Los cristales fotónicos son materiales creados artificialmente, que pueden hacer con los fotones lo que los semiconductores ordinarios hacen con los electrones: es decir, pueden mostrar una banda fotónica prohibida (PBG), situación en la cual fotones con determinadas energías no pueden propagarse dentro del cristal independientemente de la polarización y la dirección de propagación. Por lo tanto, la banda prohibida para los fotones puede ser el verdadero análogo óptico de la banda prohibida fundamental en los semiconductores. Desde su invento en 1987, los cristales fotónicos han atraído un interés considerable debido a sus propiedades ópticas inusuales. Las propiedades únicas de los cristales fotónicos también han llevado al reconocimiento de su estudio como un nuevo y principal campo de la optoelectrónica.El silicio macroporoso con su elevada constante dieléctrica, sus altas relaciones de aspecto y su total compatibilidad con la industria microelectrónica es un modelo excelente para estudiar las propiedades ópticas de cristales fotónicos bidimensionales y asimismo tridimensionales. Adicionalmente, se ha demostrado que el silicio macroporoso tiene varias aplicaciones únicas en muchos otros campos, como la electrónica, el micromecanizado, la detección de gases y la biotecnología. La investigación del silicio macroporoso crece continuamente debido a su enorme potencial de aplicaciones.El trabajo presentado en esta tesis trata dos temas: simulación de la estructura de bandas fotónicas y análisis de cristales fotónicos bidimensionales, y la fabricación de estructuras bidimensionales basadas en silicio macroporoso para aplicaciones como cristales fotónicos en el espectro infrarrojo. Debido a que muchas posibles aplicaciones de los cristales fotónicos están basadasen sus bandas fotónicas prohibidas, es interesante diseñar cristales fotónicos con una bandaprohibida absoluta, que sea tan grande como es posible. En esta tesis describimos el método para alargar la banda fotónica absoluta, mostrando el papel de la simetría en el diseño de estructuras fotónicas óptimas. Hemos estudiado como reduciendo la simetría mediante incorporación de elementos adicionales en la celda unitaria o mediante cambio de la forma de los "átomos" afecta la relación de dispersión de los dos modos de polarización (TM y TE) en cristales fotónicos bidimensionales. Nuestro objetivo ha sido optimizar la magnitud de la banda fotónica absoluta, reduciendo la simetría de las celdas cuadrada y triangular y construir de este modo estructuras nuevas, llamadas celdas híbridas. Usando el método de las deferencias finitas en el dominio de tiempo (FDTD) hemos realizado un detallado análisis numérico de la relación de dispersión en celdas híbridas bidimensionales que consisten en columnas de aire en silicio.En el caso de celda cuadrada, la reducción de la simetría ha sido aplicada con éxito para maximizar la magnitud de la banda prohibida. Para la celda cuadrada que consiste en columnas cilíndricas de aire, la incorporación de una columna adicional aumenta tres veces la magnitud de la PBG absoluta. En el caso de celda cuadrada de columnas cuadradas de aire, la rotación de las columnas juega un papel crítico en la creación de la PBG absoluta.Si las columnas cuadradas no están rotadas no existe una PBG absoluta. La magnitud de la PBG absoluta se ha mejorado considerablemente a través de la combinación de incorporación de una columna adicional y rotación de las columnas cuadradas. Además, se genera una nueva PBG absoluta que se encuentra para un amplio rango de ángulos de rotación y dimensiones de las columnas, que están lejos de la condición de empaquetamiento (cuando las columnas se tocan). Esto favorece la fabricación de los cristales fotónicos.La PBG absoluta es de mayor magnitud para la celda triangular formada por columnas cilíndricas de aire. Los resultados de las simulaciones demuestran que modificando la estructura triangular mediante incorporación de columnas adicionales o mediante columnas cuadradas (aunque las columnas estén rotadas) no mejora la PBG absoluta, por lo menos en el caso estudiado de estructura aire/silicio. La adición de columnas adicionales en la celda triangular reduce la magnitud de la PBG absoluta.Hemos realizado un detallado análisis cuantitativo de las PBG absolutas para 2D celdas triangulares y hexagonales, considerando que entre las columnas y la matriz dieléctrica hay una capa superficial de otro material dieléctrico. Esta capa superficial puede ser indeseada (resultado del proceso de fabricación) o puede ser creada intencionadamente.Las propiedades de las bandas fotónicas se ven afectadas del grosor y también de la constante dieléctrica de la capa superficial. Los resultados de las simulaciones demuestran que para estructuras que están formadas por columnas de aire en un material dieléctrico la existencia de una capa superficial reduce la magnitud de la PBG absoluta. Por otro lado, para estructuras formadas de columnas dieléctricas en aire la capa superficial puede mejorar la PBG cuando la constante dieléctrica de la capa es mayor que la de las columnas.Esto proporciona mayor flexibilidad en la realización práctica de estos 2D cristales fotónicos. Por ejemplo, en ciertas ocasiones es imposible obtener pilares dieléctricos con un diámetro determinado o de un material concreto por limitaciones tecnológicas. Sin embargo, los pilares se pueden fabricar de un material con menor constante dieléctrica para el cual existe una técnica bien desarrollada. Después los pilares se pueden cubrir con el material deseado mediante deposición, obteniendo las mismas propiedades como en el caso de la estructura sin capa superficial.Hemos desarrollado un equipo de ataque electroquímico para fabricación de 2D estructuras periódicas basadas en la formación de silicio macroporoso. Asimismo, hemos realizado un estudio de la influencia de los parámetros del ataque electroquímico sobre la morfología de los poros. Crecimiento estable de macroporos se puede obtener sólo si todos los parámetros del proceso de ataque (resistividad del substrato, concentración de HF, corriente de ataque, potencial anódico, temperatura, etc.) están ajustados apropiadamente.Las condiciones óptimas ocupan una pequeña parte de todos los posibles parámetros del proceso. Por ejemplo, concentraciones de HF mayores de 10 wt.%, que se usan generalmente para crecer películas micro- y mesoporosas, no son apropiadas para crecer macroporos con una profundidad grande y una forma cilíndrica. Potenciales relativamente altos (para nuestras muestras mayores de 2 V) aumentan inevitablemente la formación de "breakdown-type" poros. Por otro lado, potenciales relativamente bajos (menores de 1 V) generalmente producen un crecimiento inestable de los poros que están parcial o totalmente recubiertos de silicio microporoso.La corriente aplicada es el parámetro más crítico del proceso. Densidades de la corriente mayors de la densidad crítica Jps, que depende de la temperatura y de la concentración de HF, situaría el proceso en la región de electropulido. El control de la corriente durante el proceso es una tarea clave. Mantener la corriente de ataque constante durante todo el proceso es insuficiente para el crecimiento estable de macroporos cilíndricos. Se han identificado dos efectos que influyen la forma de los poros en profundidad. Primero, la concentración de HF disminuye cerca de la punta de los poros debido a las limitaciones por difusión en poros estrechos y hondos. Este efecto produce un incremento del diámetro del poro cerca de la punta. Segundo, la superficie interna de los poros aumenta para prolongados tiempos de ataque, provocando un incremento de la corriente de oscuridad y por lo tanto la formación de poros cónicos. Su diámetro decrece en profundidad. El incremento de la corriente de ataque de manera adecuada, tal que se produzca crecimiento de poros con forma cónica inversa, es un método para compensar la conicidad inicial de los poros. Si el ataque se realiza a temperaturas más bajas y burbujeando el electrolito con nitrógeno se puede reducir la corriente de oscuridad, formando poros menos cónicos. Otro método efectivo es el uso de un surfactante apropiado. Los surfactantes se usan por lo general para prevenir degradación causada por las burbujas de hidrógeno que se pegan en la superficie de la muestra. Hemos probado dos diferentes tipos de surfactants (TritonX-100 no iónico y SDS aniónico). Hemos observado que la adición de surfactantes no iónicos aumenta la corriente de oscuridad y la formación de poros cónicos. Por otro lado, el uso de surfactantes aniónicos reduce considerablemente la corriente de oscuridad y poros cilíndricos se pueden producir casi sin dificultad.Aplicando las reglas explicadas arriba se han obtenido matrices altamente uniformes de macroporos con diferente distribución y dimensiones.Por último, también se presentan algunos resultados preliminares sobre aplicaciones novedosas de silicio macroporoso. Las características estructurales de las matrices de macroporos se han utilizado para fabricar pilares de óxido de silicio que podrían encontrar aplicaciones en la biotecnología como plataformas tridimensionales para detección de reconocimiento de moléculas o como matrices de microjeringas. También se ha fabricado un filtro que consiste en membranas de silicio macroporoso y se han medido sus características ópticas. Este filtro se comporta como pasabajas cuando la luz incidente es paralela a los poros. Los resultados obtenidos son solamente cuantitativos y sugieren una futura optimización del proceso de ataque para fabricar muestras de alta calidad.Asimismo se ha introducido modulación periódica del diámetro de los poros en profundidad y se han fabricado matrices de "ratchet-type" macroporos, los cuales podrían tener aplicaciones como dispositivos para separación de partículas. Se ha demostrado que mediante unos pocos pasos adicionales las matrices de macroporos modulados se pueden convertir en microestructuras tridimensionales de huecos interconectados. Esta técnica se puede aplicar para la fabricación de cristales fotónicos tridimensionales. / Photonic crystals are artificially created materials that can do to photons what an ordinary semiconductor does to electrons: that is to say, they can exhibit a photonic band gap, a situation in which photons with certain energies cannot propagate inside the crystal, regardless of polarization and propagation direction. The photonic band gap is therefore likely to be the true optical analog of the fundamental gap of a semiconductor. Since their invention in 1987, photonic crystals have triggered considerable interest because of their unusual optical properties. The unique properties of photonic crystals also led to their study being recognized as a new and major field of optoelectronics.Macroporous silicon, with its high dielectric contrast, very high aspect ratios and full compatibility with the silicon microelectronic industry is an excellent model system for studying the optical properties of two-dimensional and even three-dimensional photonic crystals. Besides, macroporous silicon has been shown to have several unique uses in many other fields, like electronics, micromachining, gas sensing and biotechnology. Research into macroporous silicon is continuously growing, prompted by its enormous potential for applications.The work presented in this thesis deals with two subjects: photonic band structure simulations and analysis of 2D photonic crystals, and the fabrication of macroporous silicon structures suitable for application as 2D infrared photonic crystals.Since many potential applications of photonic crystals are based on their photonic band gaps, it is of interest to design photonic crystals with an absolute band gap that is as large as possible. In this thesis we describe a way to enlarge the absolute photonic band gap, showing the role that symmetry plays in designing optimal photonic structures. We have examined how reducing symmetry by inserting additional elements into the lattice unit cell or by changing the shape of the scatterers alters the dispersion behavior of the TMand TE-polarization modes in 2D photonic crystals. Our goal was to maximize the absolute PBG width by breaking the symmetry of the simple square and triangular lattices and thus to construct new structures, the so-called hybrid lattices. Using the FDTD method for photonic band structure calculations, we performed a detailed numerical analysis of the photonic dispersion relation in 2D hybrid lattices that consist of air holes drilled in silicon.For square lattices, the symmetry reduction approach has been successfully applied to maximize the absolute PBG width. In the case of square lattices of circular air rods, the inclusion of an additional rod increases the absolute PBG threefold. For the case of square lattices of square air rods, the rotation of the rods plays a critical role in the opening of an absolute PBG. No absolute PBG was found if the square rods were not rotated. The size of the absolute PBG is improved most significantly by a combination of the inclusion of an additional rod and the rotation of square rods. Moreover, a new absolute PBG is generated that persists over a wide range of rotation angles and filling fractions, which are far from the closed-packed condition. This greatly favors the fabrication of photonic crystals.The largest absolute PBG is the one for the triangular lattice of circular air rods.Our results have shown that modifying the triangular structure by adding interstitial rods or using square rods (even though the rods are rotated) is not a good way of achieving a larger absolute PBG, at least for the special case of air/silicon structures. Adding more rods to the lattice unit cell cannot further enlarge the absolute PBG width.We have made a detailed quantitative analysis of the absolute PBGs in 2D triangular and honeycomb lattices considering that there is an interfacial (shell) layer between the rods and the background dielectric matrix. This interfacial layer may be the unwanted result of the fabrication process itself or created intentionally. The properties of the photonic gaps are strongly affected by the thickness and the dielectric constant of the shell layer. The results of band structure simulations show that for structures consisting of air rods embedded in a dielectric background this layer reduces the absolute photonic gap.For structures consisting of dielectric rods in air, however, an interfacial layer can yield larger photonic gaps if the dielectric constant of the layer is greater than that of the rods.This provides further flexibility in the practical realization of such 2D photonic crystals.For example, in certain cases we may not be able to obtain dielectric rods of the required diameter or of the particular material we need because of technological limitations.However, we are enabled to grow the rods of materials with lower dielectric constants, for which a well-developed technology exists. The rods can then be covered with the required dielectric by deposition, thus achieving almost the same gap properties as those of the ideal shell-less structure.We have developed an electrochemical etching set-up for fabricating 2D periodic structures based on macroporous silicon formation. We have also made a detailed study of how the electrochemical etching parameters influence the pore morphology. Straight and stable macropores can only be etched if all parameters of the etching process (doping level, HF concentration, etching current, anodic potential, temperature, etc.) are properly adjusted. The optimal conditions are only a very tiny part of the total parametric space, which requires a fine control of the process. For example, HF concentrations higher than 10 wt.%, which are commonly used for growing micro- and mesoporous films, are not suitable for growing deep, straight macropores. Relatively high anodic potentials (e.g. even higher than 2 V for our samples) inevitably enhance the formation of spiking breakdowntype pores on macropore walls. On the other hand, low anodic potentials (less than 1 V) usually lead to unstable pore growth with macropores that are partially or fully filled with microporous silicon.Of all etching parameters the applied etching current is the most critical. Current densities greater than the critical current density Jps, which depends on the temperature and electrolyte concentration, will move the system into the electropolishing regime.Controlling the etching current during the process is a key issue. Keeping the etching current constant was found not to be sufficient to grow deep, straight macropores. Two effects that influence the pore shape in depth were identified. First, the decrease in HF concentration towards the pore tips because of diffusional limitations leads to an increase of the pore diameter close to the tip. Second, the pore surface area increases for long anodization times, which leads to an increase in the dark current density and yields conical pores, the diameter of which decreases with depth. Increasing the etching current accordingly, which means to etch pores with the reverse conical shape is one of the methods to reduce the pore conicity. Performing the etching at lower temperatures and bubbling the electrolyte with nitrogen can reduce the dark current and produce less conical pores. Another effective way is to use appropriate surfactants. Surfactants are commonly used to prevent degeneration caused by bubbles sticking to the sample surface. Two surfactants of different types (nonionic TritonX-100 and anionic SDS) were tested. We found that the addition of nonionic surfactants increases the dark current contribution and thus enhances the formation of conical pores. On the other hand, the use of anionic surfactants considerably reduces the dark current and straight pores can be formed almost without difficulty. Highly uniform macropore arrays with different arrangements and dimensions were obtained by applying these "compensation" rules.Finally, we have also presented some preliminary results of our work on novel applications of macroporous silicon. The structural features of the etched macropore arrays have been exploited to fabricate high-aspect-ratio silicon dioxide pillars, which may have applications in biotechnology as a 3D sensor platform for molecular recognition detections or as dense arrays of microsyringes for fluid delivery or precise chemical reaction stimulation. We have also fabricated a macroporous filter consisting of through-wafer pores and measured its optical characteristics. For light incidence parallel to the pores, a shortpass spectral behavior has been observed. The obtained results are only qualitative and suggest that further optimization of the etching process is needed in order to produce higher quality samples. We were also able to introduce periodic modulations of the pore diameter in depth and to fabricate ratchet-type macropore arrays, which have been envisioned for applications as ratchet devices for large-scale particle separation. We have shown that by a few post-etching steps the modulated macropore arrays can be converted into microstructures consisting of interconnected voids in all three dimensions. The technique used can be exploited for the fabrication of fully 3D photonic crystals.

En esta tesis doctoral se utilizan diversas estrategias de ingeniería estructural para desarrollar nuevas nanoestructuras basadas en alúmina nanoporosa. Dichas nanoestructuras o moldes son posteriormente utilizados para desarrollar otras nanoestructuras innovadoras basadas en ciertos materiales tales como polímeros, metales magnéticos y semiconductores, interesantes desde el punto de vista de futuras aplicaciones. Las nanoestructuras replicadas a partir de los moldes de alúmina porosa pueden ser integradas en varios tipos de nanodispositivos (nanoelectrodos para deposición directa de nanopartículas desde una corriente de gas, precipitadores electrostáticos, células solares con heterouniones volumétricas, dispositivos ópticos unidimensionales, nanofiltros, etc.).En primer lugar, se fabrican cuatro tipos tradicionales de alúmina porosa autoordenada utilizando la anodización blanda en dos pasos. Los ácidos utilizados para fabricar dichos tipos de alúmina porosa son sulfúrico, oxálico y fosfórico. Los voltajes de anodización aplicados son 20, 40 y 160-195 V, respectivamente. El diámetro del poro varia entre 20 y 250 nm, siendo la distancia entre poros 55, 100 y 400-500 nm, respectivamente. Posteriormente, se fabrica alúmina porosa autoordenada utilizando la anodización dura en un paso utilizando ácido oxálico. También se emplea la anodización dura en dos pasos para fabricar moldes de alúmina porosa ordenada sin capa protectiva, la cuál es característica de un proceso de anodización dura en un paso. Además, siguiendo una técnica de re-anodización, se elimina la capa barrera de óxido de la parte posterior de los moldes de alúmina sin eliminar el sustrato de aluminio ni desprender el molde de alúmina del sustrato. Después, por medio de un proceso de anodización asimétrico en el cuál se modifican las condiciones de anodización (voltaje de anodinado, tipo y concentración de ácido), se fabrican moldes de alúmina jerarquizados con múltiples configuraciones. También se producen moldes de alúmina porosa bicapa combinando anodizado duro y blando. Posteriormente, se emplea un molde de nitruro de silicio para fabricar moldes de alúmina porosa perfectamente ordenados mediante la técnica de nanoimpresión. Además, utilizando esta misma técnica y seleccionando las condiciones de anodización adecuadas, es posible fabricar moldes de alúmina porosa perfectamente ordenados con un ordenamiento de poros extraordinario. Finalmente, se fabrican nanoembudos basados en alúmina porosa intercalando consecutivamente pasos de anodizado y ampliación de diámetro de poro. Dichas nanoestructuras son diseñadas con un alto grado de precisión mediante dos procesos de calibración sistemáticos. Además, se desarrolla un modelo teórico que predice el crecimiento del poro durante el proceso de anodización. Este modelo es experimentalmente validado.A partir de dichas nanoestructuras basadas en moldes de alúmina porosa se estudian varias aplicaciones. En primer lugar, se sinterizan nanopilares magnéticos ordenados sobre sustratos de aluminio mediante deposición electroquímica. Estos se caracterizan por varias técnicas (ESEM, EDXS y XRD). Por sus propiedades magnéticas, dichos nanopilares podrían ser empleados como nanoelectrodos para deposición directa de nanopartículas desde una corriente de gas o como precipitadores electrostáticos. En segundo lugar, se fabrican estructuras poliméricas compuestas de nanopilares sobre un sustrato nanoestructurado basado en el mismo polímero. Para ello, se emplean moldes de alúmina porosa jerarquizados. Además, nanopilares del mismo polímero son transferidos sobre sustratos de ITO/vidrio. La nanoestructura resultante es caracterizada por ESEM, TEM, XRD, CS-AFM y se demuestra que ésta puede ser óptima para integrarse en celdas solares orgánicas con heterouniones volumétricas de alto rendimiento. En tercer lugar, se presenta la primera etapa en la fabricación de mosaicos de nanohilos y nanotubos de níquel. Además, dichas nanoestructuras se utilizan para llevar a cabo un estudio sistemático sobre cómo la re-organización de los poros durante el cambio de régimen de anodización de blando a duro en moldes de alúmina porosa bicapa. Estos mosaicos de nanoestructuras magnéticas podrían ser empleados para desarrollar nuevas plataformas de almacenamiento de datos. Finalmente, se fabrican cadenas de nanoesferas de silicio por infiltración bajo vacío a través de nanoembudos basados en alúmina porosa. Dichas nanoestructuras podrían ser integradas en dispositivos ópticos de tamaño nanométrico. / In this PhD thesis, several structural engineering strategies are applied to develop innovative templates based on nanoporous anodic alumina. These templates are subsequently used to develop other nanostructures based on certain materials with multiple applications such as polymers, magnetic metals and semiconductors. These replicated nanostructures could be integrated in various types of nanodevices (e.g. nanoelectrodes for direct deposition of nanoparticles from a gas draught, bulk-heterojunction solar cells, one-dimensional optoelectronic devices, nanofilters and so on). It is expected that the results presented will become a starting point to develop new nanodevices and applications in a wide range of research fields.

Des de l'aparició de les cèl·lules solars orgàniques (CSO), hi ha hagut una intensa recerca per a aconseguir fer-les tan rentables com les contaminants fonts d'energia tradicionals. Una solució prometedora és el mètode de la heterounió interdigitada, que permet obtenir dispositius amb una extensa interfície Donador-Acceptador per a una correcta dissociació d'excitons. L'avantatge que aquest mètode té sobre el de la heterounió de tipus bulk és que permet que hi hagin camins directes sense interrupció per a la recol·lecció de portadors lliures als elèctrodes. En aquesta tesi hem desenvolupat un procediment numèric complet per a simular les diferents etapes del procés de conversió fotovoltaica a les CSO. Aquest model està basat en el mètode d'elements finits, el qual ens pot aportar informació de cada magnitud en funció de la posició. Aplicant aquest model de simulació, hem realitzat un estudi sistemàtic de CSO interdigitades per a poder predir quines característiques geomètriques seran més apropiades per a optimitzar-les i com augmentar la seva eficiència. El model ha sigut validat amb resultats experimentals, obtinguts en les nostres instal·lacions utilitzant el mètode de síntesi assistit per plantilles amb alúmina anòdica nanoporosa. Finalment, el procediment també ha sigut adaptat i aplicat en d'altres tipus de dispositius i estructures per a demostrar que pot funcionar correctament en altres situacions a banda de les CSO interdigitades. Aquestes han sigut: reproduir resultats experimentals de cèl·lules solars hibrides amb un elèctrode nanostructurat de TiO2, i reproduir l'efecte plasmònic en piràmides de nanoesferes d'or. / Desde la aparición de las células solares orgánicas (CSO), ha habido una intensa búsqueda para conseguir hacerlas tan rentables como las contaminantes fuentes de energía tradicionales. Una solución prometedora es el método de la heterounió interdigitada, el cual permite obtener dispositivos con una extensa interface Donador-Aceptador para una correcta disociación de excitones. La ventaja de este método sobre el de la heterounió de tipo bulk es que permite caminos directos sin interrupción para la recolección de los portadores libres. En esta tesis hemos desarrollado un procedimiento numérico completo para simular las etapas del proceso de conversión fotovoltaica en las CSO. Este modelo está basado en el método de elementos finitos, el cual nos aporta datos de cada magnitud en función de la posición. Aplicando este modelo de simulación, hemos realizado un estudio sistemático de CSO interdigitadas para poder predecir que características geométricas serán más apropiadas para optimizarlas y aumentar su eficiencia. El modelo ha sido validado con resultados experimentales, obtenidos en nuestras instalaciones utilizando el método de síntesis asistido por plantillas con alúmina anódica nanoporosa. Finalmente, el procedimiento también ha sido aplicado a otro tipo de dispositivos y estructuras para demostrar que puede funcionar correctamente en otros casos a parte del de las CSO interdigitadas. Estos han sido: reproducir resultados experimentales de células solares hibridas con un electrodo nanoestructurado de TiO2, y reproducir el efecto plasmónico en pirámides de nanoesferas de oro. / Since the advent of organic solar cells (OSC), there has been an intense search to make them at least as profitable as traditional polluting energy sources. One promising solution is the interdigitated heterojunction approach. This method provides devices with a widespread Donor-Acceptor interface for a proper exciton dissociation. The advantage over the bulk heterojunction approach is that the interdigitated cells provide uninterrupted direct paths for charge carrier collection to the electrodes. In this thesis we have developed a complete numerical procedure to simulate the different steps of the photovoltaic conversion process in organic solar cells. This model is based on the finite element method, which can give us information of every magnitude as a function of the position. By applying this numerical simulation model, a systematic study of interdigitated OSC has been done to predict which geometrical characteristic will be better to optimize this kind of devices and how to increase their efficiency. The model has been validated with experimental results of real devices, obtained in our facilities by using the template-assisted synthesis method with nanoporous anodic alumina templates. Finally, the simulation procedure has also been adapted and applied to other devices and structures to demonstrate that it can work correctly not only for the case of interdigitated full organic solar cells. The simulation model has been applied to two situations: to reproduce experimental results of hybrid solar cells with a nanostructured TiO2 electrode, and to reproduce the plasmonic effect in gold nanospheres pyramids.

En un contexto de I+D+i (investigación + desarrollo + innovación), diversos estudios apuntan a la existencia de una fuerte relación entre comunicación y resultados, mostrando que la colaboración y compartición de conocimiento afecta significativamente la producción de conocimiento e innovación. Varios autores defienden la importancia de las redes sociales informales en la coordinación de tareas y en la distribución y reutilización de conocimiento en las organizaciones. En los últimos años, se han propuesto e implementado diversas estrategias que intentan facilitar y promover el trabajo colaborativo y varios investigadores han defendido la necesidad de atender y estudiar más profundamente el rol de las redes sociales existentes.El trabajo de investigación que aquí se presenta tiene como finalidad el estudio de las redes sociales en comunidades de I+D+i. Para ello, se desarrolló un sistema de monitoreo que permite registrar, analizar y visualizar las relaciones inter-personales que existen. Por un lado, se acredita que el feedback proporcionado por la visualización de estas redes permite a cada persona revisar y anotar en qué medida contribuye con aportaciones y en qué medida aprovecha dicho flujo de conocimiento, aumentando el nivel de conciencia sobre los otros y motivando la compartición de conocimiento. Por otro lado, la información recogida permite un análisis e interpretación del funcionamiento de estas redes, apoyando la gestión de conocimiento en estas comunidades.La presentación de la investigación se ha organizado en cinco capítulos.En el primero capítulo se presenta la motivación, se definen los objetivos y se expone el proceso de trabajo que se ha seguido.En el segundo capítulo se presenta un resume de un estudio teórico en las áreas del conocimiento en las organizaciones y de las técnicas de análisis y soporte de redes sociales, que constituye el marco teórico de referencia para la investigación.En el tercero y cuarto capítulos se describe el diseño, desarrollo e implementaciones del sistema de monitorización de redes sociales. Se evalúa el sistema y los efectos de su implementación en los usuarios y se hace un análisis de la estructura y características de las redes sociales monitorizadas. Además de este análisis exploratorio de la red, se analiza la relación entre el capital social, entendido como el conjunto de beneficios que resultan de las redes sociales de un sujeto u organización, y el desempeño de los sujetos.En el capítulo quinto se finaliza la memoria de la investigación con una síntesis de las conclusiones a las que ha permitido llegar la investigación, así como las líneas de continuidad de la misma. / The notion that knowledge is a strategic resource that gives organizations a competitive edge has prompted many organizations to institute practices geared towards improving the efficiency and effectiveness of knowledge creation and its utilization. In R&D (Research & Development) communities, communication and knowledge sharing have a strong influence on innovation and knowledge production. Several authors point out that knowledge is created and exchanged to a large extent through informal social interactions and that knowledge flows depend on the connections between individuals and on their attitude about sharing knowledge. In recent years, it has been proposed a number of strategies to promote collaborative work and it has been acknowledged the need for more deep studies in the role of social networks.The aim of this work is the study of social networks in R&D communities. For that, we have developed a monitoring system that allows the gather, analysis and visualization of human interactions in these communities. This system addresses simultaneously: a) the promotion of social network awareness, point out as a motivation factor to communicate and collaborate; and b) support knowledge management, by gathering information about social networks and allowing the interpretation of the role of this networks.This thesis is structure in five chapters.The first chapter sets the motivation and context of the thesis, the objectives and the study design.The second chapter presents the conceptual framework of this work, a review in knowledge sharing in organizations, social networks analysis tools and techniques, and social capital empirical studies.The third and fourth chapters describe the design, development and implementation of the social network monitoring system. The evaluation of the system and its effects in user's awareness and behaviour is presented. The social network data collected is explored and the correlation between network characteristics and performance is analysed.The fifth and final chapter summarizes the findings of the study and concludes with future directions for research arising from the study.

El motor de inducción, es sin duda alguna, el más empleado en la industria actualmente y tiene un alto rendimiento en condiciones nominales. Sin embargo, con cargas ligeras, las pérdidas en el hierro reducen drásticamente el rendimiento del sistema. Para aquellas aplicaciones con carga y velocidad variable, parece lógico estudiar la posibilidad de mejorar el rendimiento del accionamiento. Es importante optimizar su rendimiento por dos razones: el ahorro económico y la reducción de la contaminación del medio ambiente. Los objetivos propuestos en esta tesis han sido, por un lado, estudiar los distintos enfoques de optimización del rendimiento de un motor de inducción en régimen permanente, especialmente el enfoque basado en la medición de potencia activa consumida, y por otro lado, estudiar la posibilidad de optimizar el rendimiento en régimen transitorio de una forma simple y con un carácter eminentemente práctico. A partir de un exhaustivo análisis de antecedentes, se han estudiado las pérdidas que se producen en un accionamiento, tanto en el convertidor de potencia como en el motor de inducción, analizando los modelos más interesantes y las últimas contribuciones presentadas a nivel internacional. Seguidamente, se han estudiado los diferentes enfoques para optimizar el rendimiento de un motor de inducción en régimen permanente, aportando distintos algoritmos de búsqueda del flujo óptimo, y comparándolos en función de una serie de criterios prácticos que permitan escoger el mejor método para cada aplicación en concreto. Sobre el enfoque basado en la medición de potencia consumida, se han aportado distintas contribuciones, haciendo especial énfasis en la compensación de par electromagnético, métodos de búsqueda infinita, análisis de la variación de la constante de tiempo del rotor y discusión de los puntos de medida de la potencia activa consumida. A su vez, se ha contribuido con un estudio teórico-analítico de las limitaciones físicas que aparecen cuando se trabaja con flujos reducidos en un accionamiento. Finalmente, la aportación más original en la tesis es el diseño de un supervisor basado en lógica difusa que permite optimizar energía en régimen transitorio utilizando niveles de flujo por debajo de su valor nominal. La tesis tienen un carácter eminentemente práctico, con resultados experimentales de todas las contribuciones aportadas.

Aquesta tesi adreça el modelatge de dispositius HEMTs. Es presenta un model compacte, de base física, d’ AlGaN/GaN HEMTs per a la simulación de circuits. Es desenvolupa un model complet del corrent de drenador, i de les càrregues i capacitàncies de porta. El model bàsic de corrent de drenador i càrregues de porta s’obté usant un model simple de control de càrrega desenvolupat a partir de les solucions de les equacions de Poisson i Schrödinger per a l’àrea activa d’operació del dispositiu. Es presenta també un model separat del col•lapse del corrent, que és un efecte important en els AlGaN/GaN HEMT. El model de col•lapse del corrent es desenvolupa emprant el model bàsic de model com a marc, la qual cosa resulta en un model robust de gran senyal que pot ser utilitzat amb i sense la presència del col•lapse del corrent. A més, es presenta una anàlisi de no linearitats i modelatge de AlGaAs/GaAs pHEMT utilitzant les sèries de Volterra. / Esta tesis trata el modelado de dispositivos III-V HEMTs. Se presenta un modelo compacto, de base física, de AlGaN/GaN HEMTs para la simulación de circuitos. Se desarrolla un modelo completo de la corriente de drenador, y de cargas y capacitancias de puerta. El modelo básico de corriente de drenador y cargas de puerta se obtiene usando un modelo simple de control de carga desarrollado a partir de las soluciones de la ecuación de Poisson y Schrödinger para el área activa de operación del dispositivo. Se presenta también un modelo separado del colapso de la corriente, que es un efecto importante en AlGaN/GaN HEMT. El modelo de colapso de corriente de desarrolla empleando el modelo básico de corriente como marco, lo cual resulta en un modelo robusto de gran señal que puede ser utilizado con y sin la presencia del colapso de corriente. Además, se presenta un análisis de no linealidades y modelado de AlGaAs/GaAs pHEMT utilizando las series de Volterra. / This thesis targets the modeling of III-V HEMTs devices. A physics-based compact modeling of AlGaN/GaN HEMTs for circuit simulation is presented. A complete modeling of drain current, gate charge and gate capacitances is developed. The core drain current and gate charge models are derived using a simple charge control model developed from the solutions of Poisson's equation and Schrödinger’s equation solved for the active operating area of the device. The models are simple continuous and applicable for the whole operating regime of the device. A separate model is also presented for the current collapse effect, which is a serious issue in AlGaN/GaN HEMT. The current collapse model is developed using the core current model as a framework which resulted in a robust large signal model that can be used with and without the presence of current collapse. In addition, nonlinearity analysis and modeling of commercial AlGaAs/GaAs pHEMTs using the Volterra series is also presented.

En este trabajo se presenta un nuevo modelo no lineal para transistores MESFET/HEMT basados en GaAs y GaN teniendo en cuenta los efectos térmicos y trampa que muestran estos dispositivos. El modelo permite reproducir el comportamiento del dispositivo, a un rango determinado de temperatura, en régimen estático (DC), régimen pulsado y régimen dinámico RF pequeña y gran señal. La ecuación de la fuente de corriente Ids toma como base cualquier modelo DC existente sin alterar su comportamiento en este régimen de funcionamiento. Los valores de sus parámetros se extraen a partir de las características I/V DC y pulsadas llevadas a cabo solamente en unos puntos determinados de polarización. También se presenta el estudio y la caracterización de dichos efectos lo que, de un lado, permite conocer la influencia de los mismos sobre el comportamiento del transistor y, de otro lado, obtener toda la información útil y necesaria para su modelado. / In this thesis, a new nonlinear model of GaAs and GaN MESFET/HEMT transistors including thermal and traps effects shown in this kind of devices has been presented. The model, along with an electric equivalent circuit and an especial extraction process strategy, can accurately predict the DC, pulsed as well as the small and large signal behaviour of the device over a large range of ambient temperature. To model drain to source current source Ids we start with a known DC equation but the approach can be applied to any other existing classical model. The model parameters values are extracted from the DC and pulsed I/V characteristics carried out just at a few bias points. A study and characterization of thermal and traps effects is presented too. This allows us to know the influence of these effects on the transistor behaviour, and to obtain all the necessary information for their modelling.

El objetivo de esta tesis ha sido el estudio, la caracterización y el modelado de diodos Schottky, desde continua (DC) hasta la banda de frecuencia W. Se trata de diodos comerciales que se han desarrollado en Virginia Diodes: un diodo Schottky simple (SA), un diodo Zero Bias (ZBD) y una configuración de dos diodos en antiparalelo. El modelado se ha realizado mediante una combinación de medidas en continua, medidas en baja frecuencia, medidas de los parámetros de scattering para dos rangos frecuenciales (DC-50GHz, 75-110GHz), medidas Pin/Pout, y medidas del montaje de un conjunto de transiciones de coplanar a microstrip, unidas mediante hilos de “bonding” para llevar a cabo el proceso de obtención de los parámetros de los diodos y lograr sus modelos completos finales hasta 110GHz, medidas directas sobre el diodo utilizando puntas de prueba coplanares en los contactos del ánodo y el cátodo de los diodos, para verificar que la coherencia del modelo no se ve afectada por los efectos parásitos asociados a los hilos de “bonding”, y a las transiciones. Se ha realizado también un análisis completo del ruido de los diodos que incluye caracterización, medidas, modelado y simulación, para examinar las propiedades de ruido en baja frecuencia de los diodos Schottky de GaAs. / The main goal of this thesis has been the study, discussion, characterization and modeling of a wideband Schottky diode, from Direct Current (DC) to W band, for three type of Schottky diode that have been developed at Virginia Diodes: a single Anode Schottky Diode, Zero Bias Diode (ZBD) and configuration of antiparalel Diode based on a commercial VDI chip. The modelling has been done using a combination of DC measurements, capacitance measurements, RF Scattering measurements, and measurements of the assembly of Coplanar to Microstrip bonded transitions has been performed and used to achieve the complete final diode model up to 110 GHz. Also, on chip (direct) measurements were done by placing a couple of probe tips on the anode and cathode pads of diodes to verify that the coherence of the model is not affected by the surrounding parasitic effects associated with wire bonding and transitions. A complete characterization, analysis, simulation and modeling of noise will be presented, to examine for the low-frequency noise properties of VDI’s GaAs Schottky diodes.

A fault detection and correction methodology for user positioning systems based on Kalman filtering is presented in this thesis. To develop this methodology, various aspects of the design of positioning systems are taken into account, such as the dynamic models of the systems, the definition of the estimation technique, the available technology and the environment (to identify disturbances that can affect the systems).In the first phase, the available technologies were identified, and the algorithms and the physical-mathematical models were defined for the positioning systems for both indoor and outdoor environments. The Dead Reckoning (DR) algorithm was included for this reason, because it can be applied in both environments. This algorithm allows the pedestrian's position to be obtained while s/he is walking. Given that one of the main parameters of DR is the pedestrian's step length, a careful analysis was carried out to determine it. Algorithms that allow, first, detection of a step and, second, calculation of its length are therefore presented here.An integrated system based on UWB and inertial technologies (IMU) is proposed for indoor environments. This system uses the information about the step length to improve the information provided by the UWB system. The system that was defined for outdoor environments is a GPS­IMU system based on the DR algorithm. Data fusion is carried out by means of Kalman filtering for both systems. In the GPS­IMU­DR system, the errors of the azimuth bias and the step length are obtained by means of Kalman filtering, which allows the DR parameters to be corrected and, consequently, the pedestrian's position can be obtained with greater accuracy.In the next phase, the fault detection and correction methodology is developed. This is based on the principles of causal diagnosis using the theory of possibility. This methodology is proposed in order to prevent the introduction of erroneous information into the Kalman filter. In order to carry this out, failure states of the sensor systems are defined and corrective measures are applied when one or more of those states are present. These states are defined taking into account the empirical knowledge of the behaviour of the system. The performance of the filters was also monitored. This consists in the continuous evaluation of their innovations and, in case of inconsistency, corrective measures are applied to the parameters of the filters.The experiments, for the proposed systems, presented results that improved their initial response to a considerable degree. For the UWB­IMU system, an analysis that involves the detection of inconsistencies of the filter is presented, while for the GPS­IMU­DR system the fault detection and correction methodology is applied. In the UWB­IMU system, the corrective measures introduced into to the Kalman filter allowed both consistent filtering and a soft signal to be obtained, i.e. most of the reflections of the signal provided by the UWB system were eliminated. The results of the GPS­IMU­DR system indicated that by implementing the methodology developed here, consistent filtering was obtained and the values of the azimuth and the step length were corrected properly. As a result more exact pedestrian trajectories were obtained.

Esta tesis doctoral tiene por objeto el estudio teórico y experimental de las posibilidades de la arquitectura industrializada, modular y ligera aplicada a la vivienda, como construcción sostenible. La condición de sostenibilidad, desde el punto de vista físico, se define como el cierre de los ciclos materiales, alcanzándose éste en un sistema determinado cuando no existen flujos de residuos sino que los recursos se reciclan constantemente. Tal condición encuentra un fuerte obstáculo en el modelo productivo que caracteriza a la mayor parte de la industria contemporánea, nacido en la revolución industrial, que puede sintetizarse en la secuencia lineal extracción>fabricación>residuo. En oposición a ello, el modelo productivo en el que se centra investigación es el de la ecología industrial y se basa en el ejemplo de la biosfera como máquina de reciclar. Supone la eliminación del concepto de residuo y puede resumirse en el ciclo reciclaje-fabricación-reciclaje. La hipótesis planteada es que, en el ámbito descrito y con la tecnología actualmente disponible, se puede desarrollar un sistema de gestión de los recursos empleados en el ciclo de vida de los edificios capaz de aproximarse significativamente al cierre de los ciclos materiales. La construcción convencional de edificios en el ámbito local alcanza, tal como se determina en esta investigación, una tasa de reciclaje de un 10% de los recursos empleados. El sistema de gestión desarrollado define las estrategias que lo aproximan el máximo posible al 100% de reciclaje. Encontrar las maneras de evitar el consumo de recursos no renovables y la emisión de residuos contaminantes a lo largo del ciclo de vida del edificio fueron las claves para ello. El campo de estudio está definido por la construcción industrializada, modular y ligera aplicada a la vivienda. En especial, por los sistemas que se comercializan bajo el sistema de alquiler (que hace posible que los módulos regresen a la fábrica una vez cumplida su vida útil, recuperándose sus recursos). Su difusión en muchos países del mundo con ligeras variaciones constructivas, así como la sencillez de los procesos de fabricación, construcción y mantenimiento que emplean permiten suponer que el alcance del modelo de gestión propuesto para el cierre de ciclos podrían extenderse a otros tipos de arquitectura industrializada, otros usos y otros ámbitos geográficos, pudiendo de esta manera llegar a alcanzar una mayor repercusión. / The condition of sustainability, from a physical point of view, is defined as the closure of the material cycle. This is reached in determined systems, in the absence of residual flows, and in which resources are constantly recycled. Such systems can encounter serious obstacles in the productive model that characterises the majority of contemporary industry. The productive model, born during the Industrial Revolution, can be summarised by the following lineal sequence: extraction>manufacture>residue. In contrast, this research focuses on a productive model from the ecological industry, based on the example of the biosphere as a recycling machine. Requiring the elimination of the concept of residues, the system can be summarised by the following cycle: recycling-manufacturing-recycling. The hypothesis posed is as follows: in the aforementioned environment, with the technology presently available, a management system can be developed for resources used in the building life cycle - a system capable of approximating that of the closed material cycle. This research determines that conventional building construction in the local sphere currently manages a recycling value of 10% of used resources. The management system developed defines strategies that bring it as close as possible to 100% recycling. The key was in finding ways to avoid the consumption of non-renewable resources and the emission of harmful residues, throughout the life cycle of the building. The study area is defined by the industrialised construction, modular and lightweight, applied to housing. In particular, by systems that are commercialised under a renting system (making it possible to return the modules to the factory once their useful life is over, therefore recuperating resources). Diffusion of the system across various countries of the world, with small variations, including the simplification of the manufacturing process, construction and maintenance used, allow us to assume that the outreach of the management model proposed for closed cycles could extend to other types of industrialised architecture, and other uses and geographical spheres. Thus gaining a wider repercussion.