En términos generales, la flexoelectricidad es la respuesta de la polarización a un gradiente de deformación. A diferencia del efecto piezoeléctrico, este efecto está presente en todos los materiales independientemente de su estructura cristalina. En esta tesis doctoral, hemos estudiado la polarización inducida por deformación en cristales dieléctricos y semiconductores, la cual surge desde dos mecanismos: flexoelectricidad macroscópica y flexoelectricidad superficial. Los dos mecanismos son del mismo orden en dieléctricos normales y hasta ahora sus respectivas contribuciones han sido indistinguibles entre ellas. La investigación desarrollada en esta tesis muestra que es posible separar las dos contribuciones, además de mostrar que la deformación induce reorientación de las nanoregiones polares las cuales también pueden incrementar el coeficiente flexoelectrico efectivo sobre el valor intrínseco. La polarización puede ser generada por la separación de las cargas enlazadas entre los átomos o la celda unidad, pero también por la separación de cargas superficiales debido a las cargas libres. Hasta ahora cuando se refiere a flexoelectricidad, únicamente es tomada en cuenta la respuesta de las cargas enlazadas; sin embargo, en esta tesis doctoral se ha reportado que la polarización debida a las cargas libres también pueden contribuir, generando una gran respuesta flexoeléctrica efectiva en materiales semiconductores. Antes de esta investigación, habían numerosas controversias respecto a la verdadera magnitud del coeficiente flexoelectrico y el origen de la discrepancia entre los valores predichos teóricamente y experimentalmente. En el presente trabajo hemos buscado dilucidar esta situación y cuantificar el valor intrínseco del coeficiente flexoelectrico e identificar el origen de contribuciones adicionales a este. El mensaje principal de esta tesis es que el coeficiente macroscópico flexoeléctrico efectivo permanece en valores relativamente pequeño con un riguroso límite superior de f ≈ 10V para el coeficiente de flexoacoplo de incluso los mejores materiales, pero hay otra gran cantidad de fenómenos de polarización inducida debida a gradientes de deformación que pueden incrementar la respuesta total de este: nanoregiones polares, piezoelectricidad superficial y movimiento de cargas libres son las tres que hemos identificado, pero no descartamos la existencia de otras. Entre estos, la incorporación de cargas libres a la respuesta flexoeléctrica total en semiconductores es cuantitativamente la más grande y la más prometedora dando lugar a aplicaciones macroscópicas debida a su elevada magnitud del coeficiente flexoeléctrico y permitiendo a su vez que compita con la piezoelectricidad. / In general terms, flexoelectricity is the response of polarization to a strain gradient. In contrast to the piezoelectric effect, this effect is present in all materials regardless of their crystal structure. In this doctoral dissertation, we studied the bending-induced polarization in dielectric and semiconductor single crystals that arises from two mechanisms: bulk flexoelectricity and surface flexoelectricity. Both mechanisms are of the same order in ordinary dielectrics and, before this work, their respective contributions were considered indistinguishable one from another. The research in this thesis shows that it is possible to separate the two contributions. Additionally, we show that bending-induced reorientation of polar nanoregions can also enhance the effective flexoelectric coefficients well above the intrinsic value. Polarization can be generated by dielectric separation of bound charge within atoms or unit cells, but also by a space charge separation of free carriers. Until now, when referring to flexoelectricity, only the response from bound charge was taken into account; however, in this thesis dissertation we report that free charge also can also contribute, generating very big effective flexoelectric responses in semiconductor materials. Before this research, there were numerous controversies regarding the true magnitude of flexoelectricity and the origin of discrepancies between theoretically predicted values and actual experimentally measured ones. The present work has seeked to address this situation by quantifying the true value of the intrinsic flexoelectiricy and identifying the origin of additional contributions. The take-home message from this thesis is that true bulk flexoelectricity remains a relatively small effect with a stringent upper bound of f ≈10V for the flexocoupling coefficient of even the best materials, but that there are a number of other gradient-induced polarization phenomena that can greatly enhance the total response: polar nanoregions, surface piezoelectricity and movement of free charges are the three we have identified, but we do not discard the existence of others. Among these, the incorporation of free carriers to the total flexoelectric response in semiconductors is quantitatively the largest, and it also offers most promising route to elevating flexoelectricity to a level where it can compete with piezoelectricity even in bulk applications.

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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.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des propriétés magnétiques et structurales de différents types de nanostructures magnétiques: fils électrodéposés, plots circulaires et carrés. Il ressort de cette étude que dans le cas des fils électrodéposés de petit diamètre (29nm), la variation des différents paramètres de préparation comme le pH de la solution électrolytique,le courant de dépôt, conduit à différentes orientations de l'axe c. Un deuxième aspect qui nous a intéressé pendant ce travail a été l'influencé des interactions dipolaires sur les propriétés magnétiques des plots circulaires et carrés. Dans le cas des plots circulaires nous avons montré la possibilité de contrôler le sens de circulation de l'aimantation à l'intérieur des plots en arrangeant les plots dans des différentes configurations. On a analysé trois types des réseaux formés: des chaînes de deux plots, chaînes des plots en zig- zag et des plots arrangés dans une structure hexagonale. Sur les réseaux des plots circulaires et carrés, on a mis en évidence l'existence d'une anisotropie du champ de nucléation et d'annihilation. Cette anisotropie se manifeste par la variation du champ de nucléation et d'annihilation avec l'angle fait par le champ magnétique extérieur avec l'axe de la chaîne.

Aquesta Tesi Doctoral s'ha basat en el disseny de materials moleculars nanoporosos i magnètics. En aquest sentit, s'ha dissenyat una nova estratègia sintètica enfocada a l'obtenció de materials híbrids metal·lorgànics que combinin canals de grans dimensions i propietats magnètiques interessants. Fins aleshores, el disseny d'un material d'aquestes característiques presentava certes contradiccions sintètiques, fet que provocava que la seva síntesi resultés molt complicada. No obstant, la introducció, per part del nostre grup, d'una variació consistent en l'ús de lligands amb caràcter paramagnètic ha permès obtenir diversos materials amb ambdues característiques.Un primer material molecular nanoporós i amb ordenament magnètic (designat com a MOROF-1, metal-organic radical open-framework) s'ha sintetitzat utilitzant un ió metàl·lic com el coure(II) i un radical perclorotrifenilmetílic trifuncionalitzat amb tres grups carboxílics (D. MASPOCH, NATURE MATERIALS, 2002, 2, 190). Aquest compost presenta unes característiques nanoporoses realment interessants. Les dimensions dels seus canals són d'aproximadament 3 nm. A més, la desorpció i absorció de molècules de dissolvent (etanol o metanol) provoca uns canvis estructurals sorprenents: el materials té un comportament semblant al d'una esponja molecular; conferint-li unes bones característiques per poder actuar com a sensor de dissolvents com el metanol i etanol. A més, aquesta estructura altament porosa s'ordena ferromagnèticament a baixes temperatures. Aquest material també ha vingut acompanyat de dos nous materials, tots ells amb interessants propietats poroses i magnètiques. El material MOROF-2 (D. MASPOCH ET AL., CHEM COMMUN., 2004, 1164) es defineix com un sòlid paramagnètic amb una topologia arquitectònica inèdita fins ara i amb uns canals helicoidals. Altrament, el material MOROF-3 novament s'ordena magnèticament i també presenta una porositat important.Per altra banda, l'ús d'aquest radicals com a blocs moleculars paramagnètics enllaçats per ponts d'hidrogen també ha permès l'obtenció dels primers materials moleculars purament orgànics porosos i magnètics, els quals són estables en absència de dissolvent pressenten una estabilitat tèrmica elevada (275º©). Aicí, l'empaquetament del radical PTMDC forma un material molecular paramagnètic (POROF-1) amb una estructura composta d'uns nanocontenidors moleculars hidrofòbics de fins a 1 nm de diàmetre connectats a través de finestres hidrofíliques de 5 Å (D. MASPOCH ET AL., J. AM. CHEM. SOC., 2004, 126, 730) . D'altra banda, el radical PTMTC forma un segon material purament orgànic porós (POROF-2), el qual s'ordena magnèticament (D. MASPOCH, ANGEW. CHEM. INT. ED., 2004, 43, 1828).S'ha demostrat doncs la viabilitat de l'ús d'aquests nous materials moleculars porosos i magnètics com a materials de partida per la formació de materials moleculars multifuncionals. Aplicant aquesta aproximació, s'ha aconseguit sintetitzar un materials molecular porós que combina canals formats per parets amb diversos grups quirals i propietats magnètiques d'interès. / This thesis has mainly focused on the design of nanoporous and magnetic molecular materials. In this way, in our group, we have designed a new synthetic strategy for the obtaining of hybrid metal-organic materials that could combine large nanopores and interesting magnetic properties. Up to now, the design of this kind of materials shows some synthetic contradictions. However, the recently introduction of paramagnetic ligands in our group has allowed the obtaining several materials that show both characteristics.A first nanoporous molecular ferromagnet (referred as MOROF-1, Metal-Organic Radical Open-Framework) has been synthesized by the use of a paramagnetic metal ion such as Cu(II) and a perclorotrifenilmethyl radical trifucntionalized with three carboxylic functions (D. MASPOCH, NATURE MATERIALS, 2002, 2, 190). This material shows a really interesting nanoporous characteristics. The dimensions of their channels are around 3 nm. Furthermore, the desorption and absorption of solvent molecules (ethanol or methanol) produces surprising structural changes: this material shows a similar behavior of that a molecular sponge; giving an excellent characteristics to behave as a sensor for solvents such as ethanol or methanol. Furthermore, this highly porous structure shows a magnetic ordering at low temperatures.This material has been accompanied by two new materials, both with interesting porosity and magnetic properties. MOROF-2 (D. MASPOCH ET AL., CHEM COMMUN., 2004, 1164) is a paramagnetic solid with a new topology and helicoidal channels. Moreover, MOROF-3 also shows a magnetic ordering and a highly porosity characteristic. On the other hand, the use of this radicals as paramagnetic organic building-blocks linked by hydrogen-bonds has allowed the design of the first purely organic nanoporous and magnetic materials, which are stable in absence of solvent molecules and are stable at high temperatures (275 ºC). Thus, the proper packing of PTMDC radical forms a paramagnetic molecular material (POROF-1) with a structure composed by hydrophobic nanocontainers of 1 nm connected by narrow hydrophilic windows of 5 Å (D. MASPOCH ET AL., J. AM. CHEM. SOC., 2004, 126, 730). Furthermore, PTMTC radical forms a second purely organic material (POROF-2), which are magnetically ordered (D. MASPOCH, ANGEW. CHEM. INT. ED., 2004, 43, 1828).It has been also showed the possible use of this new nanoporous and magnetic molecular materials for the formation of new multifunctional molecular materials. With this aim, a new porous materials that combines channels covered by chiral groups and interesting magnetic properties has been obtained.

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.