Para comprender propiedades esenciales de materiales es necesario disponer de una configuración experimental de alta precisión. Nanocalorimetría basada en membranas es una herramienta importante para el análisis termo‐físico ya que esta técnica puede lograr resoluciones en el orden de pJ/K facilitando la detección de posibles nano‐fases en materiales modernos. Algunos materiales de nueva generación pueden ser complicados de producir en alta escala y sólo pueden estar disponibles en cantidades pequeñas o en capas delgadas. Algunos ejemplos de aplicaciones atractivas incluyen la síntesis de alto rendimiento de capas delgadas e hidruros metálicos para el almacenamiento de hidrógeno, estudio de los efectos cuánticos y transiciones de fase en sistemas magnéticos, en los sistemas de escala nanométrica para la investigación de vidrios orgánicos y/o sintéticos a temperaturas superiores/inferiores a temperatura ambiente. Condiciones adiabáticas se vuelven más complicadas de satisfacer cuando la temperatura y las dimensiones de la muestra disminuyen. Medidas puntuales de capacidades caloríficas pequeñas a temperaturas bajas resultan complicadas debido a que pequeñas transferencias de calor involucradas en el ambiente podrían contribuir a grandes errores. Con el objetivo de medir el calor liberado o absorbido durante transiciones de fase en pequeñas muestras, hemos desarrollado una técnica calorimétrica basada en compensación de potencia que puede mantener ritmos de calentamiento lineales de 1 – 1000 K/s en condiciones no adiabáticas. El dispositivo funciona en el rango intermedio entre valores calorimetría convencionales β < 5 K/s, y de capas fina, β >10 3 K/s. Control activo en tiempo real durante el proceso de calentamiento/enfriamento se lleva a cabo mediante la utilización de la tarjeta FPGA NI‐7833, la cual incluye un campo programable de matrices de 3M de memoria con un lazo de control de 20 μs. Una mejora de la metodología existente logra minimizar la acción de control a través de la implementación de perfiles predefinidos de intensidad. Con una resolución en energía de ~1μJ, este es un sistema calorimétrico muy sensible basado en compensación de potencia. Además, se destaca la capacidad de esta técnica de calorimetría basada en membranas de capa fina para caracterizar transiciones de fase limitadas cinéticamente como lo es el proceso de des‐hidrogenación en hidruros metálicos. Proporcionamos una primera visión sobre el desarrollo de una técnica de detección multi‐paralela de alto rendimiento. Se analizaron las reacciones de des‐hidrogenación en varios hidruros metálicos de capa fina (Magnesio puro, Mg/Al y MgTi). Se determinó la influencia de la composición de la aleación a la temperatura inicial de des‐hidrogenación. Capas vítreas de moléculas orgánicas preparadas mediante deposición en fase vapor a temperaturas ligeramente por debajo de la temperatura de transición vítrea se comportan como vidrios más estables comparados a los enfriados desde el líquido. Una alta estabilidad se obtiene al depositar alrededor de 0.8 Tg. Mediante nanocalorimetría podemos monitorear el comportamiento de las muestras y determinar su estabilidad cinética y termodinámica. Capas vítreas de tolueno, etilbenceno y agua fueron preparadas directamente en las membranas de SiN de los calorímetros a bajas temperaturas (90K) utilizando un evaporador en una cámara de alto vacío. Los tratamientos térmicos se llevan a cabo insitu mediante una técnica de calorimetría altamente sensible con ritmos de calentamiento en el orden de 105 K/s a capas finas entre 5 – 100 nm de grosor. Las capas más finas disponen de una estabilidad cinética menor mientras aumentan su estabilidad termodinámica. Procesos de envejecimiento modificará las propiedades físicas del vidrio acercándose a configuraciones de alta estabilidad. Los efectos de envejecimiento se borran cuando se caliente el vidrio por encima de su transición vítrea. La temperatura de envejecimiento con mayor impacto corresponderá a la temperatura ficticia (Tf) de la capa depositada en fase vapor. / To understand essential properties of materials it is necessary to dispose of an experimental countenance with a high accurate thermodynamic measurement system. Membrane‐based nanocalorimetry is an important tool for thermophysical analysis since this technique can achieve pJ/K resolution and characterize the presence of possible unknown nanophases in modern materials. Some new class materials may be complicated to produce in large size samples and can just be available in small quantities or thin films. Examples of attractive applications of novel calorimetric techniques include highthroughput synthesis and screening of thin films and metal hydrides for hydrogen storage, the study of quantum effects and phase transitions in magnetic systems, in nano‐scale systems to investigate synthetic and/or organic glasses below/above room temperature. Adiabatic conditions become more complicated to be satisfied when the temperature and sample dimension decreases. Accurate measurements of low temperature heat capacities become thus more difficult because small heat fluxes from the surroundings can lead to significant errors. With the goal of measuring the heat released or absorbed during phase transitions occurring in small samples, we have developed a power compensated membrane‐based calorimeter that can maintain linear heating rates spanning 1– 1000 K/s under non‐adiabatic conditions. The device works in the intermediate range of heating rates between conventional, β < 5 K/s, and thin film, β >10 3 K/s, scanning calorimeters. Active control in real time during heating/cooling experiments is achieved using the NI‐7833 FPGA card, which includes a 3M field programmable array with a control loop timer of 20 μs. An improvement of the existing methodology [7] achieved by minimizing control action through the use of predefined temperature profiles is also demonstrated. With ~1μJ energy sensitivity, this is a very sensitive scanning calorimeters working in power‐compensation mode [8]. In addition, we highlight the suitability of the thin film membranebased calorimetric technique to measure kinetically limited phase transitions such as the dehydrogenation of metallic hydrides and provide a first insight into the development of a multiparallel high‐throughput screening technique. We analyzed the dehydrogenation reaction in several metallic hydrides (pure Mg, Mg/Al and MgTi) thin films. We determine the influence of the alloy composition on the onset dehydrogenation temperature. Glassy films of organic molecules grown by physical vapor deposition at temperatures slightly below the glass transition temperature behave as stable glasses compared to those cooled directly from the liquid. Higher stability is achieved when depositing at 0.8Tg. By means of nanocalorimetry we can monitor the behavior of the samples and determine their kinetic and thermodynamic stability. Glassy toluene, ethylbezene and water films were directly deposited using a home‐made evaporator design in an ultra high vacuum chamber onto the SiNx membrane of the microcalorimetric chips at temperatures above liquid‐nitrogen. Calorimetric scans are done in situ with a high sensitivity calorimetric setup with scanning rates up to 10 5 K/s. In quasi‐adiabatic treatment ultrafast heating rates are applied for samples from 5 to 100 nm thickness. Thinner films dispose of a less kinetic stability while increasing their thermodynamical stability. Aging a glass will modify its physical properties and approach the sample to more stable configurations. Physical aging effects are erased by heating the glass above its glass transition. The optimal aging temperature will correspond to fictive temperature (Tf) of the corresponding AD film. Kinetic effects on several transitions such as crystallization are of high interest. With nanocalorimetry it is possible to study this type of phenomena. With pulse‐heating we can apply fast (15000 K/s) and ultra fast (40000 K/s) heating rates and characterize different size samples. Although in some cases these complex kinetic events may have to be supported with proper and high‐quality modeling.

La nanocalorimetria abre la posibilidad de realizar medidas calorimétricas en capas finas o ultra finas debido al substancial aumento de sensibilidad que presenta respecto a los sistemas comerciales. Basándonos en esa premisa, este trabajo de investigación se ha dedicado al desarrollo de nanocalorimetros basados en membranas que incorporan calentadores y termómetros en capa fina, que permiten reducir la capacidad calorífica de la celda calorimétrica y por tanto al aumento den sensibilidad.En la primera parte de la tesis describimos las técnicas de procesado de semiconductores que se usan para fabricar los microdispositivos con una especial atención a su estabilidad térmica a alta temperatura. Se muestra que usando como actuador una la combinación metálica de Pt/Ti cubierta por Al2O3, se puede utilizar con gran reproducibilidad para calentar/sensar hasta temperaturas de alrededor de 1200K.La nanocalorimetria adiabática se presenta en el capitulo 4. La técnica trabaja a ritmos de calentamiento alrededor de 104 K/s. A estos ritmos de calentamiento se pueden estudiar transformaciones de fase en capas ultrafinas con una sensitividad en energía inferior al nJ. El ruido pico a pico asociado a las medidas de capacidad calorífica es de alrededor a 20 pJ/K, para transformaciones reversibles. La dependencia con el tamaño del punto de fusión y de la entalpía de transformación para capas finas de In se han analizado como estudio preliminar. También presentamos una nueva metodología para poder evaluar la potencia de pérdidas a altas temperaturas. Empleando esta metodología se ha determinado la capacidad calorífica de capas muy finas de Ni alrededor de la transición de curie. Se presencia un estudio en el que se evidencia como los efectos de tamaño tienen un rol fundamental en la transición. La última parte de este capítulo presenta el análisis de capas ultrafinas de Ge encapsuladas entre capas de SiO2 cuando son sometidas a calentamientos ultrarápidos hasta 1200K. Se describen la transformación de amorfo a líquido así como la dependencia con el tamaño de la fusión y el sobreenfriamiento de nanocristales de Ge.En el capítulo 5 presentamos un nuevo sistema de control digital que hemos desarrollado para trabajar con los nanocalorímetros en modo compensación de potencia a ritmos de calentamiento que se expanden desde 0.1 hasta 103 K/s. Este sistema ha permitido analizar muestras de microgramos con sensitividades energéticas de µJ. Este nuevo desarrollo abre la posibilidad al estudio de transformaciones cinéticamente limitadas que típicamente necesitan de ritmos de calentamiento bajos, como por ejemplo para analizar los procesos de RTA (rápidos recocidos térmicos) usados en la industria microelectrónica.Finalmente, en los apéndices tratamos la teoría de control calorimetría y la cristalización de capas finas de Ge de diferentes espesores. / Thin film calorimetry opens the possibility to perform calorimetric measurements on ultra-thin or thin films due to the substantial increase in sensitivity compared to commercial systems. Based on this premise, the present research work deals with the development of membrane-based nanocalorimeters incorporating thin film heaters and thermometers which can work with high sensitivity because of their very low thermal mass. In the first part we describe semiconductor processing techniques that are used to fabricate the microdevices with a special care devoted to their high temperature thermomechanical stability. It is shown that alumina coated Pt/Ti resistive elements can be reproducibly used for heating/sensing up to temperatures around 1200 K. Quasi-adiabatic nanocalorimetry is presented in Chapter 4. The technique works at heating rates above 104 K/s. At these rates phase transitions in ultra-thin films can be measured with energy sensitivity in the nJ range. The associated noise in heat capacity is around 20 pJ/K, for reversible transitions. The size-dependent melting point and enthalpy of ultra-thin films of In is analyzed as a case study. A new methodology to account for power losses at high temperatures is presented in this chapter. By employing this methodology the heat capacity of very thin films of Ni at the Curie transition is determined. It is shown that size effects also play a key role in this transition. The last part of this chapter is devoted to the analysis of ultra-thin films of Ge embedded within SiO2 layers during ultrafast heating up to 1200K. The melting of the amorphous phase along with the size-dependent melting and supercooling of Ge nanocrystals is also described. In Chapter 5 we present a new digital-based control system which has been developed to work in power compensation mode at heating rates spanning from 0.1 to 103 K/s. It permits to analyze samples in the microgram range with a energy sensitivity around the µJ. This new development opens the possibility to study kinetically limited transformations that typically need for lower rates or to mimic real conditions similar to those achieved in rapid thermal processing in the microelectronic industry. Finally, several appendix dealing with control theory, calorimetry and the crystallization of Ge films of different thickness are also presented.