mechanical properties of microsystems. In 1993 Ghislain and coworkers devised a new scanning force microscopy using an optically trapped microsphere as a probe. This technique was later called Photonic Force Microscope (PFM).A typical PFM comprises an optical trap that holds a probe - a dielectric or metallic particle of micrometer size, which randomly moves due to Brownian motion In the potential well formed by the optical trap - and a position sensing system. The analysis of the thermal motion provides information about the local forces acting on the particle. The three-dimensional probe position can be recorded through different devices, which detect the forward or backward scattered light from the particle.The PFM had been applied to measure forces in the range of femto- to pico-Newton - well below the limits of what can be achieved with techniques based an micro-fabricated mechanical cantilevers, such as AFM - in many different fields with exciting applications, for example, in biophysics, equilibrium and nonequilibrium thermodynamics of small systems, and colloidal physics.We defined various problems that deserved our attention. All of them concerned the enhancement of the possibilities of the PFM, either by applying the PFM to new fields or by making it more powerful.These are the main results:1. Brownian motion in an nonhomegeneous force field and Photonic Torque MicroscopeWe reported how to expand the PFM technique to deal with force fields varying on the scale of the Brownian motion. We also proposed a concrete analysis workflow to reconstruct the force field from the experimental time series of the probe position. In particular, we analyzed the PFM probe movement in the presence of a torque. The value of the torque is found from the auto- and cross-correlation functions of the particles coordinates. We experimentally detected the torque exerted onto an optically trapped particle by an optical beam with orbital angular momentum.2. Backscattering position detectionWe studied theoretically the probe displacement sensitivity in back-scattering and forward-scattering geometry. To achieve this aim an original calculation procedure based on Mie scattering theory was developed and realized on MatLab platform. The calculation results were compared with known experimental data.3. Surface Plasmon (SP) Radiation FarcesWe reported the first experimental observation of the momentum transfer from a SP to a single dielectric sphere. We showed that the force at resonance conditions resulted enhanced 40 times compared to nonresonant illumination. We also reported a quantitative analysis of 20 surface-plasmon-based optical tweezers at a patterned metal surface.4. Characterization of microscopic flowsWe suggested an approach to microrheology based on optical traps capable of measuring fluid fluxes around singular points. The concept was to monitor the position of an optically trapped probe in order to locally characterize the drag torte field as a generic function of the space coordinates up to the first order in its Taylor expansion around the probe position. We experimentally demonstrated this technique, applying it to the charactedeation of controlled flows.5. Cell dynamics in an optical trapWe reported the analysis of the forward scattered light from a single optically trapped cell during its growth. We showed that the cell continued adjusting itself to the applied optical force because of the growth processes, and hence it kept changing its orientation in the trap. We pointed out the relevance of these findings for single optically trapped cell spectroscopic measurements. We also demonstrated the possibility of monitoring the cytoskeleton structural transformations in optically trapped yeast cells (S. cerevisiae ) using this technique.

There is considerable evidence of the need for a semiconductor technology which exceeds the limitations imposed by silicon across a wide spectrum of industrial applications. Wide bandgap semiconductor, such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) and diamond, offer the potential to overcome both the temperature and voltage blocking limitations of Si. SiC is nowadays the most attractive candidate, offering significant potential advantages at both high temperature and high voltage levels whilst benefiting from tractable materials technology. Moreover, SiC is the only that can be thermally oxidized to form a high quality native oxide (SiO2), which enables the fabrication of MOS based devices. However, very near the definitive emergence, the SiC technology needs to address two fundamental limitations: The price of the wafers and the poor SiC/SiO2 interface. The high density of imperfections encountered at the SiC/oxide interface represents a major obstacle in the development of functional SiC devices. The main efforts of this thesis have been directed to the detection and reduction of interface traps in the oxide/SiC interface. To achieve this demanding objective, two different ways have been contemplated: (1) Investigations have been carried out to improve the thermal oxidation or even to improve the formation of the interface with alternative techniques as nitridation or deposited oxides. (2) The classical insulator made up with SiO2 has been replaced by other innovative dielectrics.Innovative gate fabrication processes have been proposed in this thesis using deposited SiO2 gate oxides from PECVD with silane and TEOS as precursors. SiO2-TEOS deposited oxides are an alternative to thermal oxidation. 4H-SiC MOSFET with mobilities up to 38-45 cm2/Vs [(0001) face] and 216 cm2/Vs [(11-20) face] have been fabricated. We have demonstrated that the thermal oxidation of Ta2Si is a simple way to achieve a high-k dielectric on SiC (and on Si). We have fabricated one of the first well behaved high-k MOSFET on SiC with a mobility peak up to 45 cm2/VsIn the last section, a field-effect mobility model including Coulomb scattering at interface traps has been proposed fitting the experimental channel mobility of SiC MOSFETs and the device behavior depending on the density of interface traps, the substrate doping level and the temperature.

En el desarrollo de esta tesis hemos analizado distintos aspectos preliminares relacionados con la utilización de óxidos complejos, tales como las perovskitas de manganeso, en la implementación de dispositivos con potenciales aplicaciones en magnetoelectrónica. En concreto, hemos abordado a fondo distintos aspectos relacionados con la fabricación de uniones túnel magnéticas basadas en el sistema La2/3Ca1/3MnO3 (LCMO)/SrTiO3 (STO).Nuestro trabajo ha puesto de manifiesto que la técnica de pulverización catódica de RF es adecuada para el crecimiento de capas epitaxiales de LCMO de alta calidad sobre sustratos monocristalinos diversos (STO, LaAlO3 (LAO)). Las heteroestructuras LCMO/STO y LCMO/LAO han sido objeto de un detallado análisis poniendo de manifiesto que el desacoplo de parámetros de red juega un papel muy importante tanto sobre el tipo de crecimiento de las heteroestructuras como sobre las propiedades físicas. El sistema LCMO/STO (δ=1.2%) crece tensionado en el plano y permite crecer capas de hasta unos 100 nm sin que haya relajación parcial de la tensión estructural. En cambio, el sistema LCMO/LAO (δ=-1.8%) crece comprimido en el plano y muestra señales de relajación parcial de la tensión estructural incluso para espesores en torno a los 10 nm.El análisis de las propiedades magnéticas y de transporte muestran que ambos sistemas LCMO/STO y LCMO/LAO adolecen de una notable disminución tanto de su temperatura de transición magnética, TC, como de su magnetización de saturación, MS, al disminuir el espesor de las capas, siendo éste más acusado en el caso del LCMO/STO. Tratamientos térmicos al aire a alta temperatura permiten una mejora sustancial de las propiedades magnéticas y de transporte en ambos sistemas. La mejora es mucho más rápida en el sistema LCMO/LAO. Así mismo, el aumento del espesor de las capas también promueve una mejora de las propiedades, que se aproximan a las del material en forma masiva conforme el grosor aumenta. Esta evolución se ha relacionado con la aparición de una capa no magnética en la superficie de las capas de LCMO que se pone de manifiesto, predominantemente para las capas de LCMO/LAO ultra delgadas. Por otro lado, hemos visto como esta capa inerte puede ser reducida hasta un orden de magnitud mediante tratamientos térmicos de las muestras a alta temperatura.Nuestro trabajo ha puesto de manifiesto que la tensión estructural juega un papel fundamental y que las mejoras de TC y MS con los tratamientos térmicos están fundamentalmente ligadas a una relajación parcial de la tensión estructural. Otras posibilidades, tales como la incorporación de oxigeno o la variación de la microestructura de las muestras han sido descartadas en base a medidas de efecto Hall y análisis de microscopía electrónica de alta resolución.Para el estudio de las propiedades de transporte en las interfases hemos desarrollado un procedimiento experimental basado en la utilización de un microscopio de fuerzas atómicas trabajando en modo corriente permitiendo la caracterización de barreras aislantes e interfases entre un metal noble y un óxido complejo. Este método permite la caracterización de barreras y superficies soslayando los problemas derivados del desconocimiento preciso del contacto entre la punta de AFM y la superficie de la capa. Se realizaron medidas mediante la definición de nanocontactos de diferente geometría y tamaño realizados por distintas técnicas de nanofabricación. Mediante el estudio de las curvas I(V) en nanocontactos de LCMO/metal noble (Au, Pt) constatamos la existencia de una barrera superficial aislante (túnel) para capas finas vírgenes de LCMO/LAO. Mediante el ajuste de las curvas I(V) utilizando el modelo de Simmons hemos derivado valores para la capa aislante que concuerdan muy bien con otros datos reportados, además esta capa aislante puede ser reducida drásticamente mediante tratamientos térmicos en atmósfera ambiente. / In this Thesis we have analyzed different preliminary aspects related to the use of complex oxides, such as manganes perovskites, for implementation of functional devices with potential application on magnetoelectronics. To be precise, we have faced in deep the different aspects related with the fabrication of magnetic tunnel junctions based on the La2/3Ca1/3MnO3 (LCMO)/SrTiO3 (STO) system.Our work makes evident the suitability of RF sputtering technique for growing high quality epitaxial layers of LCMO onto several single-crystalline substrates (STO, LaAlO3 (LAO)). The heterostructures LCMO/STO and LCMO/LAO have been object of a detailed analysis showing up that structural misfit plays a significant role both on the heterostructures growth process and on the physical properties. The system LCMO/STO (δ=1.2%) is under in-plane tensile strain but, thin films up to 100 nm thick can be grown without any partial relieve of the structural strain. In contrast, the system LCMO/LAO (δ=-1.8%) grows under in-plane compressive strain and shows clear traces of partial relaxation of structural strain even for thicknesses around 10nm.The analysis of the magnetic and transport properties indicates that both systems have an outstanding depression on both the temperature transition, TC, and the saturation magnetization, MS, when decreasing the thin film thickness, being this phenomenon more pronounced in the case of LCMO/STO. High temperature annealing processes in air promote a remarkable improvement of the magnetic and transport properties in both systems. This improvement is faster and more evident in the LCMO/LAO system.In addition, we have verified that the increment of the film thicknesses also promotes an improvement of the physical properties, approaching that of bulk samples. This evolution has been correlated with the existence of a non magnetic layer at the topmost layers of the LCMO thin films, whose effect becomes more relevant as the film thickness decreases and being dominant for ultra-thin films in the LCMO/LAO system. It has been observed that this dead layer can be reduced up to one order of magnitude by high temperature annealing processes.Our work has demonstrated that structural strain plays a fundamental role on the magnetic and transport properties of these systems and the improvements of TC and MS with annealing processes is strongly linked to a partial relaxation of the structural strain. Other possibilities, such as oxygen uptake or modifications of the microstructure of the samples have been ruled out in base of Hall Effect measurements and high resolution transmission electron microscopy analysis.To study transport properties at the interfaces we have developed an experimental procedure based on the use of an atomic forces microscope (AFM) working in current sensing mode, permiting the electrical characterization of insulating barriers and the interfaces between the precious metal and the complex oxide. This method allows characterizing transport properties of barriers and interfaces avoiding the problems related to the uncertainty of the exact nature of the contact between the AFM tip an the analyzed surface. Measurements were realized by defining nanocontacts, with different geometries and sizes, using different nanofabrication techinques.

This thesis is divided in six chapters. In the first one, we expose an amenable brief introduction to the YBCO compound, as well as to the CSD method. Then, in the second chapter we describe briefly the experimental techniques used for the physical characterization of the CSD thin films presented in this work. The results, chapters 3, 4 , 5 and 6, are presented in two parts: Part I reports many aspects governing the growth mechanisms of CSD films, in particular the identification of those factors controlling the evolution of microstructures, which remain poorly established in comparison with vacuum deposited films. We give first an account of the evolution from a partially oriented granular microstructure to a dense epitaxial one in CeO2 films deposited from chemical solutions (chapter 3), and second the microstructural evolution of YBCO from trifluoroacetate precursors, which follow a complex compositional trajectory (chapter 4). In part II the microstructure of TFA-YBCO thin films with high critical current densities is analysed. We depict intrinsic structural defects occurring within YBCO films, focusing in extended defects which can lead to strong flux-pinning and high critical current density (chapter 5). The microstructure of TFA-YBCO films with artificial defects has been also studied (chapter 6). The inclusion of BaZrO3 results in strong increase of the critical current density, demonstrating that chemical solution growth is a very flexible methodology to nanostructure YBCO films and coated conductors. Finally, we present the general conclusions of this study.

Desde el descubrimiento de los Superconductores de Alta Temperatura (SCAT), se ha realizado un gran esfuerzo con tal de optimizar las propiedades eléctricas de estos materiales. A diferencia de los Superconductores convencionales de Baja Temperatura (SCBT), algunos de los SCAT son capaces de alcanzar el estado superconductor a la temperatura de ebullición del nitrógeno (77K) haciéndolos mucho más atractivos en cuanto a aplicaciones tecnológicas dados los reducidos costes de operación. Una de las principales aplicaciones de los SCAT es el transporte eléctrico. La ausencia de resistencia eléctrica de estos materiales cuando están por debajo de su temperatura crítica, Tc, hacen que puedan transportar hasta 10 veces más de potencia que los cables convencionales, o proporcionar una misma potencia con niveles muy inferiores de voltaje. Por otro lado, los SCAT han sido profundamente estudiados en el ámbito de la electrónica. En particular, nanohilos de SCAT pueden ser escalados a tamaños menores debido a sus pequeñas longitudes intrínsecas. Además, sus rápidos coeficientes de relajación permiten altos niveles de adquisición en experimentos de fotodetección cuando éstos son comparados con SCBT. No obstante, una de las características más importantes en el estudio de los SCAT es la presencia de líneas de flujo magnético cuantificadas, denominadas vórtices, en su diagrama de fase. Su mayor diferencia con respecto a los SCBT surge cuando se tienen en cuenta las altas excitaciones térmicas. Como consecuencia, una gran variedad de defectos de anclaje son necesarios con la finalidad de evitar (o controlar) la dinámica de los vórtices y por lo tanto, la disipación eléctrica resultante. El control del anclaje y la dinámica de los vórtices es la finalidad de esta tesis donde los principales resultados están presentados en los capítulos 3, 4 y 5. Previamente, en el capítulo 1 presentamos las principales propiedades superconductoras y en particular, las referidas al comportamiento de los vórtices en muestras de YBa2Cu3O7-x (YBCO -superconductor con el más amplio rango de operación-) crecidas por el método de deposición de soluciones químicas (DSQ). En el capítulo 2 exponemos las técnicas experimentales utilizadas así como los procedimientos de medida. En el capítulo 3, un gran análisis sobre el anclaje de vórtices es presentado. Un fenómeno sin precedentes en el anclaje de vórtices es demostrado el cual permite mejorar la densidad de corriente crítica y su anisotropía en presencia de fases secundarias no-superconductoras dentro de la matriz de YBCO. Además, un análisis de la dinámica de los vórtices con respecto a los defectos naturales de muestras de YBCO-DSQ es expuesto. En los capítulos 4 y 5 nos focalizamos en el control de la dinámica de los vórtices en capas finas de YBCO. En el capítulo 4 demostramos un sentido preferencial para el movimiento de los vórtices cuando nanoestructuras asimétricas son diseñadas en la capa de YBCO. Como consecuencia, una rectificación AC-DC es obtenida. En el capítulo 5, los estudios están centrados en la interacción entre materiales superconductores y ferromagnéticos. Se demuestra como introduciendo nanocilindros ferromagnéticos dentro de la matriz del YBCO, un enorme control sobre la densidad de corriente crítica es posible en función del estado magnético de los nanocilindros. Las conclusiones generales están expuestas y resumidas en el último capítulo. Finalmente, el procedimiento analítico utilizado en una simulación teórica presentada en el capítulo 5 es explicado en el apéndice. / Since the discovery of High-Temperature Superconductors (HTS) a huge effort has been devoted in order to optimize the electric power properties of these materials. As a difference from conventional Low-Temperature Superconductors (LTS), some HTS are able to achieve the superconducting state at the boiling point of nitrogen (77K), making these materials much more attractive for technological applications due to their reduced operating costs. One of the main applications of HTS is the electrical transport. Due to the zero electrical resistance of these materials when they are below the critical temperature, Tc, they can transmit up to 10 times more power than conventional cables or can carry equivalent power at much lower voltages. On the other hand, HTS materials have been deeply studied in the field of electronics. In particular, HTS nanowires can be functionally scaled to smaller sizes due to their extremely short intrinsic lengths. Furthermore, their characteristic fast relaxation rates offer higher counting rates in photodetection experiments when compared to LTS. However, one of the most important issues to take into account in the study of HTS, is the presence of quantified magnetic flux lines, referred as vortex, into their phase diagram. The main difference from LTS concerning the vortex behavior arises from the high thermal excitations. Consequently a great variety of different pinning centers are needed in order to avoid (or control) the vortex dynamics and therefore, the resulting electrical dissipation. Controlling vortex pinning and dynamics is the aim of this thesis where the main results are presented in chapters 3, 4 and 5. Previously, in chapter 1 we present the main superconducting properties, and in particular, the regarding to vortex behavior in YBa2Cu3O7-x (YBCO -HTS with the widest operating range-) samples grown following the Chemical Solution Deposition (CSD) technique. In chapter 2 we show the experimental techniques used in our analysis and the measurement procedure. In chapter 3, a huge analysis of vortex pinning is presented. An unprecedented phenomenon for vortex pinning is demonstrated which allows improving the critical current density and its anisotropy in the presence of non-superconducting secondary phases into the YBCO matrix. Furthermore, an analysis of the vortex dynamics with YBCO-CSD natural defects is performed. In chapters 4 and 5 we have focused in controlling vortex dynamics in YBCO thin films. In chapter 4 a preferential sense for the vortex movement is demonstrated when asymmetric nanostructures are patterned in the YBCO layer. Consequently, a controlled AC-DC rectification is obtained. In chapter 5, the studies are centered in the interaction between superconducting and ferromagnetic materials. It is demonstrated that by inserting ferromagnetic nanorods into the YBCO matrix, a huge control of the critical current density is possible as a function of the magnetic state of the nanorod. General conclusions of the thesis are presented and summarized in the last chapter. Finally, the analytical procedure used in a theoretical simulation presented in chapter 5 is exposed in the appendix.

El proyecto propuso obtener un sistema óptico que responda a estímulos externos, en concreto, a campos magnéticos. Cristales fotónicos de dos y tres dimensiones fueron seleccionados como sistemas ópticos para ser funcionalizados con nanopartículas magnéticas para obtener cristales magneto-fotónicos (MPCs). La funcionalización de cristales fotónicos tuvo como objeto no solamente permitir los cambios en la posición espectral del bandgap utilizando un campo magnético externo, sino también permitir respuestas magneto-ópticas aumentadas a determinadas longitudes de onda debido a la interacción luz-materia. Previamente se ha demostrado que la respuesta magneto-óptica en un cristal fotònico 1D aumenta significativamente para frecuencias en el borde del bandgap. Sin embargo, lograr cristales 3D de alta calidad es mucho más complejo y, por lo tanto, conseguir una respuesta magneto-óptica óptima, comparable a la de los cristales magneto-fotónicos 1D, sigue siendo un tema difícil. Los cristales magneto-fotónicos tridimensionales con una respuesta magneto-óptica aumentada pueden ser una plataforma adecuada para el desarrollo, por ejemplo, de una nueva generación de aislantes ópticos rápidos y compactos para transmisión en comunicaciones ópticas, disminuyendo drásticamente su espesor y en consecuencia las pérdidas ópticas (la cual es ventajoso para la óptica integrada). Los objetivos de esta tesis doctoral han sido : 1) sintetizar nanopartículas magnéticas de alta cristalinidad (níquel, óxido de hierro y ferrita de manganeso) a través de métodos químicos, con el fin de controlar el tamaño de las nanopartículas a través de diversos parámetros experimentales y para estudiar la estabilidad de las soluciones coloidales magnéticas, 2) la fabricación de materiales magneto-fotònicos mediante: i) técnicas ¨bottom-up´´-para la incorporación de nanopartículas magnéticas en un cristal fotónico prefabricado (2D o 3D) y ii) métodos ¨top-down¨ -p.e., mediante técnicas litográficas (haz de electrones y litografía nanoimprint), 3) la caracterización estructural y morfológica de los materiales fotónicos preparados, 4) optimizar la fabricación de los cristales magneto-fotónicos para garantizar una respuesta magneto-óptica aumentada a longitudes de onda cerca del bandgap óptico. La presente tesis está dividida en seis capítulos El capítulo 1 incluye una introducción general a las nanopartículas magnéticas, los materiales cristales fotónicos convencionales y funcionalizados (magneto-fotónicos). Las nanopartículas magnéticas de tipo metálico (níquel) y de óxido metálico (óxido de hierro y manganeso de ferrita) se describen a través de sus propiedades, la síntesis, estabilidad de las soluciones coloidales y sus aplicaciones. Se presentan los materiales fotònicos y magneto-fotònicos con sus características estructurales y óptica y magneto-óptica. El capítulo 2 describe la síntesis química de nanopartículas magnéticas por tres vías diferentes: la descomposición térmica, calentamiento por microondas y la síntesis continua en etanol supercrítico. El control del tamaño de las nanopartícula y la estabilidad de las soluciones coloidales magnéticas son analizadas. También se aborda la caracterización estructural, morfológica y funcional de las nanopartículas preparadas. El capítulo 3 está enfocado a la fabricación de los cristales magneto-fotònicos bidimensionales por técnicas de ´´top-down´´ (haz de electrones y la litografía por nanoimprint) y bottom-up (depósito de partículas magnéticas asistida por microondas). Para ambas estrategias se describe el protocolo de fabricación desarrollado, junto con la caracterización estructural, morfológica y funcional de los materiales fabricados. El capítulo 4 describe la fabricación de los materiales magneto-fotónicos tridimensionales mediante técnicas bottom-up basadas en dos estrategias, utilizando: i) nanopartículas sintetizadas ex-situ (método de dip-coating asistido por motor paso a paso) y ii) nanopartículas sintetizadas in-situ (depósito asistido por microondas). En el capítulo 5 se enumeran las principales conclusiones de la tesis y se hacen sugerencias para trabajos futuros. El capítulo 6 incluye los anexos. El anexo i. presenta la lista de las publicaciones relacionadas con esta tesis. El anexo ii. incluye una breve descripción de las técnicas experimentales utilizadas y protocolos aplicados para la preparación de las muestras. Los anexos III. y IV contienen las tablas detalladas con las condiciones experimentales y los datos de fabricación de nanopartículas magnéticas y ópalos magnéticos, respectivamente. / The project aimed to obtain an optical system responding to an external stimulus (magnetic field). Photonic crystal materials (two and three dimensions) were selected as the optical systems to be further functionalized with magnetic nanoparticles, to obtain magneto-photonic crystals (MPCs). This functionalization not only would enable the tunability of photonic band gap spectral position using an external magnetic field, but also would enable an enhanced magneto-optical response near photonic band-edge frequencies due to light-matter interaction. It has previously been demonstrated that the magneto-optical response of one-dimensional (1D) MPCs is significantly enhanced at band-edge frequencies. The achievement of high-quality 3D-MPCs is much more complex and the attainment of an optimal magneto-optical response, comparable to that of 1D-MPCs, remains a challenging issue and the work of this thesis goes in this direction. Three dimensional magnetophotonic crystals with enhanced magneto-optical response can be a suitable platform for the development, for instance, of a new generation of fast and compact optical isolators for optical transmission, drastically reducing their thickness and optical losses (advantageous for integrated optics). The objectives of this PhD thesis have been: 1 ) to synthesize highly crystalline magnetic nanoparticles (nickel, iron oxide and manganese ferrite) via a chemical method, to tune the nanoparticles size by playing with various experimental parameters and to study the stability of the obtained liquid magnetic colloids; 2 ) to fabricate magnetophotonic materials by: i) bottom-up techniques – incorporating magnetic nanoparticles into a prefabricated photonic crystal (2D or 3D) and ii) top-down method – nanopatterning of magnetic composite material by lithographic techniques (electron beam and nanoimprint lithography); 3 ) to characterize the prepared photonic materials structurally and morphologically ; 4 ) and to optimize magneto-photonic materials fabrication to ensure appropriate magneto-optical response , namely enhanced magento-optical response near photonic band-edge frequencies. The PhD thesis report is divided into six chapters: Chapter 1 provides a general introduction to magnetic nanoparticles, conventional photonic crystal materials and functionalized magnetophotonic crystals. Magnetic nanoparticles such as metallic (nickel) and metal oxide (iron oxide and manganese ferrite) nanoparticles are discussed through their properties, synthesis, stabilization and applications. Photonic and magnetophotonic materials with their structural and optical/magneto-optical characteristics are presented. Chapter 2 describes the chemical synthesis of magnetic nanoparticles by three different pathways: thermal decomposition, microwave heating and continuous supercritical ethanol synthesis. The tunability of the nanoparticles size and stability of the magnetic colloids are studied. Structural, morphological and functional characterizations of the prepared nanoparticles are discussed. Chapter 3 deals with the fabrication of two-dimensional magneto-photonic materials by top-down (electron beam and nanoimprint lithography) and bottom-up (microwave-assisted deposition) approaches. For both strategies, an individual fabrication protocol was developed. Structural, morphological and functional characterizations of the fabricated materials are discussed. Chapter 4 describes the fabrication of three-dimensional magneto-photonic materials by bottom-up approaches using both ex-situ synthesized nanoparticles (vertical dip-casting deposition) and in-situ synthesized nanoparticles (microwave-assisted coating). Characterization and optimization of these materials are furthermore presented. Chapter 5 lists the main conclusions of the thesis and makes suggestions for future works. Chapter 6 includes the annexes. Annex i. lists the publication I have co-authored related to this thesis. Annex ii. includes a brief description of the experimental techniques used and protocols applied for samples preparation. Annex iii. and iv contains tables with detailed experimental conditions and measurements for magnetic nanoparticles and magnetic opals, respectively.

Esta tesis describe diferentes aplicaciones en el ámbito de la nanobiotecnología de los polímeros conductores generados electroquímicamente. El objetivo principal de la Tesis, que además es el nexo común de los diferentes estudios que se presentan en los Capítulos 4 al 6, es el análisis de las interacciones entre los polímeros conductores sintéticos y diversas entidades biológicas (ADN, proteínas, polisacáridos, pequeños péptidos, drogas, y células). Uno de los retos más importantes de esta Tesis ha sido la caracterización de las interacciones entre los polímeros conductores y el ADN. Los estudios descritos a lo largo del Capítulo 4 ponen en evidencia la existencia de interacciones específicas por puentes de hidrógeno entre plásmidos de ADN y polímeros conductores con sustituyentes polares. Estas interacciones específicas actúan reforzando las interacciones electrostáticas convencionales intrínsecas a la naturaleza cargada de ambos sistemas. Con la intención de obtener la máxima información acerca de estas interacciones, los estudios se han centrado esencialmente en el poli(3,4-etilendioxitiofeno), un polímero conductor con excelentes propiedades y un amplio número de aplicaciones tecnológicas. Los cambios estructurales que se producen en el ADN como consecuencia de la formación de interacciones específicas, las preferencias del polímero conductor por secuencias nucleotídicas bien definidas, así como por con algunas bases nitrogenadas, han permitido proponer un mecanismo que explica la interacción entre las dos sistemas. Este mecanismo, que también se apoya en cálculos teóricos, es totalmente consistente con todos los datos experimentales descritos en esta Tesis. El Capítulo 5 está dedicado al análisis de la interacción entre las moléculas de morfina y los polímeros conductores. Dentro de este contexto general, este el proposito general de este bloque de resultados ha sido optimizar las condiciones necesarias para la detección de esta droga con poli(N-metilpirrol) y con poli(3,4-etilendioxitiofeno). Los estudios se han realizado teniendo en cuenta el efecto de: la morfología del polímero (es decir, se han examinado las tanto películas planas como películas formadas por microestructuras huecas con morfología tipo rosquilla), el tiempo de incubación con la morfina, y el pH del entono. En todos los casos la detección se ha realizado mediante técnicas electroquímicas, que incluyen tanto la espectroscopia de impedancia electroquímica, como la voltametría cíclica. Los resultados reflejan que, en condiciones controladas, los polímeros estudiados muestran no solo una elevada capacidad para capturar las moléculas de morfina, sino también para retenerlas por un período de tiempo largo. Se ha propuesto la fabricación de un dispositivo portátil para la detección de drogas basado en polímeros conductores. El Capítulo 6 es dedicado a la preparación y caracterización de nuevos biocomposites conductores híbridos para aplicaciones en nanobiotecnología y biomedicina. Concretamente, este bloque de resultados presenta la electropolimerización del poli(3,4-etilendioxitiofeno) con diferentes biomoléculas (es decir, un enzima, poli- y oligosacáridos, y un péptido) y la interacción de estos nuevos materiales híbridos con células. Se ha descubierto que, estos biocomposites conservan las propiedades electroquímicas del polímero conductor y que, además, muestran una prominente actividad celular. Los biocomposites que contienen lisozima, forman películas compactas y estables, muestran una elevada actividad bactericida contra las bacterias Gram (+), la cual es debida a que el enzima se libera de forma controlada. La actividad celular observada en los materiales que contienen dextrinas, sugiere que estos biocomposites son candidatos potenciales para la fabricación de soportes celulares. La incorporación de una baja concentración del CREKA en el polímero, tiene un efecto muy positivo en las propiedades electroquímicas del polímero conductor, mejorandolas. / This Thesis reports different nanobiotechnological applications of electrochemically and electrically conducting polymers. The central, and also common, focus of all the studies and experiments described in Chapters 4 to 6 is the interaction between synthetic conducting polymers and bioentities (DNA, proteins, polysaccharides, small peptides, drugs and cells). One of the major challenges of this Thesis consisted on the characterization of the interactions between conducting polymers and DNA. The studies described in Chapter 4 evidenced that specific hydrogen bonding interactions, in addition to conventional electrostatic interactions, are formed between conducting polymers bearing polar groups and plasmid DNA. In order to get more information about such interactions, studies were essentially focused on poly(3,4-ethylenedioxythiophene), a conducting polymer with excellent technological properties. On the basis of both the structural changes undergone by the DNA upon the formation of specific interactions with the conducting polymer and the preferences of the latter towards well-defined nucleotide sequences and bases, a mechanism has been proposed to explain the interaction between the two macromolecules. This mechanism, which is supported by theoretical calculations, is consistent with all the experimental data reported in this Thesis. Chapter 5 is devoted to examine the interaction between morphine molecules and conducting polymers. Within this general context, this block of results is essentially focused on the optimization of the conditions necessary for the detection of this drug using poly(Nmethylpyrrole) and poly(3,4- ehylenedioxythiophene). Studies have been performed considering the effect of: the polymer morphology (i.e. both flat films and films containing hollow microstructures with doughnut-like morphologies have been examined), the time of incubation with morphine, and the pH of the environment. In all cases detection was carried out using electrochemical techniques, which include electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. Results reflect that, under controlled conditions, the investigated conducting polymers exhibit a high ability to capture morphine molecules, retaining them for a long period of time. In addition, the fabrication of a portable drug detector device based on conducting polymers has been proposed. Finally, Chapter 6 is devoted to the preparation and characterization of new hybrid conducting biocomposites for nanobiotechnological and biomedical purposes. More specifically, this block of the work presents the electropolymerization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) with different biomolecules (i.e. an enzyme, poly- and oligosaccharides, and a small peptide) and the interaction of these new hybrid materials with cells. It was found that, in general, the prepared biocomposites retain the electrical and electrochemical properties of the individual conducting polymer and, in addition, show a prominent cellular activity. Lysozyme-containing biocomposites, which form compact and stable films, exhibit a high bactericidal activity against Gram (+) bacteria, which is promoted by a controlled release of the enzyme. The remarkable cellular activity of dextrins-containing materials suggests that they are potential candidates for the fabrication of cellular scaffolds. Finally, the incorporation of a low concentration of CREKA peptide into the polymer matrix resulted in a very positive effect on the electrochemical properties of the conducting polymer, which were considerably enhanced.

Es bien sabido que las interacciones de canje inducidas entre materiales ferromagnéticos (FM) y antiferromagnéticos (AFM) cuando son enfriados desde una temperatura superior a la temperatura de Néel, TN, del AFM, hacen aumentar la coercividad, HC, del componente FM. Nosotros hemos analizado los efectos de hacer una molienda mecánica de polvos FM (Co o SmCo5) con AFM (con TN, ya sea por encima de temperatura ambiente, por ejemplo el NiO, o por debajo, por ejemplo el CoO). Se han estudiado varias combinaciones (Co + NiO, SmCo5 + NiO y SmCo5 + CoO), dando especial énfasis a los sistemas FM + NiO. Los distintos comportamientos estructurales y magnéticos del Co y del SmCo5 durante la molienda y los tratamientos térmicos hacen necesario adaptar la ruta de procesado adecuadamente para cada caso. Así, en los sistemas Co + AFM los efectos de las interacciones FM-AFM se inducen mayoritariamente después de un enfriado en campo de los polvos molidos desde T > TN. Contrariamente, en polvos SmCo5 + AFM, los tratamientos térmicos deterioran enormemente las propiedades magnéticas duras del SmCo5. De todas formas, un análisis comparativo de las propiedades del SmCo5 molido con NiO o con CoO parece indicar que, en cierto grado, las interacciones de canje pueden, de hecho, inducirse en el SmCo5 + NiO durante la molienda. Las interacciones de canje FM-AFM se manifiestan en un desplazamiento del ciclo de histéresis y unos aumentos de HC y de la razón de cuadratura, MR/MS. Estos efectos se observan a temperatura ambiente siempre que TN sea mayor que la temperatura ambiente (por ejemplo, con NiO). Además, si se optimizan las proporciones de FM a AFM, así como las condiciones de molienda, también es posible aumentar, hasta cierto punto, el producto de energía, (BH)Max. Por un lado, el aumento del contenido de AFM hace aumentar las interacciones FM-AFM (induciendo un aumento de HC y MR/MS). Sin embargo, como la imanación de un AFM es prácticamente nula, la imanación de saturación del material compuesto FM-AFM se ve también reducida proporcionalmente al porcentaje de AFM. Como consecuencia de estos dos efectos competitivos, se obtiene que las composiciones que maximizan HC no son las óptimas para aumentar (BH)Max. Por tanto, tanto el tiempo de molienda como las proporciones FM:AFM deben optimizarse adecuadamente dependiendo de las propiedades magnéticas deseadas para los productos finales. / Ferromagnetic (FM) - antiferromagnetic (AFM) exchange interactions induced after field cooling FM-AFM composites through the Néel temperature of the AFM are known to increase the coercivity, HC, of the FM component. We have studied the effect of milling different FM (Co or SmCo5) with AFM powders (with TN, either above room temperature, e.g. NiO, or below room temperature, e.g. CoO). Several combinations (i.e. Co + NiO, SmCo5 + NiO and SmCo5 + CoO) have been studied, with special focus on FM + NiO composites. The different structural and magnetic behaviors of Co and SmCo5 during ball milling or heat treatments make it necessary to properly adapt the processing route for each case. Thus, in Co + AFM composites the effects of FM-AFM exchange interactions are mainly induced after field cooling the as-milled powders from above TN. Contrarily, in SmCo5 + AFM powders, heating results in deterioration of the hard magnetic properties. However, comparison of the magnetic properties of SmCo5 milled with NiO or with CoO indicates that for SmCo5 + NiO some exchange interactions can be actually induced during the milling. FM-AFM exchange interactions result in a shift of the hysteresis loop and in enhancements of HC and the squareness ratio, MR/MS. These effects are observed at room temperature, provided that TN is above room temperature (i.e. for NiO). In addition, an enhancement of the energy product, (BH)Max, can also be accomplished, to a certain extent, after optimization of the FM:AFM ratio and milling conditions. On the one hand, an increase of the AFM content brings about an increase of FM-AFM exchange interactions (i.e. an increase of HC and MR/MS). Nevertheless, on the other hand, since the AFM has a zero net magnetization, the overall saturation magnetization, MS, of the FM-AFM composites decreases proportionally to the amount of AFM. As a consequence of these competing effects, it has been found that the compositions resulting in maximum coercivities are not the optimum ones to enhance (BH)Max. Therefore, both the milling time and the FM-AFM ratio need to be optimized depending on the desired properties for the final materials.

Aquest estudi es presenta com a resultat de la major part de la recerca que he portat a terme en els quatre anys del meu doctorat (2002-2006), el qual ha estat finançat per l'AGAUR (acrònim de Agència de gestió d'ajuts universitaris i de recerca).Els estudis que es presenten s'han dut a terme en associació al LLS ("Laboratori de Llum de Sincrotró": consorci format per a la Universitat Autònoma de Barcelona, la Generalitat i l'Estat).En el capítol 1 es presenten els onduladors dins del marc dels sincrotrons, així com de forma resumida les propietats principals dels primers. Es tracta doncs d'una introducció teòrica.El contingut dels capítols 2 i 4 va ser recollit i desenvolupat durant la meva estada al sincrotró Elettra de Trieste, Itàlia. El capítol 2 conté una descripció intensiva i exhaustiva de les tècniques i mètodes de caracterització i implementació dels onduladors. Es tracta d'una descripció del mètode experimental.El capítol 3 conté una sèrie d'estudis de diferents mètodes per al disseny d'un ondulador. Aquests mètodes han estat desenvolupats per l'autor per tal d'implementar un dels 4 onduladors que s'instal·larà en el futur sincrotró ALBA a Cerdanyola, Espanya.En el capítol 4 descriu el muntatge d'un ondulador de polarització helicoïdal. En aquest apartat ressaltarem els problemes originats per les inhomogeneïtats dels blocs magnètics. En el capítol 5 es planteja un nou mètode d'ordenació de blocs per al muntatge d'onduladors basat en el desenvolupament multipolar. Amb aquest mètode es pretén solucionar les mancances d'altres mètodes existents com els utilitzats en el capítol 3, en particular les mancances relacionades amb les inhomogeneïtats dels blocs.En el capítol 6 es presenten les conclusions resumides de tots aquests estudis. / Este estudio se presenta como resultado de la mayor parte de la búsqueda que he llevado a cabo en los cuatro años de mi doctorado (2002-2006), el cual ha estado financiado por el AGAUR (acrónimo de Agencia de gestión de ayudas universitarias y de búsqueda).Los estudios que se presentan se han llevado a cabo en asociación al LLS ("Laboratorio de Luz de Sincrotón": consorcio formado por la Universidad Autónoma de Barcelona, la Generalidad y el Estado).En el capítulo 1 se presentan los onduladores dentro del marco de los sincrotones, así como de forma resumida las propiedades principales de los primeros. Se trata pues de una introducción teórica.El contenido de los capítulos 2 y 4 fue recogido y desarrollado durante mi estancia al sincrotón Elettra de Trieste, Italia. El capítulo 2 contiene una descripción intensiva y exhaustiva de las técnicas y métodos de caracterización e implementación de los onduladores. Se trata de una descripción del método experimental.El capítulo 3 contiene una serie de estudios de diferentes métodos para el diseño de uno ondulador. Estos métodos han estado desarrollados por el autor para implementar uno de los 4 onduladores que se instalará en el futuro sincrotón ALBA a Cerdanyola, España.En el capítulo 4 describe el montaje de uno ondulador de polarización helicoidal. En este apartado resaltaremos los problemas originados por las inhomogenidades de los bloques magnéticos. En el capítulo 5 se plantea un nuevo método de ordenación de bloques para el montaje de onduladores basado en el desarrollo multipolar. Con este método se pretende solucionar las deficiencias de otros métodos existentes como los utilizados en el capítulo 3, en particular las deficiencias relacionadas con las inhomogenidades de los bloques.En el capítulo 6 se presentan las conclusiones resumidas de todos estos estudios. / This study appears as resulting from most of the search which I have carried out in the four years of my doctorate (2002-2006), which has been financed by the AGAUR (acronym of Agència de gestió d'ajuts universitaris i de recerca). The studies that we present have been carried out in association to the LLS ("Laboratori de Llum de Sincrotró": partnership formed by the Autonomous University of Barcelona, the Catalan local Government and the state Goverment).In chapter 1 we present the undulators within the frame of synchrotrons, as well as the summarized study of their main properties. The content of chapters 2 and 4 was gathered and developed during my stay synchrotron Elettra de Trieste, Italy. Chapter 2 contains an intensive and exhaustive description of the techniques and methods of characterization and implementation of the undulators. Chapter 3 contains a series of studies of different methods for the design for one undulator. These methods have been developed by the author to implement two of the 4 undulators that will used in the future in synchrotron ALBA in Cerdanyola, Spain. In chapter 4 it describes the assembly of one undulator of helical polarization. In this section we will emphasize the problems originated by the inhomogeneities of the magnetic blocks.In chapter 5 a new method of arrangement of blocks for the assembly of undulators considers based on the multipolar development. With this method we try to solve the lacks of other existing methods like the used ones in chapter 3, in particular the lacks related to the inhomogeneities of the blocks. In chapter 6 we summarize the conclusions of all these studies.