Cotutela ICFO-Universitat Politècnica de Catalunya i Institut Fresnel-Université Aix-Marseille / In this PhD thesis, we study properties of stationary transverse magnetic polarized waves in structures built of a Kerr-type nonlinear dielectric layer, metal and linear dielectric layers. Although these waves, called here plasmon-solitons, have been studied for more than 30 years, there is still no experimental confirmation of their existence. The main reason being that, in all the configurations predicted so far, the nonlinear index modification required to observe plasmon-solitons corresponds to light intensities orders of magnitude higher than the damage threshold of typical nonlinear materials. The goal of this thesis is to improve the understanding of plasmon-solitons, so as to design structures that support these nonlinear waves at low power levels. Firstly, we study configurations with a semi-infinite nonlinear medium. We develop two semi-analytical models based on Maxwell's equations. The first model treats the Kerr-type nonlinearity in a simplified way, but allows us to obtain analytical expressions for both the field profiles and the nonlinear dispersion relation. The second model treats the nonlinearity in an exact way. It allows us to obtain an analytical expression for the nonlinear dispersion relation, but the field profiles in the nonlinear medium are found numerically. We study for the first time three-layer structures (nonlinear dielectric/metal/linear dielectric) for which the linear permittivities of the dielectric cladding are different on both sides of the metal. In these configurations, we find narrow regions of structure opto-geometric parameters in which low-power plasmon-solitons exist. Because our models are formulated for four-layer structures, they allow us to study for the first time configurations with an additional dielectric layer introduced between the nonlinear dielectric and the metal film. We provide dispersion diagrams and field plots for such structures with various parameters. The semi-analytical formulation of our models allows us to rapidly scan the phase space of the structure parameters. Using these scans, we report possible four-layer configurations with realistic parameters that support plasmon-solitons at power levels below the material damage threshold. Secondly, we study configurations called nonlinear slot waveguides, in which a finite-size nonlinear dielectric core is sandwiched between two semi-infinite metal cladding layers. We develop two models based on Maxwell's equations. The first model uses a simplified treatment of the Kerr nonlinearity, but provides analytical expressions for the field profiles and the nonlinear dispersion relations expressed in terms of Jacobi elliptic functions. The second model treats the Kerr nonlinearity in the exact way and allows us to obtain an analytical condition that reduces the parameter space in which the solutions for a given structure are numerically computed. We study the dispersion plots and the mode transformations along the dispersion curves for the symmetric nonlinear slot waveguides. Except for the first-order modes already known in such structures, we report the existence of higher-order modes. All the modes of the nonlinear slot waveguide can be divided in two families: a family of symmetric and antisymmetric modes with nodes that resemble the linear modes of a modified linear slot waveguide; and a family of symmetric and asymmetric node-less modes that do not have linear counterparts. We report that in the node-less family, the symmetric modes appear through a fold bifurcation and the asymmetric modes, appear from the symmetric modes through a Hopf bifurcation. We also study the effects of the core size and of the permittivity contrast between the core and the cladding on the dispersion diagrams. We show that a careful choice of these parameters may lead to nonlinear effects that can be observed at low powers. Finally, we study asymmetric nonlinear slot waveguides (with different permittivities of the two metal claddings). / El objetivo de esta tesis es la mejora en el conocimiento de los SP, así como el diseño de estructuras capaces de soportar estas ondas no lineales a bajos niveles de intensidad.En primer lugar, se ha estudiado la configuración correspondiente a un medio no lineal semiinfinito. Para ello se han desarrollado dos modelos semianalíticos basados en las ecuaciones de Maxwell. El primero trata la no linealidad de tipo Kerr de una manera sencilla, pero permite obtener expresiones analíticas para tanto los perfiles de campo como para las relaciones de dispersión no lineales. El segundo considera la no linealidad de un modo exacto. Esto permite obtener una expresión analítica de la mencionada relación de dispersión no lineal; sin embargo, los perfiles de campo han de ser obtenidos numéricamente. Se estudian también por primera vez estructuras de tres láminas (dieléctrico no lineal/metal/ dieléctrico lineal) en las que las constantes dieléctricas lineales del recubrimiento son distintas en ambos lados del metal. En estas estructuras se optimizan los parámetros y se obtienen pequeñas zonas con presencia de SP de baja energía. Puesto que los modelos están desarrollados para estructuras de cuatro láminas, se pueden estudiar por primera vez configuraciones con una lámina dieléctrica adicional situada entre el dieléctrico no lineal y el metal. Se proporcionan a su vez diagramas de dispersión y perfiles de campo para las anteriores estructuras en función de varios parámetros. La formulación semianalítica de los modelos permite hacer un rápido barrido del espacio fásico de los parámetros de la estructura. De este modo, se muestran configuraciones de cuatro láminas con unos parámetros realistas para la creación de los citados SP de baja energía.En segundo lugar, se han estudiado las guías de onda metálicas no lineales (GOMNL), en las que un núcleo dieléctrico no lineal de tamaño finito es intercalado entre dos láminas metálicas. Para ello se han desarrollado de nuevo dos modelos basados en las ecuaciones de Maxwell. El primero trata la no linealidad de tipo Kerr de un modo sencillo, pero proporciona expresiones analíticas para los perfiles de campo y las relaciones de dispersión no lineales mediante funciones elípticas de Jacobi. Por otra parte, el segundo modelo trata la no linealidad de tipo Kerr de un modo exacto y proporciona una condición analítica para la eliminación de una de las dimensiones del espacio fásico en el cual las soluciones son buscadas numéricamente. A su vez se estudian las curvas de dispersión así como sus posibles transformaciones de modo asociadas para las GOMNL. Además de los modos de primer orden típicos en este tipo de estructuras, se muestra la existencia de modos de orden superior. Todos los modos de las GOMNL pueden ser divididos en dos familias: la de los modos simétricos y antisimétricos con nodos que se asemejan a los modos lineales de una guía de onda metálica lineal modificada; y la de los modos simétricos y asimétricos sin nodos y que no se asemejan a ningún tipo de modos lineales. En esta última familia, los modos simétricos aparecen a través de una bifurcación silla-nodo y los asimétricos a través de una bifurcación de Hopf. Se estudian también los efectos producidos sobre los diagramas de dispersión al variar el tamaño del núcleo y el contraste dieléctrico entre el núcleo y el recubrimiento metálico.

El objetivo básico de la tesis ha sido el desarrollo de algoritmos de reconstrucción que permiten obtener imágenes de cuerpos biológicos de alto contraste. Los datos de entrada de los distintos algoritmos son los campos dispersados por el cuerpo para distintas ondas incidentes a frecuencias de microondas. Además, se han desarrollado algoritmos para el calculo de los campos dispersados por modelos numéricos, o resolución del problema directo, necesarios para el estudio del problema inverso, o reconstrucción. Se incluye una extensa recopilación de resultados, tanto simulados como obtenidos a partir de medidas reales, que permiten conocer el comportamiento de los distintos algoritmos en función de los parámetros de diseño de un tomógrafo.

Los métodos de evaluación no destructiva en el campo de la ingeniería civil suponen una alternativa a los métodos de control tradicionales. Disponer de técnicas que permitan obtener información relevante acerca de las características físicas de una estructura (o de la evolución de ésta) sin modificar la muestra supone a la vez un ahorro económico y una mayor fiabilidad desde el punto de vista constructivo. La presente tesis desarrolla un método para medir estructuras de hormigón mediante sensores planos, los cuales permiten caracterizar las propiedades electromagnéticas del material poniendo el sensor en contacto con una única cara de la estructura o probeta, lo cual permite medir en múltiples contextos reales como presas o túneles, en los que únicamente se tiene acceso a una cara del material. El principio de funcionamiento de los sensores desarrollados se basa en la transmisión de una onda electromagnética de banda ancha a lo largo de una línea de transmisión plana. La medida del tiempo de propagación y la atenuación que sufre la onda permiten determinar la permitividad, permeabilidad y conductividad del material, que actúa como dieléctrico del sistema. Así, dichas magnitudes actúan como indicadores de las características estructurales del hormigón: en la presente tesis se aplican por un lado a monitorizar el nivel de humedad presente en una muestra de hormigón, y por otro lado, la dosificación de fibras en hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA). Desde un punto de vista electromagnético, tanto la presencia de agua como la adición de fibras de acero se modelan de forma análoga, dado que ambos fenómenos implican un incremento de la conductividad resultante, y de la permitividad efectiva, lo cual se justifica mediante los diferentes modelos teóricos de materiales heterogéneos que se han estudiado. De igual forma, los modelos teóricos de las líneas planas permiten extraer las propiedades electromagnéticas a partir de la medida, en el dominio temporal o frecuencial, de la propagación de una onda electromagnética. El desarrollo del método conlleva establecer la geometría adecuada de los sensores empleados en función de cada aplicación, para lo que se ha recurrido al estudio de baluns de banda ancha. Posteriormente, una vez establecida la configuración de medida, la instrumentación empleada, y el procesado de las señales medidas, se ha desarrollado un método de calibración (TYS), adecuado para sensores planos, para los que otros métodos presentan ciertas dificultades. Finalmente, se presenta la aplicación del método propuesto, en primer lugar a la monitorización del fraguado de una losa de mortero durante 28 días, como muestra de la disminución de agua en el hormigón, y en segundo lugar a la medida de la dosificación de fibras de acero en probetas de hormigón, mostrando resultados prometedores de cara a la aplicación de dicha técnica en medidas de campo. / Non-destructive testing and evaluation methods in the field of civil engineering provide an alternative to traditional control methods. The availability of techniques to obtain relevant information about the physical characteristics of a structure (or its evolution) without modifying the sample results in both financial savings and greater reliability from the construction point of view. This thesis develops a method for measuring concrete structures using planar sensors, which can characterise the electromagnetic properties of the material by placing the sensor in contact with only one side of the structure or sample, which allows to measure in many real situations as dams or tunnels, in which only one side of the material can be accessed. The operating principle of the sensors developed is based on the transmission of a broadband electromagnetic wave along a planar transmission line. The measurement of the propagation time as well as the attenuation of the wave, determines the permittivity, permeability and conductivity of the material, which acts as the dielectric of the system. Thus, these variables are indicators of the structural characteristics of concrete: in this thesis they are applied to monitor the humidity level in a sample of concrete, as well as the dosage of fibres in steel fibre reinforced concrete (SFRC). From an electromagnetic point of view, both the presence of water and the addition of steel fibres are modelled similarly, since both phenomena involve an increase in the conductivity and effective permittivity, which is justified by the different theoretical models of composite materials that have been studied. Similarly, the electromagnetic properties of the measurement of the electromagnetic wave propagation can be obtained by means of the theoretical models of planar lines, both in the time or frequency domain. The development of the method involves establishing the appropriate geometry of the sensors used on each application, which entails the study of broadband baluns. Later on, once the measurement configuration and the instrumentation used are established, as well as the processing of the measured signals, a calibration method (TYS) suitable for planar sensors has been developed, for which other methods showed some difficulties. Finally, the application of the proposed method is reported. Firstly, the setting of a mortar slab was monitored for 28 days, showing the decrease of water in the sample, and secondly the dosage of steel fibres in concrete specimens was measured, showing promising results in order to the apply this technique in field measurements.

The interaction of light with matter is a central topic in both fundamental science and applied technology. At the heart of this interaction lies the absorption or emission of a photon by an electronic transition in for example an atom, molecule or semiconductor. Because such quantum emitters are generally much smaller than the wavelength of light, they interact slowly and omnidirectionally with light, limiting their absorption and emission. At radio frequencies similar issues were encountered and addressed long ago. Electrical circuits radiate little because they are much smaller than the corresponding wavelength. To enable wireless communication, they are connected to antennas that have dimensions in the order of the wavelength. These antennas are designed to effectively convert electrical signals into radiation and vice versa. The same concept can be applied in optics. The central idea of this thesis is that the interaction of a quantum emitter with light can be improved by near-field coupling it to the resonant plasmon modes of a metal nano-particle, which then acts as an optical antenna. In this way, excitation and emission rates can be enhanced, and the angular, polarization, and spectral dependence controlled. Chapter 1 of this thesis outlines these concepts and introduces optical antennas for single emitters. The experimental demonstration of optical antennas requires the near-field coupling of a single emitter to a resonant optical antenna. We fabricated optical monopole antennas on scanning probes, so that they can be precisely positioned near single fluorescent molecules. In this way we directly mapped the changes in the excitation and emission of a single quantum emitter as it is scanned near the antenna. Chapter 2 presents the results for the excitation part of the interaction. The enhanced excitation field at the antenna is highly confined (within 25 nm); the emitter only interacts with the antenna mode over this short distance. The antenna resonances were probed directly in the near-field and show that the antenna is indeed an optical analog of a monopole antenna. The experiments in Chapter 3 demonstrate how the antenna controls the emission. If the emitter is placed at the right position and if the antenna is tuned to resonance, the angular emission of the coupled system is determined by the antenna mode, regardless of the orientation of the emitter. In Chapter 4, we exploit that fact. We demonstrate, theoretically and experimentally, that the radiation from a single emitter coupled to a multi-element optical Yagi-Uda antenna is highly directed. We show that by reciprocity such a high directivity both enhances the excitation field and the collection efficiency. An intuitive way to understand optical antennas is as cavities for surface plasmon polaritons. In chapter 5, I present an extended description of the interaction of dipolar emitters with radiation through nano-rod antenna modes, by treating the antenna as a cavity. The results demonstrate how the properties of the antenna modes evolve from macroscopic perfectly conducting antennas to nanoscale plasmonic antennas, and highlight the similarities and differences between optical and conventional antennas. The results presented in this thesis show that optical antennas provide a new way to link single emitters to light. By designing the antenna the absorption and emission properties of the emitter can be tailored. More generally, optical antennas enhance and control light-matter interaction on the nano-scale, making them promising tools for applications in topics as diverse as high resolution near-field scanning optical microscopy, non-linear optics and spectroscopy, and photovoltaic devices. / La interacción entre luz y materia es fundamental tanto en ciencia básica como en tecnología aplicada. En el corazón de esta interacción están la emisión y absorción de fotones en transiciones electrónicas de, por ejemplo, átomos, moléculas o semiconductores. Tales emisores cuánticos son más pequeños que la longitud de onda de la radiación con la que interaccionan. La interacción es entonces lenta y omnidireccional, lo que limita los procesos de absorción y emisión. En radio frecuencias este mismo problema fue resuelto tiempo atrás. Los circuitos eléctricos radián poco por ser más pequeños que las ondas de radio. La comunicación inalámbrica es posible sólo si los circuitos están conectados a antenas con dimensiones del orden de la longitud de onda. Las antenas son diseñadas para convertir efectivamente señales eléctricas en radiación y viceversa. Este principio se extender a la óptica. La idea central de esta tesis es que la interacción entre la luz y un emisor cuántico incrementa cuando éste es acoplando, en el campo cercano, a los modos plasmónicos resonantes de una nano-partícula metálica. La partícula actúa entonces como una antena óptica. Es posible entonces aumentar las tasas de excitación y emisión, y controlar la dependencia angular, espectral y en polarización. El capítulo 1 de ésta tesis explica estos conceptos e introduce las antenas ópticas para emisores individuales. Para implementar experimentalmente una antena óptica es necesario acoplar en campo cercano un emisor individual a una antena resonante. Como las antenas ópticas monopolares fueron fabricadas sobre sondas de barrido, podemos ubicarlas con precisión cerca a una molécula fluorescente. Es así como escaneando un emisor cuántico singular cerca a la antena es posible mapear los cambios en la excitación y la emisión. El capítulo 2 presenta los resultados relativos a la parte de la interacción correspondiente a la excitación. El campo excitado en la antena está altamente confinado (25 nm); el emisor solo interactúa con los modos de la antena dentro de esta pequeña región. Las resonancias, probadas directamente en el campo cercano, muestran que en efecto la antena es el análogo óptico a una antena monopolar. Los experimentos en el capítulo 3 muestran como la antena controla la emisión. Cuando el emisor se ubica en la posición correcta y la antena está en resonancia, la emisión del sistema acoplado es determinada por el modo de la antena, independientemente de la dirección del emisor. El capítulo 4 explora esta característica. Teórica y experimentalmente, hemos demostrado la alta direccionalidad de la radiación de un emisor individual cuando es acoplado a una antena Yagi-Uda de múltiples elementos. Por reciprocidad, esta direccionalidad incrementa tanto el campo de excitación como la eficiencia de acoplamiento. En una forma intuitiva las antenas ópticas se pueden entender como cavidades para los plasmones-polaritones de superficie. Tratando las antenas como cavidades, el capítulo 5 presenta una descripción de la interacción entre los emisores dipolares y la radiación mediada por los modos de las nano-antenas. Los resultados muestran como las propiedades de estos modos evolucionan desde las antenas macroscópicas perfectamente conductoras hasta las nano-antenas plasmónicas. Los resultados también explican las diferencias entre las antenas ópticas y las convencionales. Los resultados presentados en esta tesis prueban que las antenas ópticas son una nueva alternativa para acoplar luz a emisores cuánticos individuales. Las propiedades de absorción y emisión del emisor pueden ser controladas diseñando adecuadamente las antenas. Las antenas ópticas permiten amplificar y controlar la interacción entre radiación y materia en la escala nanométrica, convirtiéndolas en herramientas importantes en campos muy diversos. Por ejemplo, en microscopia óptica de campo cercano, en información cuántica, en óptica no lineal, en espectroscopia y en dispositivos fotovoltaicos

Pàgines 20-22, 68, 84-86, 185, 204-205, 209-210, 213-241 en blanc, no hi fuguren. / During last four or five decades there has been a growing demand in particle accelerators which can provide electron beams in the energy ranging from 2 MeV to 100 MeV with high energy resolution and good dose control. Other important requirements are that the machines must be compact, of low power consumption, low price and relatively low maintenance cost. There is a variety of sectors interested in such particle accelerators ranging from industry (industrial radiography) to nuclear physics experiments. One type of machines that meet all these requirements are the electron accelerators with beam recirculation. Fair representatives of this class of accelerators are race-track microtrons (RTM). These sources of electron beam are the most efficient equipment for applications with a relatively low beam current and medium energies ranging from 2 MeV to 100 MeV. The aim of the present thesis is to perform studies of some aspects of the RTMs. One part of the thesis is devoted to the design and development of magnetic elements with permanent magnets of two RTMs for different applications. The first one, which is currently under construction at the UPC (Universidad Politécnica de Cataluña), is a novel accelerator with the beam energy variable between 6 MeV and 12 MeV for medical applications (Intraoperative Radiation Therapy treatments). The other machine is a 55 MeV RTM for the detection of explosives by means of photonuclear reactions, which is at the stage of tests at the Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics (SINP). The magnetic field in the designed magnets is generated by rare earth permanent magnet (REPM) materials. This allows to get quite compact magnetic systems compatible with high vacuum environment. In the thesis the design and magnetic properties characterization of the magnetic system of these RTMs are carried out. The calculations were performed by means of 2D and 3D simulations using the POISSON, FEMM and ANSYS codes. In the case of the UPC RTM the design of the 180º dipoles, extraction magnets and quadrupole magnet are carried out. For the SINP 55 MeV RTM the optimization of the magnetic field shielding with the aim to reduce the stray magnetic field generated by the extraction magnet is presented. The results of the simulations were confirmed by experimental measurements of the magnetic field of the magnet with the optimized magnetic field shielding. In the other part of the thesis some aspects of the beam dynamics in RTM magnetic systems are studied. A detailed analysis of the fringe - field focusing in RTM dipole magnets is carried out. Equations for calculation of the fringe - field effect on electron beam trajectories are derived and are applied for a study of the end magnets of the UPC 12 MeV RTM. A general formalism for describing the longitudinal beam dynamics in RTMs for electron beams with arbitrary energy and end magnets with arbitrary magnetic field profile is also developed. This formalism is used for the calculation of the phase-slip effect in RTMs with low energy injection.

Cotutela UPC i Sejong University / Graphene, a two-dimensional sp2-hybridized network of carbon atoms has received a remarkable cornucopia of new physics and served as a unique model system, due particularly to its electronic properties, which could have interesting applications in electronic, spintronic or quantum devices. The first part of the thesis describes the modulation of graphene¿s structural and electrical properties with various kinds of doping; such as deep ultraviolet irradiation in ambient atmosphere, deep ultraviolet light irradiation in different gaseous environments, and electron beam irradiation. We have fabricated graphene (exfoliated and chemical vapor deposition grown graphene) field effect transistors using photolithography and electron beam lithography and characterized with AFM, Raman spectroscopy and transport measurement using low noise standard lock-in amplifier technique. We have explored how the ultraviolet light exposure tunes the electrical properties of graphene in an ambient atmosphere, confirmed by the shift of Dirac point position towards positive gate voltage, revealing p-type doping for graphene without degradation of mobility. We found that the doping is stable for a time scale of months. This method became more useful when half the graphene device was exposed by ultraviolet light, while the other half part was covered by a mask to make a sharp p-n junction. The doping effect became more prominent and controllable when it was made in an oxygen environment. The most interesting phenomena were observed when doped graphene was restored to a pristine state using ultraviolet light irradiation in a nitrogen environment. Furthermore, we have investigated the doping tunability with ultraviolet light irradiation on mechanically exfoliated single-, bi-, and trilayer graphenes without significantly degrading its charge carrier mobility. In a further study, the structural deformation of graphene was investigated by irradiation of an electron beam. The graphene structure changes its phase in various stages, where graphene transforms gradually from a crystalline to a nanocrystalline form and after a certain irradiation time into an amorphous form. This irradiation effect acts as an n-type dopant for graphene. In this case, mobility decreases with the gradual increase of irradiation dose, which implies the formation of localized states. The second part of the thesis describes carbon nanotube networks as flexible and transparent electrodes for electronic devices, particularly for high frequency applications. The observed results show that at low frequencies, the impedance increases as the density of nanotube networks decreases, as expected. Both the real and imaginary parts of impedance (measured up to 20 GHz) abruptly decrease as the frequency increases over the cut-off frequency. The cut-off frequency not only depends on the carbon nanotube density of the network, but also on the sample geometry. The Nyquist diagram suggests a simple equivalent circuit composed of a parallel combination of a resistor and a capacitor. The experimental results are in line with calculations made by electrochemical spectroscopy simulations. The results show that the electrical behavior is mostly determined by the contact resistance between the nanotubes, which are in a completely disordered distribution in the network. We show that carbon nanotube flexible conducting films, which may be transparent, could be competitive for some applications, such as displays, photovoltaic solar cells or selective sensors. / El grafè, considerat com una xarxa bidimensional d’àtoms de carboni units per enllaços híbrids sp2, és un tema de recerca molt prolífer en els últims anys, com a model de sòlid bidimensional, i molt particularment degut a les seves propietats electròniques, que poden tenir aplicacions interessants en dispositius electrònics, spintrònics o quàntics. La primera part de la Tesi descriu la modificació de les propietats estructurals i elèctriques del grafè utilitzant diferents mètodes per a dopar-lo: radiació ultraviolada d’alta energia (DUV) en atmosfera ambient, DUV en diferents gasos tals com oxigen o nitrogen, o irradiant amb un feix d’electrons (e-beam). Hem fabricat transistors d’efecte de camp (FET) amb grafè (exfoliat a partir del grafit, o bé obtingut per deposició química en fase vapor, CVD) utilitzant fotolitografia i e-beam litografia, i els hem caracteritzat mitjançant AFM, espectroscòpia Raman i mesures de transport elèctric, per a les que hem utilitzat la tècnica d’amplificació de baix soroll, el lock-in. Hem investigat com l’exposició a la llum ultraviolada en atmosfera ambient, modula les propietats elèctriques del grafè, de manera que la posició del punt de Dirac es desplaça cap a tensions de porta positives, cosa que implica dopatge de tipus-p, sense que hi hagi degradació de la mobilitat. El dopatge és estable al menys durant mesos. Amb el mateix mètode, quan només la meitat del dispositiu és exposat a la radiació ultraviolada mentre l’altre meitat és recobert per una màscara metàl·lica, hem obtingut una unió p-n. L’efecte de dopatge és més important i controlable, quan és fet en atmosfera d’oxigen. L’efecte més interessant que hem observat és la reversibilitat, quan el grafè dopat retorna al seu estat primitiu, en ser irradiat amb llum ultraviolada en atmosfera de nitrogen. També hem investigat el dopatge amb llum ultraviolada del grafè exfoliat mecànicament, de una, dues o tres capes, observant que es produeix sense una degradació significativa de la mobilitat dels portadors de càrrega. Posteriorment hem estudiat la deformació estructural del grafè quan és irradiat amb un feix d’electrons. Hem observat canvis estructurals en diferents etapes: el grafè evoluciona gradualment, a partir de la forma cristal·lina, cap a una fase d’estructura nanocristal·lina i finalment, després d’una certa dosi de irradiació, presenta una estructura amorfa. L’efecte d’ irradiar el grafè amb electrons actua com a dopant tipus-n, però en aquest cas la mobilitat decreix en incrementar la dosi, això implica que hi ha formació d’estats localitzats. La segona part de la Tesi tracta de capes primes de nanotubs de carboni, com a elèctrodes flexibles i transparents per a dispositius electrònics, en particular per aplicacions d’alta freqüència. Els resultats obtinguts mostren que, a baixes freqüències, la impedància augmenta en disminuir la densitat de nanotubs, tal com cal esperar. Tan la part real com la part imaginària de la impedància (mesurada fins a 20 GHz) decreixen abruptament en augmentar la freqüència més enllà de la freqüència de tall. La freqüència de tall no depèn únicament de la densitat de nanotubs en la capa, sinó també de la geometria de la mostra. El diagrama de Nyquist es pot interpretar amb un circuit equivalent consistent simplement en una resistència i un condensador en paral·lel. Els resultats experimentals s’ajusten bé a les simulacions fetes per espectroscòpia d’impedàncies (EIS). Els resultats posen en evidència que el comportament elèctric queda majoritàriament determinat per la resistència de contacte entre els nanotubs, que formen la xarxa amb una distribució totalment desordenada. Hem vist que capes primes de nanotubs de carboni conductores i flexibles, que poden ser també transparents, poden ser competitives en diferents aplicacions, com ara pantalles, cel·les solars fotovoltaiques o sensors selectius

La demanda d’aplicacions industrials avançades, fa que el control de màquines elèctriques de corrent altern (AC) sigui una disciplina contínuament creixent per satisfer l’alt nivell d’exigència. Tradicionalment, la màquina d’inducció (IM) ha estat la més utilitzada en aplicacions industrials de velocitat variable, incloent-ne bombes i ventiladors, màquines tèxtils i de paper, vehicles elèctrics, generació eòlica, etc. A més dels requeriments funcionals, l’estalvi energètic és, actualment, un aspecte a tenir en compte en aplicacions de velocitat variable. Una alternativa molt atractiva a la IM és la màquina síncrona d’imants permanents (PMSM). Entre d’altres avantatges, aquest tipus de màquines ofereixen una eficiència més elevada, alta densitat de potència i una resposta dinàmica molt ràpida. La demanda industrial de PMSM es situa en el rang de petita potència, encara que el interès en aquest tipus de màquines està creixent, en particular fins al rang dels 100 kW. Històricament, les màquines utilitzades en aplicacions de velocitat variable han estat alimentades per inversors de potència. En els últims anys, el convertidor matricial ha esdevingut un clar competidor del inversor convencional. Un convertidor matricial és un circuit de topologia avançada capaç de convertir directament AC en AC generant una tensió de càrrega amb amplitud i freqüència variable, amb flux de potència bidireccional, formes d’ona sinusoïdal tant a l’entrada com a la sortida i operant amb factor de potència unitari a l’entrada. A més, degut a que requereix no elements inductius ni capacitius per emmagatzemar energia, el disseny del convertidor matricial és molt compacte. Existeixen molts tipus de control per màquines de AC, essent els basats en control vectorial els més adequats per aplicacions de d’alt rendiment. Entre d’altres, el control de camp orientat i el control directe de parell son els més utilitzats. Tot i essent una de les tècniques emergents en aplicacions industrials, el control directe de parell té implícites una sèrie de limitacions que, encara avui, s’estan investigant. El treball presentat en aquesta tesi, s’endinsa en la investigació del control directe de parell per PMSM alimentats amb convertidors matricials. Aquest, treball considera el reemplaçament del inversor convencional per un convertidor matricial, explotant les característiques d’aquest per tal de reduir el arrissat del parell i del flux en la PMSM, inherent al control directe de parell. Durant el transcurs d’aquest treball s’ha desenvolupat un nou control directe de parell utilitzant vectors curts i llargs del convertidor matricial. Els efectes indesitjats de la tensió en mode comú, relacionada amb la utilització de convertidors de potència, és altre dels aspectes que s’aborden en aquest treball. Un algoritme molt simple que redueix la tensió en mode comú ocasionat pel control directe de parell amb convertidors matricials ha estat desenvolupat i investigat en aquesta tesi. La principal limitació de les tècniques “sensorless” basades en models o observadors és que fallen a baixes velocitats. La necessitat d’operar a baixa velocitat o velocitat zero, ha desencadenat la investigació d’altres tècniques on s’exploren les asimetries de la màquina a partir de la injecció d’un senyal d’alta freqüència per obtenir-ne la posició del rotor. Durant aquesta tesi s’ha desenvolupat un nou algoritme de injecció d’un vector rotatori en el pla  quan s’utilitza el control directe de parell. / The control of AC machine drives is a continuously advancing subject satisfying increasing high performance applications demands. Induction Motor (IM) drives with cage-type machines has been the workhorses of industrial variable speed drives applications, including pumps and fans, paper and textile mills, electric vehicles, locomotive propulsion, wind generation systems, etc. In addition to performance requirements, energy saving aspects of variable speed drives is gaining attention nowadays. Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) are becoming a very attractive alternative to IM. Among other advantages, these type of machines offer higher efficiency, high power density and very fast dynamic performance. PMSM, in particular in the low power range, are already widely used in industry and recently, the interest in their application is growing, particularly up to 100 kW. Variable speed drives fed by voltage source inverters has been traditionally employed in industrial applications. In the past few years, matrix converters have emerged to become a close competitor to the conventional inverter. A matrix converter is an advanced circuit topology capable of converting AC-AC, providing generation of load voltage with arbitrary amplitude and frequency, bi-directional power flow, sinusoidal input/output waveforms, and operation under unity input power factor. Furthermore, since no inductive or capacitive elements are required, MC allows a very compact design. There are several methods to control AC machines, vector control methods being the most suitable for high performance demands. Among others, field oriented control and direct torque control are the most widely used. Although being one of the emerging control techniques for industrial applications, the direct torque control has some inherent drawbacks that are still being investigated by researchers. The work reported in this thesis is devoted to the investigation of direct torque control of PMSM drives fed by matrix converters. This work considers the replacement of the conventional voltage source inverter by a matrix converter. The features of matrix converters are exploited to reduce the inherent electromagnetic torque and stator flux ripples arising from the direct torque control driving a PMSM. A new direct torque control using small and large voltage vectors of matrix converters has been developed during the course of this work. The undesirable effects of the common mode voltage related with the utilization of the conventional voltage source inverter, like electromagnetic interferences and the machine early failures, are other issues with which this work is also concerned. A very simple algorithm to reduce the common mode voltage in direct torque control drives using matrix converters is developed and investigated in this work. The main limitation of all sensorless vector control schemes, based on the conventional fundamental frequency models or observers, is that they fail at very low speeds. The desirability to operate continuously at low or zero speed has led to another sensorless approaches where the saliency of the machine is tracked through some form of signal injection to obtain flux or position information. A new algorithm to inject a rotating vector in the a-b frame when employing a direct torque control has been developed in this thesis.

En el primer capítulo de ésta tesis, se les dará un resumen del transistor MOSFET y de las consecuencias del escalado de dispositivos electrónicos. También se explican las alternativas posibles para permitir mantener dicha tendencia, como la introducción de dieléctricos high-k y el potencial del grafeno para aplicaciones en nanoelectrónica. El segundo capítulo se dedica a describir con más detalle el AFM (Atomic Force Microscope), que se ha utilizado para investigar las propiedades eléctricas de los diferentes materiales en la nanoescala. En el tercer capítulo, diferentes condiciones de fabricación de dispositivos basados en capas de HfO2, tales como la temperatura de recocido (y polycrystallization), el espesor y el precursor con el que se crece dichas capas, serán investigadas en la nanoescala. La influencia de una tensión eléctrica a nivel del dispositivo también se estudió. En el capítulo 4, el impacto de las diferentes estreses eléctricos en las propiedades eléctricas de los MOSFETs basados en capas de SiON ultrafinas se investigó a escala manométrica. El uso de un CAFM, el óxido de puerta ha sido analizada después de una NBTI (Bias Temperature Instability) y CHC estrés (Canal portadores calientes). Puesto que con la punta CAFM áreas muy pequeñas pueden ser estudiados, se analizó la degradación inducida a diferentes regiones del óxido de puerta a lo largo del canal. Capítulo 5 describe la invención de un enfoque completamente nuevo para mejorar significativamente las propiedades mecánicas y eléctricas intrínsecas de puntas CAFM disponibles en el mercado por recubrimiento de las mismas con grafeno. Por último, en el capítulo 6, el uso de grafeno para aplicaciones en nanoelectrónica será investigado en la nanoescala. Un aspecto que se analizará es la presencia de ondulaciones, las arrugas y los límites de grano, que se muestran para aumentar la variabilidad de dispositivo a dispositivo. También se estudió el impacto del sustrato sobre el que se transfiere a grafeno. Dado que el grafeno se ha empezado a ser utilizado como electrodo superior en los dispositivos de memoria, en la segunda parte de este capítulo, la variabilidad y la fiabilidad de grafeno-aislante-semiconductor estructuras (GIS) basado en HfO2 serán previamente investigados. / In the first chapter of this thesis, the MOSFET transistor and an overview of the implications of ongoing device shrinking will be given. Possible alternatives to allow the scaling down such as the introduction of high-k dielectrics and the potential of graphene for nanoelectronic applications are also explained. The second chapter will be devoted to describe in more detail the AFM (Atomic Force Microscope), which has been used to investigate the electrical properties of different materials at the nanoscale. In the third chapter, different fabrication conditions of HfO2 layers based devices, such as the annealing temperature (and polycrystallization), the thickness and the precursor with which it was grown will be investigated at the nanoscale. The influence of an electrical stress at the device level is also studied. In chapter 4, the impact of different electrical stresses on the nanoscale electrical properties of ultra-thin SiON based MOSFETs is investigated. Using a CAFM, the gate oxide has been analyzed after a BTI (Bias Temperature Instability) and CHC (Channel Hot Carriers) stress. Since with the CAFM tip very small areas can be studied, the degradation induced at different regions of the gate oxide along the channel was analyzed. Chapter 5 describes the invention of a completely new approach to significantly improve the intrinsic mechanical and electrical properties of commercially available CAFM tips by coating them with graphene. Finally, in chapter 6, the usability of graphene for nanoelectronic applications will be investigated at the nanoscale. One aspect that will be analyzed is the presence of corrugations, wrinkles and grain boundaries, which are shown to increase the device-to-device variability. The impact of the substrate on which graphene is transferred to will be also studied. Since graphene has been recently started to be used as top electrode in memory devices, in the second part of this chapter, the variability and reliability of Graphene-Insulating-Semiconductor (GIS) structures based on HfO2 will be preliminarily investigated.

Aquesta tesi estudia les propietats de magnetotransport en unions túnel on un dels elèctrodes és l’òxid ferromagnètic La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). En concret, ens interessem per dos fenòmens diferents: (i) magnetoresistència (MR) en unions túnel amb un sol elèctrode magnètic i (ii) filtratge d’espí en unions túnel magnètiques. L’efecte túnel és extremadament dependent de les interfícies i una bona qualitat de les heteroestructures resulta crucial per a obtenir un bon rendiment dels dispositius. És per aquest motiu que bona part d’aquesta tesi es dedica al creixement (per polvorització catòdica) i caracterització de capes primes, a l’estudi de les interfícies de les heterostructures i a la fabricació de les unions. Pel que fa a les unions amb un únic elèctrode magnètic, ens centrem en l’estudi del transport túnel en funció de la temperatura i del camp magnètic aplicat en unions de Pt/LaAlO3/LSMO. En el nostre treball hem identificat diferents mecanismes físics que juguen un paper important en la MR d’aquest sistema: la magnetoresistència túnel anisòtropa (TAMR), de l’ordre de 4 % a baixa temperatura, i una altra contribució a la magnetoresistència, de l’ordre de 17%. A més, TAMR a baix camp magnètic s’atribueix a la rotació de dominis magnètics. En el cas d’unions amb dos elèctrodes magnètics, també cal tenir en compte l’orientació relativa entre les magnetitzacions d’aquests. El sistema que estudiem és Fe/MgO/LSMO, en el qual s’espera un valor de magnetoresistència túnel (TMR) gran degut a la combinació del filtratge d’espín per part del Fe/MgO i la semimetal·licitat del LSMO. Com a conseqüència de la formació de FeOX en la interfície Fe/MgO, obtenim diferent signe de TMR per a diferents unions: una TMR negativa de 4% a baixes temperatures s’atribueix a un FeOX magnèticament desordenat i una TMR positiva de 25% a 70 K s’atribueix a la ordenació magnètica del FeOX a la intercara amb el MgO, que dóna lloc a filtratge d’espín. Quan el gruix de la barrera d’MgO es redueix a 1.2 nm, aquesta capa ordenada de FeOX s’acobla antiferromagnèticament amb la de LSMO donant lloc a un comportament molt interessant de la MR especialment quan es mesura aplicant el camp magnètic fora del pla de la capa. La formació de FeOX en aquesta estructura no s’ha aconseguit eliminar ni amb creixement in-situ ni amb recuits, i se suggereix que la barrera d’MgO és permeable a l’oxigen de la manganita, fet que duria a l’oxidació del Fe. Per altra banda, amb l’objectiu de fabricar unions amb una barrera túnel magnètica que actuï com a filtre d’espín, hem estudiat la possibilitat d’utilitzar capes primes de La2CoMnO6 (LCMO) com a barrera. Aquest material és ferromagnètic, aïllant i amb estructura de doble perovskita, però hi ha pocs treballs sobre la seva preparació en capes primes. A més a més, en aquests les capes estan crescudes per depòsit de làser pulsat i els gruixos són superiors a 100 nm, i per tant no aptes per actuar com barreres aïllants en filtres d’espí. L’objectiu principal s’ha orientat cap a un estudi detallat del creixement, optimització i caracterització de les propietats de capes primes de LCMO. En aquest sentit, s’han aconseguit capes (de 20 a 5 nm) epitaxials, aïllants i ferromagnètiques amb temperatures de Curie prop del 230 K i anisotropia magnètica perpendicular. S’han crescut heterostructures epitaxials de LCMO/LSMO, les propietats magnetoresistives de les quals es preveuen aprofundir en futurs treballs. / This thesis studies the magnetotransport properties of tunnel junctions in which one of the electrodes is the ferromagnetic oxide La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). In particular, we focus on two different phenomena: (i) magnetoresistance (MR) in tunnel junctions with a single magnetic electrode and (ii) spin filtering in magnetic tunnel junctions. The tunneling effect is extremely sensitive to the interfaces and good quality of the heterostructures is crucial toward the optimal performance of the devices. For this reason, much of the thesis is dedicated to the growth (by sputtering) and characterization of thin films, to the study of interfaces in heterostructures and to the fabrication of junctions. With respect to the junctions with a single magnetic electrode, we concentrate on the tunnelling transport as a function of temperature and magnetic field applied in Pt/LaAlO3/LSMO junctions. In our work, we have identified the different physical mechanisms which play a relevant role on the MR of this system: tunnelling anisotropic magnetoresistance (TAMR), of the order of 4 % at low temperature, and another contribution to the MR, of the order of 17 %. Furthermore, TAMR at low magnetic field is attributed to rotation of magnetic domains. In the case of junctions with two magnetic electrodes, we must also take into account the relative orientation between their magnetizations. The studied system is Fe/MgO/LSMO, in which a large tunnel magnetoresistance (TMR) is expected due to the combination of spin filtering from the Fe/MgO and the half-metallicity of LSMO. As a consequence of the formation of FeOX at the Fe/MgO interface, we obtain different sign of the TMR for different junctions: a negative TMR of 4 % at low temperatures is ascribed to a magnetically disordered FeOX and a positive TMR of 25 % at 70 K is attributed to magnetic ordering of the FeOX at the interface with MgO, which results in spin filtering. When the MgO barrier thickness is reduced to 1.2 nm, this ordered FeOX coupled antiferromagnetically to the LSMO layer gives rise to an interesting magnetoresistive behaviour, especially when measured with the magnetic field applied out-of-plane. We have not been able to avoid the formation of FeOX in this heterostructure, even for in-situ growth or annealings, and we suggest that the MgO barrier is permeable to the oxygen from the manganites, which would be responsible for the oxidation of the Fe. On the other hand, aiming at the fabrication of junctions with magnetic tunnel barrier which acts as spin filter, we have studied the possibility of using La2CoMnO6 (LCMO) thin films as barrier. This material is ferromagnetic, insulating and possesses perovskite structure, but there are only a few works on its thin film growth. What is more, such works are performed with pulsed laser deposition and thicknesses are above 100 nm, thus not suitable as insulating barriers in spin filters. We have performed a detailed study of the growth, optimization and characterization of LCMO thin films. In this regard, we have achieved epitaxial, insulating, ferromagnetic thin films (from 20 to 5 nm), with Curie temperatures around 230 K and perpendicular magnetic anisotropy. LCMO/LSMO heterostructures, whose magnetoresistive properties remain to be studied in future work, have also been grown.

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