Esta tesis describe el desarrollo de una tecnología para depositar películas delgadas de polímeros aislantes y materiales compuestos, para aplicaciones en transistores orgánicos de efecto de campo (OFETs). Los materiales compuestos se componen de un semiconductor y un aislante. El aislante es el aglutinante y el semiconductor el material activo. Los materiales activos son polímeros o moléculas pequeñas. Los aglutinantes son estirenos, metacrilatos o combinaciones de ambos. A fin de demostrar las capacidades de la tecnología desarrollada, nombrada Bar Assisted Meniscus Shearing (BAMS), películas delgadas de poliestireno sobre Si/SiOx fueron depositadas, espesores típicos en el intervalo de 50 a 80 nm se encontraron, también valores de RMS en el rango de 0,5 a 0,6 nm fueron determinados, y confirma que películas muy lisas fueron formadas con aplicación tentativa a dieléctricos. Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) es ampliamente utilizado en transistores orgánicos de efecto de campo. Materiales compuestos basados en P3HT y poliestireno fueron probados. OFETs basados en materiales compuestos que sólo utilizan un 10% del material activo (P3HT) mostraron una movilidad de 0,1 cm2V-1s-1 y dicho valor coincide con el valor máximo de mobilidad reportado en literatura hasta la fecha para P3HT puro. Es importante destacar que todos los OFETs fabricados por BAMS usando materiales compuestos tienen voltajes de umbral alrededor de cero voltios a pesar de que toda la fabricación y caracterización se llevo a cabo en aire. Los semiconductores poliméricos juegan un papel muy importante dentro de los semiconductores orgánicos, debido a su ventaja de la capacidad de procesamiento. Por otra parte, las moléculas pequeñas carecen de procesabilidad pero en general poseen una alta mobilidad. Así, materiales compuestos se han desarrollaron para añadir procesabilidad a las pequeñas moléculas, pero tratando de mantener una alta mobilidad. Derivados del TTF, dibenzo - tetratiafulvaleno (DB-TTF), ditiofeno - tetratiafulvaleno (DT-TTF) y bis (etylenetio) - tetratiafulvaleno (BET-TTF) fueron las tres moléculas pequeñas investigadas. En primer lugar, películas térmicamente evaporadas de DB-TTF y BET-TTF puros fueron investigadas y su estabilidad en aire evaluada, se encontró que ambos son extremadamente inestables en presencia de oxígeno y agua. La inclusión de BAMs ha demostrado ser eficaz para producir OFETs basados en materiales compuestos. En primer lugar, se investigaron mezclas de poli (-metil-estireno) (PAMS), y DB-TTF. Los OFETs fabricados muestran estabilidad en aire y características de salida y de transferencia como las de un libro de texto, todas con mobilidades aceptables en el rango de 10-3 cm2V-1s-1. También OFETs a base de poliestireno isotáctico y DB-TTF se investigaron y mobilidades en el intervalo de 10-2 cm2V-1s-1 fueron encontradas. Además, una investigación de composiciones para los materiales compuestos se llevo a cabo, variando relaciones de mezcla y el peso molecular del poliestireno. Dicha investigación reveló que la mejor combinación es la relación de DB-TTF y poliestireno para GPC 3000 (PS3000) en una proporción 1: 2. Después de un estudio a fondo se obtuvo una mobilidad promedio para tal mezcla en el rango de 10-1 cm2V-1s-1 y tensiones umbrales cercanas a cero voltios, sin embargo vale la pena destacar que valores de mobilidad tan altos como 0.7 cm2V-1s-1 fueron encontrados. Medidas en función de la temperatura fueron llevadas a cabo y revelaron que el transporte de carga para estos dispositivos (DB-TTF: PS3000 1: 2) apuntan hacia una movilidad independiente de la temperatura, que correctos a nuestro saber y entender es el primer semiconductor orgánico procesado en solución que exhibe tal comportamiento. Otro comportamiento digno de resaltar fue el encontrado cuando los dispositivos constituyen inversores, ganancias tan altas como 300 fueron encontradas, lo que también a la actualidad es el valor de ganancia más alta para inversores orgánicos. / This thesis describes the development of a technology to deposit thin films of insulating polymers and composite materials for applications in organic field-effect transistors (OFETs). Composite materials are comprised of a semiconductor and an insulator. The insulator is the binder and the semiconductor the active material. The active materials are either polymers or small molecules. Binders are styrenes, methacrylates or combinations of both. In order to first demonstrate the capabilities of the technology developed, namely Bar Assisted Meniscus Sheering (BAMs), thin films of polystyrene on Si/SiOx were deposited, typical thicknesses in the range of 50 to 80 nm were found, also RMS values in the range of 0.5 – 0.6 nm were found as well, and confirms very smooth films with tentative application as dielectrics. Poly-(3-hexylthiophene) (P3HT) is widely used is organic field-effect transistors. Composite materials comprised of P3HT and polystyrene were tested. OFETs fabricated based on composites which only use a 10 % of the active material exhibited a mobility of 0.1 cm2V-1s-1 such value match the maximum mobility value reported in literature to-date for pure P3HT. It is important to highlight that all OFETs fabricated by BAMS using based on the composites have threshold voltages around zero volts despite the fact that all fabrication and characterization were carried out in air. Polymeric semiconductors plays a very important role inside organic semiconductors, due to their advantage the processability. On the other hand, small-molecules lacks processability but in general possess high mobility than polymeric semiconductors. So, composite materials were devised to add processability to small-molecules, but trying to maintain high mobility. TTF derivatives, dibenzo - tetharthiafulvalene (DB-TTF), dithiophene - tetrathiafulvalene (DT-TTF) and bis(ethylenethio) – tetrathiafulvalene (BET-TTF) were the three small-molecules investigated. First, thermally evaporated films of pure DB-TTF and BET-TTF were investigated and their stability in air assessed, found that both are extremely unstable under the presence of oxygen and water even at ppm levels. The inclusion of BAMs have been proven effective in order to produce OFETs based on composites -- insulator binder and TTF-derivatives. First, poly−(−μετηψλ styrene) PAMS, and DB-TTF composites were investigated. OFETs fabricated shows stability in air and text-book like output and transfer characteristics, all with acceptable mobilities in the range of 10-3 cm2V-1s-1. Also OFETs based on isotactic polystyrene and DB-TTF were investigated reporting mobilities in the range of 10-2 cm2V-1s-1. Further, an screening of compositions for composites were carried out, varying blend ratios and the molecular weight of the polystyrene. The screening was carried out using bottom and top contact devices. The screening revealed that the best performing blend is DB-TTF and polystyrene for GPC 3000 (PS3000) in a ratio 1:2. After an in-depth study have been conducted found average mobility for such blend in the range of 10-1 cm2V-1s-1 and threshold voltages close to zero volts were also found, however is worth to highlight that mobility values as high as 0.7 cm2V-1s-1 were also found. Temperature measurements have been carried out and revealed that the charge transport found for these devices (DB-TTF:PS3000 1:2) point towards a temperature independent mobility, that to the best of our knowledge to-date is the first organic solution processed semiconductor that exhibits such behavior. Also when devices construct inverters gains as high as 300 were found, which also to-date and to the best of our knowledge is the highest gain value for organic based inverters.

El algoritmo de control proporcional integral derivativo (PID) es, sin duda, el más utilizado en el control industrial, empleado la mayoría de las veces como control proporcional integral (PI). El controlador debe ser acoplado (sintonizado) al proceso controlado considerando: el desempeño del sistema de control, su respuesta a cambios en el valor deseado y la perturbación; su robustez, capacidad para mantener el sistema de control estable ante cambios en las características dinámicas del proceso controlado; el uso y características del esfuerzo de control; y la fragilidad del controlador, el efecto de un cambio en sus parámetros. En esta tesis, se propone un procedimiento general de diseño para controladores PI/PID de dos grados de libertad (2GdL) que tiene como base la especificación de las funciones de transferencia del sistema de control de lazo cerrado, las cuales incluyen parámetros que afectan el compromiso entre el desempeño y la robustez. Considerando que los requerimientos de robustez, dependen del proceso controlado, y que esta es una especificación que no se puede evadir, la robustez, medida con la sensibilidad máxima, es utilizada como parámetro de diseño. La metodología de diseño de controladores denotada como Sintonización robusta por modelo de referencia (MoReRT), se aplica a la sintonización de controladores PI de 2GdL para procesos sobre amortiguados de primero y segundo orden, integrantes, con respuesta inversa, e inestables. También se hace una extensión del MoReRT a los controladores PID de 2GdL. El método MoReRT propuesto, empieza con la selección de las funciones de transferencia objetivo para el servo control y el control regulatorio. Estas establecen la forma deseada de las respuestas a un cambio en escalón en el valor deseado y la perturbación. La especificación de estas respuestas objetivo, toma en consideración las características del modelo del proceso controlado, en particular sus componentes de fase no mínima y el orden. Estas dependen también, de los parámetros de diseño que afectan el desempeño y la robustez del sistema de control. Los parámetros del controlador son obtenidos, optimizando una funcional de costo que evalúa la diferencia entre la respuesta objetivo y la obtenida con el controlador a sintonizar. Los parámetros de diseño son ajustados para alcanzar una robustez especificada. El alcance del nivel de robustez deseado para todos los modelos del proceso controlado considerados (sobre amortiguados, integrantes, e inestables), es una de las características distintivas de método de diseño MoReRT propuesto. / The proportional integral derivative (PID) is, with no doubt, the control algorithm most applied in industrial control used most of the time as proportional integral (PI) control. The controller must be matched (tuned) to the controlled process considering: control system performance, its response to changes in its inputs, set-point and disturbance; its robustness, its capabilities to keep the system stable in case of changes in the controlled process dynamics; control effort use and characteristics; and controller fragility, the effect of a change on the controller parameters. In this thesis, a general design procedure for two-degree-of-freedom (2DoF) PI/PID controllers is proposed based in the specification of the different control system closed-loop transfer functions that include parameters that affect the performance/robustness trade-off. Considering than the control system robustness requirement, is controlled process dependent, and more important, that it cannot be avoided, the robustness level, measured with the maximum sensitivity, is used as the design parameter. The proposed controller design methodology denoted as Model Reference Robust Tuning (MoReRT) is applied to tune 2DoF PI controllers for first- and second-order over damped, integrating, inverse response, and unstable controlled processes. An extension of the MoReRT to 2DoF PID controllers is also considered. The proposed MoReRT method starts with the selection of regulatory control and servo control closed-loop transfer functions targets. These transfer functions state the desired shapes for the disturbance and set-point step responses. The responses targets specification takes into account the controlled process model characteristics, particularly its non-minimum phase components and order. They depend also on the design parameters that affect the control system performance, control effort, and robustness. Controller parameters are obtained by optimizing a cost functional that evaluate the difference between the target total response and the one obtained with the controller to tune. Design parameters are adjusted to obtain a robustness level target. The accomplishment of the robustness target level for all the controlled process models considered (over damped, integrated, and unstable) is one of the distinctive characteristics of the proposed MoReRT design method.

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This thesis is focused on multi-sensor event detection schemes in Wireless Sensor Network (WSN). In the WSN, sensors individually take their observations, do some initial local processing and then send the result to the fusion center. Apart from this information, the fusion center may have prior information such as the known positions of sensors, the topology of the network or structures, features and patterns present in the received observations. In order to achieve better detection performance, the fusion center must exploit all this prior information in the best possible way. Keeping this in mind, in this thesis we focus on the exploitation of available a-priori information with the aim of developing enhanced and robust detection mechanisms. For instance, we exploit the fact that in most applications, the signal emitted from the event becomes a local physical phenomenon that only a"ects a small subset of sensors. Moreover, the a"ected sensors will be located close to the event as well as close to each other in the form of a spatial cluster. Hence, novel detection schemes are presented with a two-fold motivation: !rst, the exploitation of the relevant set of sensors, which helps in rejecting the noise; second, to take advantage of the signal correlation by using a-priori information about the positions of sensors. Based on these results, we move one step further and concentrate on the exploitation of both spatial and temporal correlation in the received observations. In this case, we propose detection schemes that explore di"erent matrix structures embedded in the observed covariance matrix, which naturally arise due to the underlying topologies of the multiple sensors. Numerical results are presented for all of the proposed schemes that show important advantages compared to traditional schemes.

En comunicaciones móviles, los avances de nuevas tecnologías están principalmente impulsados por el incremento en las velocidades de transmisión. Uno de estos avances es el uso de señales multiportadora que permiten una distribución flexible y eficiente de recursos en tiempo y frecuencia. Diversos sistemas utilizan esta característica para combinar funcionalidades de comunicaciones con posicionamiento, debido a la creciente demanda de servicios de datos y localización en dispositivos móviles. Sin embargo, la principal degradación en interiores y escenarios urbanos se produce por el efecto del canal multicamino, que induce un considerable sesgo en la estimación de distancias. Por lo tanto, es necesario contrarrestar el multicamino para alcanzar el máximo rendimiento en posicionamiento. Esta tesis aborda el potencial de las señales multiportadora en comunicaciones móviles para la estimación de distancias en canales severos, caracterizados por denso multicamino. Para ello, se considera el caso práctico del estándar de comunicaciones Long Term Evolution (LTE). Este estándar es de especial interés ya que define una señal multiportadora OFDM dedicada para posicionamiento mediante diferencias en los tiempos de llegada observados (OTDoA), llamada señal de referencia de posicionamiento (PRS). Por lo tanto, la primera parte de la tesis evalúa la precisión de posicionamiento alcanzable utilizando la PRS en LTE con receptores convencionales, como el filtro adaptado o las técnicas basadas en la correlación. La contribución principal de la tesis se encuentra en la segunda parte, con la introducción de la estimación conjunta del tiempo de retardo y la respuesta del canal. Ésta es una solución óptima para señales multiportadora, ya que la estimación de canal se puede implementar fácilmente en el dominio frecuencial. Sin embargo, la mayoría de los algoritmos de estimación conjunta se centran en aplicaciones de comunicaciones, sin considerar la precisión extrema de la estimación de retardo requerida para posicionamiento. Por lo tanto, en esta tesis se propone una innovadora parametrización del canal para caracterizar el multicamino cercano. Este modelo de estimación de canal se basa en el tiempo de retardo y términos equiespaciados junto a un término arbitrario, con una posición variable entre los dos primeros términos equiespaciados. Este nuevo método híbrido se adopta en el estimador de máxima verosimilitud conjunto (JML) del tiempo de retardo para mejorar la estimación de la distancia en presencia de multicamino cercano. La optimalidad del estimador se confirma ya que su varianza alcanza la cota de Cramér-Rao. El rendimiento de este estimador de distancias se compara con los estimadores convencionales en condiciones realistas de navegación. Estas condiciones se caracterizan mediante modelos de canal estándar adoptados en LTE, ruido Gaussiano blanco aditivo (AWGN) y los anchos de banda de LTE. Los resultados en las estimaciones del tiempo de retardo se utilizan para determinar el orden óptimo del modelo de los estimadores, y para evaluar la máxima precisión en la estimación de distancias. Se muestra una mejora importante mediante el estimador JML propuesto en entornos con multicamino cercano. En la última parte de la tesis, el objetivo es validar el rendimiento del estimador de distancias con señales LTE reales. Para ello, se desarrolla un receptor software-defined radio (SDR) para el posicionamiento OTDoA en LTE. Se utiliza un escenario preliminar con cuatro estaciones base sincronizadas para validar el sistema de posicionamiento. A continuación, se obtiene la envolvente del error producido por multicamino (MPEE) en los estimadores JML para los casos de señal emulada y simulada. El trabajo se completa con la validación del rendimiento del nuevo estimador conjunto de distancias, utilizando el receptor SDR en un canal urbano emulado. Los resultados obtenidos muestran la mejora en la precisión de las distancias del nuevo estimador en canales de navegación realistas. / The provision of high-data rates leads the advances of new technologies in mobile communications. One of these advances is the use of multicarrier signals that allow a flexible allocation of resources in time and frequency, thus the spectrum can be efficiently shared for different applications. This feature is used by several systems to combine communications and positioning capabilities, due to the increasing demand of data and location services. However, the main impairment in indoor and urban scenarios is the effect of the multipath channel, which induces a considerable bias on the ranging estimation. Thus, countermeasures against multipath are necessary to achieve the ultimate positioning performance. This thesis deals with the ranging capabilities of multicarrier signals in mobile communications over harsh environments, characterized by dense multipath. For this purpose, the practical case of the Long Term Evolution (LTE) mobile communications standard is considered. The LTE standard is of special interest because it defines an OFDM multicarrier signal dedicated to support the observed time difference of arrival (OTDoA) positioning, which is based on ranging estimates with respect to the reference base stations. This pilot signal is called positioning reference signal (PRS), and it is used for time-delay estimation (TDE) in the procedure to locate the mobile device. Thus, the first part of the thesis is aimed to assess the achievable localization capabilities of LTE conventional receivers, e.g. matched filter or correlation-based techniques, using the PRS. Despite the inter-cell interference can be mostly removed by the coordinated transmission of the PRS, multipath notably degrades the positioning accuracy of these conventional estimators. The main contribution of this thesis is provided in the second part, by introducing the joint estimation of time delay and channel response. This is an optimum solution for multicarrier signals, due to the straightforward implementation of the channel estimation in the frequency domain. However, most of the joint estimation algorithms are focused on communication applications, without considering the extreme accuracy of the TDE required for positioning. Thus, a novel channel parameterization is proposed in this thesis to characterize close-in multipath. This channel estimation model is based on the time delay and equi-spaced taps together with an arbitrary-tap with variable position between the first two equi-spaced taps. This new hybrid approach is adopted in the joint maximum likelihood (JML) time-delay estimator to improve the ranging performance in the presence of short-delay multipath. The optimality of this estimator is confirmed because its variance attains the Cram\'er-Rao bound. The ranging performance of this estimator is then compared to conventional estimators in realistic navigation conditions. These conditions are characterized by standard channel models adopted in LTE, additive white Gaussian noise (AWGN) and the LTE signal bandwidths. The resulting time-delay estimations are used to determine the optimum model order of the estimators, and to assess the achievable ranging accuracy. A notable improvement is shown by the JML estimator proposed in close-in multipath scenarios. In the last part of the thesis, the goal is to validate the ranging performance of the proposed estimator using real LTE signals. For this purpose, a software-defined radio (SDR) receiver is developed for OTDoA positioning in LTE. A preliminary scenario with four synchronized base stations is used to validate the positioning engine. Then, the multipath error envelope (MPEE) of the JML estimators is obtained for the emulated and simulated signal cases. The work is completed with the validation of the ranging performance of the new JML time-delay and channel estimator, by using the SDR receiver in an emulated urban channel. The results obtained show the improvement on the ranging accuracy of the new JML estimator over realistic navigation channels.

Las propiedades de conmutación de óxidos de metales de transición y vidrios calcogenuros en estructuras metal-aislante -metal se estudiaron en los años sesenta y setenta. Hoy en día, estas propiedades y materiales se están estudiando con renovado interés debido a que son muy prometedores tanto para dispositivos lógicos como para aplicaciones de memoria. Las memorias de cambio de fase (PCRAM) basadas en transiciones cristalino /amorfo inducidas por calentamiento Joule son ya una realidad comercial. Sin embargo, estos dispositivos sufren de corriente demasiado alta durante la programación y consumo de potencia elevado. En este sentido, la conmutación resistiva (RS) en óxidos de metales de transición se está investigado intensamente debido a su potencial como Memorias Resistivas de Acceso Aleatorio (RRAM). Estas estructuras son ideales para las matrices de memoria de tipo “crossbar” que actualmente están consideradas como los más prometedoras para la implementación del concepto “storage class memroy”. En particular, se considera que estas memorias podrían reemplazar en un futuro a las memorias flash NAND y también eventualmente a las memorias RAM estáticas (SRAM) y dinámicas (DRAM), reduciendo así la jerarquía de memoria en los sistemas de computación. Por otro lado, óxidos electroformados han permitido la primera implementación del dispositivo de estado sólido conocido como memristor , un dispositivo teóricamente propuesto por Chua en 1971 . Este dispositivo es muy prometedor para aplicaciones de lógica reconfigurable y para la aplicación de arquitecturas de computación neuromórficas . Hay tres factores importantes que en la actualidad impiden la transferencia de los resultados de RS a la aplicación industrial , (i) la falta de una adecuada comprensión de la física de los mecanismos físicos de RS, y (ii) la variación estadística de los parámetros de set y reset entre ciclos de operación y de dispositivo a dispositivo, así como (iii) los problemas de fiabilidad , tales como la baja retención a alta temperatura . Esta tesis se centra en dos cuestiones fundamentales: (1) estudiar la física de los mecanismos de conmutación y de conducción del filamento conductor (CF) y (2) la exploración y modelado de las estadísticas de conmutación. La tesis se ha dividido en tres partes principales. La primera de ellas está dedicada a poner de manifiesto la naturaleza del CF , sus propiedades de conducción y de los mecanismos que controlan las transiciones de set y reset. La segunda parte está dedicada al estudio de la variación estadística de los parámetros en los dispositivos RRAM. Partiendo de una implementación basada en celdas del modelo percolativo de la ruptura dieléctrica, se ha propuesto un modelo analítico para las estadísticas de SET y RESET en dispositivos RRAM. La tercera parte está dedicada a poner de manifiesto de tres estados RS efectos para los dispositivos basados en RRAM HfO2 usando tres métodos diferentes de estrés eléctrico, el estrés con rampa de tensión (RVS), estreses sucesivos de rampa de tensión (SVS) , y el estrés a tensión constante (CVS) . En la primera parte , el modelo de Quantum Punto de Contacto (QPC) se ha aplicado al estudio de las propiedades de conducción del CF en los dispositivos RRAM basados en HfO2, tanto en el estado de alta resistencia (HRS) como en el de baja resistencia (LRS). Sobre la base del método de transmisión de Landauer para la conducción a lo largo de constricciones microscópicas estrechas , se ha desarrollada la fórmula del modelo QPC para el caso de múltiples filamentos conductores. Esta ecuación es aplicable tanto al HRS como al LRS, tal como hemos demostrado en dispositivos RRAM basados en HfO2. Posteriormente , el modelo QPC ha sido reformulado en un enfoque multi- escala basado en el acoplamiento a los resultados de simulaciones ab-initio de caminos de vacantes de oxígeno. De esta manera, el modelo se ha simplificado para tener sólo tres parámetros y se ha explicitado una conexión directa con la geometría del CF. Mediante el ajuste de las características I-V experimentales tanto en HRS y los LRS hemos obtenido información indirecta sobre la estructura microscópica del CF en estructuras Pt/Ti/HfO2/Pt y Pt/HfO2/Pt. Para la estructura Pt/HfO2/Pt en modo RS no polar, el CF es simétrico y muy probablemente presenta su mayor constricción en el centro de la capa de óxido. Durante la transición de reset, el CF se estrecha progresivamente hast llegar a un límite de sólo uno o muy pocos caminos de vacantes de oxígeno que conectan los electrodos . Esta etapa es seguida por la apertura de un gap en el CF. La longitud de dicho gap determina la conductancia en el HRS y la puede cambiar en varios órdenes de magnitud. Para la estructura Pt/Ti/HfO2/Pt, el CF es altamente asimétrico, con la parte constrictiva más estrecha cerca de la interfaz entre el HfO2 y el Pt. Se cree que la película de Ti actúa como una capa de extracción de oxígeno y sirve para introducir una alta densidad de vacantes de oxígeno en el HfO2. En el caso de RS bipolar, se ha encontrado un gap en el CF en los dos estados (de mayor dimensión en el HRS) y también se ha puesto de manifiesto una reducción del área efectiva del CF. Para el modo RS unipolar, el número de caminos conductores en el HRS es mucho menor que en el modeo bipolar, aunque el resto de propiedades se mantiene muy parecida. En la segunda parte , hemos partido del modelo percolativo de ruptura basado en celdas como base para proponer un marco general para las estadísticas de conmutación resistiva filamentar. Dicho modelo consta de dos elementos principales: (i) un modelo geométrico basado en celdas para describir la dependencia de la distribución de la RS con la generación de defectos en el CF ; y (ii) un modelo determinista para la dinámica reset y set para describir la relación de la generación de defectos con variables mesurables tales como tensiones y corrientes. El análisis de resultados experimentales obtenidos en muestras Pt/HfO2/Pt han confirmado la validez del modelo estadístico tanto para el set como para el reset. En la tercera parte de la tesis, la transición de reset de las estructuras RRAM basadas en HfO2 se ha investigado en detalle, poniendo especial énfasis en revelar efectos de conmutación resistiva de tres estados. La existencia de un estado intermedio estable se ha puesto de manifiesto experimentalmente. Se ha demostrado que, en dicho estado, el CF se comporta como un cable cuántico (QW). Para ello se han utilizado tres métodos eléctricos diferentes, RVS , SVS y CVS . Este estado de QW se caracteriza por tener la conductancia del orden de la conductancia cuántica G0 ~ 2e2/h. Los tres estados de resistencia que se han puesto de manifiesto son: (1) el LRS, en el que el CF es muy ancho y presenta propiedades de conducción metálicas clásicas; (2) un estado de reset parcial en la que el CF se comporta como un QW y que puede ser tan estrecho como un camino conductor de un solo defecto; y (3) el HRS, en el que un gap se ha abierto en el CF. Un único QW canal de transporte con una conductancia del orden de G0 representa la frontera natural entre el LRS y el HRS. Por último, para mostrar el impacto del estado intermedio sobre las estadísticas de tensión de set y reset, se ha diseñado un test a dos fases, consistentes en una rampa de tensión precedida por un estrés a tensión constante que sitúa un buen número de dispositivos en el estado QW. / Switching properties of transition metal oxides and chalcogenide glasses in Metal-Insulator-Metal were studied in the sixties and seventies. Nowadays, these properties and materials are being studied with renewed interest because they are very promising both for logic and memory applications. Phase-change RAM memories based on crystalline/amorphous transitions induced by Joule heating are already a commercial reality. However, these memories suffer from too high programming current and power. In this regard, resistive switching (RS) in formed transition metal oxides is being intensively investigated due to their promising performance as Resistive Random Access Memories (RRAM). These structures are ideal for crossbar memory arrays that are presently considered as the most promising implementation of storage class memory. These memories might replace Flash NAND and also eventually DRAM and SRAM, thus reducing the memory hierarchy. On the other hand, formed oxides have allowed the first solid-state device implementation of the memristor, a device theoretically anticipated by Chua in 1971. This device is very promising for reconfigurable logic applications and for the implementation of neuromorphic computer architectures. There are two important issues which presently hinder the transfer of RS results to industrial application, (i) a lack of adequate understanding of the physics of the mechanisms of RS and (ii) the statistical variation of switching parameters during cycling and from device to device, and reliability issues such as retention at high temperature. This thesis focuses on two key issues: (1) unveiling the physics of the switching and conductance mechanisms of the Conducting Filament (CF) and (2) exploring and modeling the switching statistics. The thesis has been divided into three main parts. The first one is dedicated to reveal the nature of the CF, its conduction properties and the mechanisms which control its formation and disruption. The second part is dedicated to study the statistical variation of switching parameters of RRAM devices. Departing from the cell-based percolation model of gate dielectric breakdown to propose an analytical model for set and reset statistics in RRAM devices. The third part is dedicated to reveal three-state RS effects for HfO2-based RRAM devices using three different electrical stress methods, namely the Ramped Voltage Stress (RVS), the Successive Voltage Stress (SVS), and the Constant Voltage Stress (CVS). In the first part, the Quantum Point Contact (QPC) model has been applied to study the conduction properties of CF in HfO2-based RRAM devices both in the High Resistance State (HRS) and the Low Resistance State (LRS). On the basis of Landauer transmission approach to conduction along narrow microscopic constrictions, the formula of QPC model for multiple breakdown paths has been obtained in MOS devices. This equation can be applicable to both the HRS and the LRS in HfO2-based RRAM devices. Subsequently, the QPC model has been reformulated in a multi-scale approach based on coupling it to the results of ab-initio simulations of oxygen vacancy paths. In this way the model has been simplified to have only three parameters and has been given a direct link to the geometry of the CF. Fitting of the experimental I-V characteristics in both HRS and the LRS provides indirect information about the microscopic structure of the CF for Pt/Ti/HfO2/Pt and Pt/HfO2/Pt structures. For nonpolar Pt/HfO2/Pt structure, the CF is symmetry where the most constrictive part is in the center of the CF. Starting from a very wide CF in the LRS, the width of the CF in its narrowest part reduces to a limit where only one or few oxygen vacancy paths connect the electrodes. This stage is followed by the opening of a gap that the thickness of the most conductive single vacancy path determines the CF conductance in the HRS. For Pt/Ti/HfO2/Pt structure, the CF is highly asymmetric, with the narrowest constrictive part near the bottom of interface. The Ti film is believed to act as an oxygen extraction layer and to introduce a high density of oxygen vacancies in the HfO2. In the LRS, the CF area is rather large and there is one re-oxidized vacancy gap for bipolar RS mode, then the gap increases to two or three vacancies and the CF is narrower than the LRS. For the unipolar RS mode, the number of paths in the HRS is much less than bipolar RS mode, this is to say, the unipolar RS mode is more effective than bipolar RS mode. In the second part, we have departed from the cell-based percolation model of oxide BD to propose a general framework to deal with the statistics of CF-based resistive switching which is composed of two elements: (i) a cell-based geometrical model to describe the dependence of the RS distribution on the defect generation in the CF; and (ii) a deterministic model for the reset and set dynamics to describe the relation of the defect generation with measurable variables such as the voltages and currents. The experimental results based on the Pt/HfO2/Pt sample for reset and set statistics have confirmed the validity of the general statistics method and the physical analytical model. In the third part of the thesis, the reset transition of HfO2-based RRAM structures has been investigated in detail with emphasis on revealing three-state resistive switching effects. A rather stable intermediate state is revealed and shown to have the properties of a Quantum wire (QW) by using three different electrical methods, RVS, SVS and CVS. This QW state is characterized by having conductance of the order of the quantum of conductance G_0~2e^2/h and represents a natural boundary between two different electron transport regimes. Three resistance states are revealed: (1) the LRS, corresponding to a wide CF with classical metallic properties; (2) a partial reset state in which the CF behaves as a QW and which can be as narrow as a single-defect conducting path; and (3) the HRS, in which a physical gap has been opened in the CF. A single transport channel QW with a conductance ~G0 represents the natural boundary between two different reset states. Two-step reset experiments consisting in a low-voltage CVS stage followed by a conventional RVS cycle has been designed to show the impact of the intermediate state on the reset voltage and reset current statistical distributions.

La industria micro y nanoelectrónica requiere de múltiples líneas de investigación para la introducción de continuas mejoras en los dispositivos en términos de rendimiento, funcionalidad y escalabilidad. Una de estas mejoras se centra en la idea de utilizar el fenómeno de la ruptura dieléctrica como principio de operación de dispositivos electrónicos. Esta idea ha generado mucho interés recientemente, especialmente en el campo de las memorias no volátiles. Así, la investigación realizada a lo largo de esta tesis doctoral gira en torno a la ruptura dieléctrica de óxidos de alta permitividad y la posterior conducción filamentaria observada en capacidades metal-aislante-semiconductor (MOS) y metal-aislante-metal (MIM). En concreto, este trabajo se ha centrado en el estudio de tres principales objetivos que han concluido con la publicación de varios artículos, los cuales han permitido presentar esta tesis como compendio de publicaciones. Por un lado, se muestran los resultados del estudio realizado en relación con el fenómeno de conmutación resistiva observado en capacidades MOS, poniendo especial interés en el fenómeno de Threshold Switching el cual ha sido analizado en términos del modelo de contacto puntual cuántico. Por otro lado, se describen los resultados obtenidos en relación con el estudio y exploración del efecto de campo sobre caminos de ruptura dieléctrica generados en estructuras MIM planares. Para ello se ha realizado el diseño, simulación, fabricación y caracterización de varios dispositivos específicos cuyas dimensiones críticas son del orden de pocos nanómetros. De la caracterización de estas estructuras se han obtenido resultados que muestran indicios del efecto de campo sobre dichos caminos. Por último, se analiza la estadística espacial y temporal de múltiples caminos de ruptura observados en el electrodo superior de capacidades MOS y MIM obtenidos a partir del estrés eléctrico aplicado sobre las mismas. En este sentido, se han desarrollado tres métodos de análisis de distribuciones estadísticas para detectar posibles desviaciones respecto a un proceso aleatorio espacial completo: el primero basado en las distancias entre filamentos vecinos de orden k; el segundo relacionado con la caracterización espacio-temporal de los filamentos; y por último un método en el que se han desarrollado expresiones para el estudio de las distribuciones estadísticas de las distancias y ángulos de los spots en relación a un punto fijo asociado a la punta de inyección de carga utilizada para la generación de los eventos. / Micro and nanoelectronics industry requires multiple lines of research for introducing continuous improvements in electronic devices in terms of performance, functionality and scalability. One of these improvements focuses on the idea of using the dielectric breakdown phenomenon as a principle of operation of these devices. This idea has generated much interest recently, especially in the field of non-volatile memories. Thus, the research done in this thesis focuses its attention around the dielectric breakdown phenomena and the subsequent filamentary conduction observed in metal-oxide-semiconductor (MOS) and metal-insulator-metal (MIM) devices with high dielectric permittivity. Specifically, this work focuses on the study of three main objectives which have resulted in the publication of several articles and this has allowed presenting the thesis as a compendium of publications. The study shows results in relation to the resistive switching phenomenon observed in MOS devices, with particular interest in the phenomenon of Threshold Switching described in terms of the quantum point contact model. Furthermore, results regarding the study of the field-effect on dielectric breakdown paths generated in planar MIM structures are also described. With this goal, it is shown the design, simulation, fabrication and characterization of several devices whose critical dimensions are in the order of a few nanometers. The characterization of these structures shows preliminary results that point in the direction of the expected field effect. Finally, the spatial and temporal statistics of multiple breakdown paths, observed in the top electrode of MOS and MIM capacitors as a result of the applied electrical stress, is analyzed. Three methods were developed to analyze statistical distributions for detecting possible deviations from a complete spatial random process. One is based on the distances between neighboring filaments of order k; the second one concerns the spatio-temporal characterization of the observed filaments; and finally a method is presented, in which expressions have been developed, for the study of the statistical distributions of the distances and angles of the spots relative to a fixed point, which is associated with the charge injection point used in the generation of events.

The optimal exploitation of the information provided by hyperspectral images requires the development of advanced image processing tools. Therefore, under the title Hyperspectral image representation and Processing with Binary Partition Trees, this PhD thesis proposes the construction and the processing of a new region-based hierarchical hyperspectral image representation: the Binary Partition Tree (BPT). This hierarchical region-based representation can be interpreted as a set of hierarchical regions stored in a tree structure. Hence, the Binary Partition Tree succeeds in presenting: (i) the decomposition of the image in terms of coherent regions and (ii) the inclusion relations of the regions in the scene. Based on region-merging techniques, the construction of BPT is investigated in this work by studying hyperspectral region models and the associated similarity metrics. As a matter of fact, the very high dimensionality and the complexity of the data require the definition of specific region models and similarity measures. Once the BPT is constructed, the fixed tree structure allows implementing efficient and advanced application-dependent techniques on it. The application-dependent processing of BPT is generally implemented through a specific pruning of the tree. Accordingly, some pruning techniques are proposed and discussed according to different applications. This Ph.D is focused in particular on segmentation, object detection and classification of hyperspectral imagery. Experimental results on various hyperspectral data sets demonstrate the interest and the good performances of the BPT representation

El objetivo de esta tesis es el de la mejora del rendimiento de dispositivos electroquímcos miniaturizados, con énfasis en pilas de combustible microbianas y sensores electroquímicos. Para conseguir este objetivo, está tesis está centrada en el desarrollo de nuevos materiales para electrodos, nuevas geometrías para microelectrodos y mejor fabricación y procesos de encapsulado. Un inconveniente muy importante en la miniaturización de dispositivos electroquímicos está en la reducción de al superficie activa de los electrodos resultado en señales más pequeñas. Sin embargo, la introducción de técnicas de micromecanizado de silicio como pueden ser fotolitografía grabados seco y húmedo, deposición de metales o dieléctricos por métodos físicos o químicos o procesos térmicos rápidos se han convertido en una vía real para solventar todos los problemas relacionados la manufacturación de dispositivos electroquímicos miniaturizados. Además el uso de herramientas computacionales basadas en métodos de elementos finitos ha ayudado extraordinariamente al diseño de estos dispositivos porque la quinética del electrodo y el transporte de masa pueden ser simulados y estudiados antes de su fabricación. El primer capítulo es una introducción a los fundamentos de la electroquímica, al diseño, a la fabricación y a las aplicaciones desarrolladas en esta tesis. La primera sección se centra en explicar los aspectos fundamentales de la electroquímica. La segunda sección introduce las pilas de combustible, porque estos son los dispositivos electroquímicos desarrollados en el capítulo 4. Finalmente la última sección cubre los materiales y métodos utilizados, incluyendo la microfabricación de los electrodos y las técnicas de prototipaje utilizadas para fabricar las pilas de combustible microbianas. El segundo capítulo comienza con la teoría del transporte de masa en micropilares totalmente conductores. A continuación, el modelo computacional de un único dominio de un micropilar es desarrollado utilizando COMSOL. La fabricación de electrodos con arrays de micropilares totalmente conductores fue conseguida por electrodeposición de oro y también por la combinación de grabado seco y metalización por deposición de oro mediante sputtering. El capítulo cierra con la caracterización electroquímica de los dos arrays, lo que permitió comparar su respuesta y averiguar que ruta era la mejor. El capítulo tres se dirige a la síntesis y fabricación de discos de electrodos de carbón para detectar mercurio en muestras acuosas. Estos electrodos de carbón están basados en la pirólisis de fotoresina. Esta técnica combina fotolitografía y procesos térmicos rápidos. Además las ventanas activas de esos electrodos fueron definidas por deposición química de dieléctricos, también los electrodos fueron físicamente y electroquímicamente caracterizados. Una vez estos electrodos fueron completamente estudiados se utilizaron para detectar mercurio en soluciones. El último capítulo se centra en encontrar una aplicación a los electrodos de arrays de micropilares totalmente conductores. La aplicación escogida fue una pila de combustible microbiana miniaturizada fabricada mediante técnicas de prototipaje rápido, donde en cada caso una geometría diferente con el objeto de averiguar si los arrays de micropilares ayudan a mejorar el rendimiento eléctrico de las pilas de combustible microbianas. / The aim of this thesis is to improve the performance of miniaturized electrochemical devices, with emphasis in microbial fuel cells and electrochemical sensors. To achieve this goal, this thesis focuses on the development of new electrode materials, new microelectrode geometries, and better fabrication and packaging processes. An important drawback in the miniaturization of electrochemical devices lies in that the reduction of the active area of the electrodes results in smaller signals. However, the introduction of silicon micromachining techniques such as photolithography, wet and dry etching, metal or dielectric coating by physical and chemical deposition or rapid thermal processes has become a realistic way to solve all the problems regarding the manufacturing of miniaturized electrochemical devices. In addition the use of computational tools based on finite element methods has helped extraordinarily in the design of these devices because both electrode kinetics and mass transport can be simulated and studied prior to fabrication. The first chapter is an introduction of the fundamentals of electrochemistry, design, fabrication and applications to develop the work described in this thesis. The first section focuses on explaining the fundamental aspects of electrochemistry. The second section fuel cells are introduced because it is the electrochemical device developed in chapter 4. Finally the last section covers the materials and methods used, including the microfabrication of the electrodes and the prototyping techniques used to fabricate the miniaturized microbial fuel cells. The second chapter begins with the theory of mass transport at fully-conducting micropillars. Following this, the computational model of a single domain is developed using COMSOL. The fabrication of fully-conducting micropillar array electrodes was achieved by gold electrodeposition and also by a combination of dry etching and sputtered gold deposition. The chapter closes with the electrochemical characterization of both arrays, which allowed to compare their response and found out which route was better. Chapter three addresses the synthesis and fabrication of carbon disk electrodes to detect mercury in aqueous samples. These carbon electrodes are based on the pyrolysis of photoresist. This technique combines photolithograpy and a rapid thermal process. Besides the active window of these electrodes was defined by the chemical deposition of dielectric layers, also the electrodes were physically and electrochemically characterized. Once these electrodes were completely studied they were used to detect mercury in a stagnant solution. The last chapter focuses on finding an application for the fully-conducting micropillar array electrodes. The application chosen was a miniaturized microbial fuel cell fabricated by rapid-prototyping techniqueswhere in each case a different geometry with the aim of find out if the use of micropillar array helps to improve the electrical performance of microbial fuel cells.

El objectiu d’aquesta tesis ha sigut l’estudi de ressonadors CMOS-MEMS monolíticament integrats per a la seva aplicació en transceptors de radio freqüència. En concret s’ha treballat sobre filtre y ressonadors de RF així com la seva caracterització. En el camp del filtres s’han investigat dos tipus de conceptes: el filtres series i els filtres paral·lels. Els filtre sèrie desenvolupats en aquesta tesi consten de dos tipus d’acoblament: acoblament mecànic, dintre dels quals s’han estudiat dos tipus d’acobladors (en forma de U i en forma de V) i l’acoblament electrostàtic. En els filtres mecànics el ample de banda es defineix amb el disseny de l’acoblador i el punt d’acoblament amb el ressonador mentre que en els filtre electrostàtics, en teoria, el ample de banda el fixa la diferencia de tensió entre els ressonadors. Els filtres en paral·lel, permeten aconseguir, gracies a la seva integració amb la circuiteria, una millor del rebuig fora de banda comparats amb els filtres anteriors. D’altra banda s’ha combinat el filtrat paral·lel i els filtres series per aconseguir un filtre dual. En el camp dels ressonador en el rang de VHF i UHF s’han dissenya fabricat i mesurat dos tipus de ressonador basat en la ressonància longitudinal de la estructura (LBAR): el LBAR millorat, al que se li han afegit dues masses en els seus extrem lliures, i que treballa a una freqüència de 250MHz i el LBAR hiperbòlic, capaç d’assolir freqüències al voltant dels 380MHz S’ha estudiat la caracterització dels elements ressonant d’aquesta tesis, transduits electrostàticament. S’ha proposat una nova topologia basada en la fabricació de quatre elèctrodes que permet eliminar per complert la capacitat paràsita en aquest tipus de transducció. / The objective of this thesis is the study of CMOS MEMS monolithically integrated resonators, for RF transceivers applications. In particular, it has focuses on design and characterization of RF resonators and filters. Two types of filter concepts have been investigated: series filtering and parallel filtering. The series filters are composed of two different coupling methods: mechanical couplings that are divided into two types of couplers (the U-coupler and the V-coupler), and the electrostatic coupling. In mechanical coupled resonator filters, the bandwidth is fixed through the coupler design and the selection of its coupling point with the resonator whereas in the electrostatic filters the voltage applied between the constituent resonators fixes the bandwidth. The parallel filter allows increasing the out of band rejection due to the integration with circuitry. Finally, the parallel filtering and series filtering have been combined to achieve a dual filter. In the field of RF resonators, two types of resonator based on longitudinal acoustic resonance have been designed, fabricated, and measured: The enhanced LBAR, that includes to masses at the free ends in order to increase the coupling area, works at 250MHz and the hyperbolic LBAR that is capable to reach 380MHz resonant frequency. The electrostatic actuated mad capacitive read MEM devices characterization has been studied. In addition a new four-electrode based topology has been propose in order to cancel the feedthrough current that exists in this type of transduction.