La resposta dels materials i/o sistemes físics quan interactuen amb la radiació electromagnètica ens dóna informació sobre les propietats físiques d’aquesta classe de materials i/o sistemes, com per exemple la conductivitat elèctrica, la permeabilitat magnètica, l’isospín d’un nucli atòmic, etc. Dos exemples són les ressonàncies magnètiques nuclear i electrònica, que consisteixen en sotmetre un material a radiació electromagnètica en el rang de radiofreqüència i microones, freqüències entre el 10 MHz i 300 GHz, i a un camp magnètic estacionari. En aquesta tesi es presenten els comportaments i/o la resposta de dos materials magnètics en front a la radiació de microones, el qual pertany al rang de freqüències compres entre els 300 MHz i els 300 GHz. Per aquest propòsit, el Grup de Magnetisme, Superconductivitat, Microones i Baixes temperatures de la Universitat de Barcelona, disposa d’un analitzador de xarxes vectorial model E8361A de la companyia Agilent, que permet analitzar senyals electromagnètiques, transmeses i/o reflectides, entre 10 MHz i 110 GHz. Les dues classes de materials magnètics que s’han estudiat son: el granat d’itri-ferro, amb composició química corresponent Y3Fe5O12 (YIG) i la manganita de lantà i calci, amb composició química corresponent La0.25Ca0.75MnO3. En el cas del YIG, encara que és un material magnètic força estudiat, ens vàrem plantejar el seu estudi emprant nous dissenys de ressonadors de microones. Aquest fet, junt amb l’aparició de nous resultats experimentals inesperats, i mancats d’una interpretació, justifiquen el seu estudi en aquesta memòria de tesis. En el cas de la manganita, ens trobàrem en la situació oposada, no hi ha gaires publicacions sobre mesures experimentals de ressonància electrònica de espín en aquest tipus de materials. Juntament amb l’aparició de nous fenòmens magnètics no publicats, quan es va procedir a la seva sistemàtica i completa caracterització magnètica. Fets que justifiquen el seu estudi en aquesta memòria de tesis. Aquesta memòria de tesis està organitzada en dos capítols: El primer capítol està dedicat al granat de d’itri-ferro, material ferrimagnètic a temperatura ambient (la seva temperatura de Curie és de 550 K), i que té les pèrdues d’energia més petites de tots els materials coneguts, quan aquest està sotmès a una senyal electromagnètica de microones. Llavors, aquest material és el més indicat per a l’estudi del fenòmens associats a la ressonància ferromagnètica. Per tant, en aquest capítol es presenta una introducció a la tècnica i a la fenomenologia física associada a la ressonància magnètica; una descripció de les propietats físiques del granat d’itri-ferro i una introducció a l’electrònica de microones. Aquesta última servirà com fonament per comprendre els experiments de ressonància ferromagnètica a temperatura ambient; ja que en ells s’empren tres tipus de ressonadors de microones: dos ressonadors de línia de microtira lambda/2 i un tercer consistent en dos ressonadors lambda/2 de microtira acoblats electrònicament entre ells en els seus centres (en forma de X). Juntament amb l’analizador de xarxes vectorial i un electromagnet, que pot aplicar camps magnètics fins a 0.5 T. La mostra de YIG ha estat crescuda epitaxialment en les dues cares d’un disc de granat de gadolini-gal.li (Gd3Ga5O12). El conjunt té un gruix de 0.5 mm i un diàmetre de 4 mm; les dues capes de YIG tenen un gruix de 49.6 milimicres cadascuna. Els resultats experimentals ens mostren tres espectres de absorció associats a tres classes de modes magnetoestàtics, com conseqüència de tres tipus de distribucions espacials de camp magnètic de microones, que sent el disc de YIG. Observats a quatre freqüències de ressonància diferents. I no únicament a una freqüència fixada, sinó en el rang de freqüències que defineixen cada pic de ressonància de cada ressonador. Els resultats d’aquesta última classe d’experiments mostren una correspondència lineal entre la freqüència de microones i el camp magnètic aplicat, però no correspon amb la relació obtinguda a través de la teoria dels modes magnetoestàtics. Es van realitzar estimacions per descartar qualsevol efecte de potència o acoblament entre les dues capes de YIG, portant a l’única explicació possible que aquests modes magnetoestàtics estan interaccionant amb la radiació electromagnètica que ells mateixos generen en la mostra de YIG. Arrel d’això, s’ha ideat un model basat en aquesta conclusió, per explicar com canvien les relacions lineals entre la freqüència de microones i el camp magnètic aplicat, en presència de radiació electromagnètica. Model que explica satisfactòriament els resultats obtinguts en les mesures experimentals de ressonància ferromagnètica en YIG. El segon capítol està dedicat a l’estudi de la manganita La0.25Ca0.75MnO3 des del punt de vista magnètic i de la ressonància electrònica d’espín. Per això, en aquest capítol se realitza una introducció a la família de manganites La(1-x)CaxMnO3 , atenent a la seva fenomenologia magnètica. Degut a això, també es descriu el fenomen del esbiaix d’intercanvi i la dinàmica de sistemes superparamagnètics i de vidres de espín. Aquests seran els fonaments per entendre els resultats de la caracterització magnètica de dues manganites nanogranulars, que anomenarem A i B; les quals fóren fabricades pel mètode sol-gel y calcinades a 600ºC i a 1000ºC respectivament. Per poder realitzar aquestes mesures experimentals, es disposa d’un magnetòmetre MPMS que permet realitzar mesures de magnetització entre 2 K y 350 K, aplicant camps magnètics entre -5 T i 5 T, a més de realitzar mesures de susceptibilitat magnètica a diferents freqüències de camp magnètic altern entre 0.1 Hz i 1500 Hz. Els resultats obtinguts mostren que els nanogrànuls contenen, des del punt de vista magnètic, un nucli antiferromagnètic i una escorça formada per clústers ferromagnètics, que interactuen a través de l’interacció de intercanvi. A més, en la mostra B s’observa el fenomen de l’ordenament de càrrega a altes temperatures i la manifestació d’un vidre d’espín interficial a baixes temperatures, entre els clústers ferromagnètics i el nucli antiferromagnètic. Fets molt poc habituals en aquest tipus de mostres i que no es donen en la mostra A. Finalment, en les mesures de ressonància electrònica d’espín, es van emprar dues classes de ressonadors de microones: un ressonador coaxial i un ressonador de microtira curtcircuitat i alhora connectat en sèrie a una resistència de 50 Ohms, específica per senyals de radiofreqüència i microones. Amb ells, els resultats experimentals obtinguts per a la mostra A concorden amb el model hidrodinàmic per als vidres d’espín. Fet que permet estimar la dependència de la constant giromagnètica i la constant d’anisotropia uniaxial efectiva de la mostra A, amb la temperatura. La correlació entre l’anisotropia magnètica uniaxial efectiva i la temperatura concorda amb la corresponent als vidres d’espín i/o les nanopartícules magnètiques i a més, permet l’estimació de la seva temperatura d’ ordenament de càrrega, essent aproximadament de 225 K . El factor giromagnètic de la mostra A reflecteix un canvi de la seva estructura cristal.lina, associada als clústers ferromagnètics, mentre va variant la temperatura. Fet que es presenta com una alternativa a l’hora d’estudiar canvis estructurals en els cristalls. / In this doctoral thesis, the response against the microwave electromagnetic radiation of two well differentiated magnetic materials is studied: the yttrium-iron garnet and the nanogranular manganite of chemical composition La0.25Ca0.75MnO3. In the case of the yttrium-iron garnet (YIG), even though it is a well-known magnetic material, we considered its study using a new sort of microwave resonators. This fact, together with the obtaining of unexpected experimental results without physical interpretation, inspires its study in this thesis. In the case of the manganite, we had found the opposite situation, in the literature experimental studies in electron spin resonance (ESR) have hardly ever been reported in this kind of materials. Therefore, we decided to perform its study using different microwave resonators. It was necessary, as well, to characterize magnetically the samples to understand their behavior. Precisely in these last experimental measurements, performed following a complete and systematic procedure, we were able to explain new physical phenomenology never reported previously, until now, in this material. This doctoral thesis, entitled “Study of Magnetic Materials with Microwaves” is arranged in two chapters. The first one is devoted to the study of the ferromagnetic resonance in a disk-shaped YIG sample. The results show the appearance of three types of Magnetostatic Spin Forward Volume Waves (MSFVW), for three kinds of microstrip resonators (two linear ones and one X-shaped), related with three kinds of magnetic spatial distributions. The relationship between the microwave frequency and the applied magnetic field does not follow the theoretical model of MSFVW and, after some estimations, we concluded that this is caused by the interaction between the MSFVW and the electromagnetic radiation generated by them. This new fact is explained theoretically by the development of a new model, considering this last interaction. The second chapter is devoted to the study of nanogranular manganites of chemical composition La0.25Ca0.75MnO3, from the point of view of their magnetism and their ESR response. A complete and systematic magnetic characterization is performed firstly in two samples, named A and B. Both samples manifest exchange bias interaction between ferromagnetic shell clusters and antiferromagnetic core, in each nanograin. Moreover, in sample B, interficial spin-glass is observed at low temperatures and charge ordering transition at high temperatures. These facts are rarely reported in similar magnetic systems. And they are not observed in sample A. ESR experiments were performed in sample A with a coaxial resonator and a short-circuited microstrip resonator connected to a 50 Ohms series resistor. The results follow the hydrodynamic model, allowing the estimation of the effective magnetic anisotropy constant and the gyromagnetic factor at different temperatures. The first one shows the same thermal behavior expected for nanoparticles and/or spin-glasses, and it also allows the estimation of the charge ordering temperature of sample A around 225 K. The thermal dependence of the gyromagnetic factor shows the expected behaviour for the crystalline structure of a La0.25Ca0.75MnO3 nanoparticle system. This means that the calculation of the thermal behavior of gyromagnetic factor is an alternative to X-ray thermal studies.

Nanosystems, integrated systems with a total size of a few micrometers, are capable of interacting at the nanoscale, but their short operating range limits their usefulness in practical macro-scale scenarios. Nanonetworks, the interconnection of nanosystems, will extend their range of operation by allowing communication among nanosystems, thereby greatly enhancing their potential applications. In order to integrate communication capabilities into nanosystems, their communication subsystem needs to shrink to a size of a few micrometers. There are doubts about the feasibility of scaling down current metallic antennas to such a small size, mainly because their resonant frequency would be extremely high (in the optical domain) leading to a large free-space attenuation of the radiated EM waves. In consequence, as an alternative to implement wireless communications among nanosystems, two novel paradigms have emerged: molecular communication and graphene-enabled wireless communications. On the one hand, molecular communication is based on the exchange of molecules among nanosystems, inspired by communication among living cells. In Diffusion-based Molecular Communication (DMC), the emitted molecules propagate throughout the environment following a diffusion process until they reach the receiver. On the other hand, graphene, a one-atom-thick sheet of carbon atoms, has been proposed to implement graphene plasmonic RF antennas, or graphennas. Graphennas with a size in the order of a few micrometers show plasmonic effects which allow them to radiate EM waves in the terahertz band. Graphennas are the enabling technology of Graphene-enabled Wireless Communications (GWC). In order to answer the question of how communication networks will scale when their size shrinks, this thesis presents a scalability analysis of the performance metrics of communication networks to the nanoscale, following a general model with as few assumptions as possible. In the case of DMC, two detection schemes are proposed: amplitude detection and energy detection. Key performance metrics are identified and their scalability with respect to the transmission distance is found to differ significantly from the case of traditional wireless communications. These unique scaling trends present novel challenges which require the design of novel networking protocols specially adapted to DMC networks. The analysis of the propagation of plasmonic waves in graphennas allows determining their radiation performance. In particular, the resonant frequency of graphennas is not only lower than in metallic antennas, but it also increases more slowly as their length is reduced to the nanoscale. Moreover, the study of parameters such as the graphenna dimensions, the relaxation time of graphene and the applied chemical potential shows the tunability of graphennas in a wide frequency range. Furthermore, an experimental setup to measure graphennas based on feeding them by means of a photoconductive source is described. The effects of molecular absorption in the short-range terahertz channel, which corresponds to the expected operating scenario of graphennas, are analyzed. Molecular absorption is a process in which molecules present in the atmosphere absorb part of the energy of the terahertz EM waves radiated by graphennas, causing impairments in the performance of GWC. The study of molecular absorption allows quantifying this loss by deriving relevant performance metrics in this scenario, which show novel scalability trends as a function of the transmission distance with respect to the case of free-space propagation. Finally, the channel capacity of GWC is found to scale better as the antenna size is reduced than in traditional wireless communications. In consequence, GWC will require lower transmission power to achieve a given performance target. These results establish a general framework which may serve designers as a guide to implement wireless communication networks among nanosystems.

The growing significance, technical development and employment of electromagnetic (EM) methods in exploration geophysics have led to the increasing need for reliable and fast techniques of interpretation of 3-D EM data sets acquired in complex geological environments. The first and most important step to creating an inversion method is the development of a solver for the forward problem. In order to create an efficient, reliable and practical 3-D EM inversion, it is necessary to have a 3-D EM modelling code that is highly accurate, robust and very fast. This thesis focuses precisely on this crucial and very demanding step to building a 3-D EM interpretation method. The thesis presents as its main contribution a highly accurate, robust, very fast and extremely scalable numerical method for 3-D EM modelling in geophysics that is based on finite elements (FE) and designed to run on massively parallel computing platforms. Thanks to the fact that the FE approach supports completely unstructured tetrahedral meshes as well as local mesh refinements, the presented solver is able to represent complex geometries of subsurface structures very precisely and thus improve the solution accuracy and avoid misleading artefacts in images. Consequently, it can be successfully used in geological environments of arbitrary geometrical complexities. The parallel implementation of the method, which is based on the domain decomposition and a hybrid MPI-OpenMP scheme, has proved to be highly scalable - the achieved speed-up is close to the linear for more than a thousand processors. Thanks to this, the code is able to deal with extremely large problems, which may have hundreds of millions of degrees of freedom, in a very efficient way. The importance of having this forward-problem solver lies in the fact that it is now possible to create a 3-D EM inversion that can deal with data obtained in extremely complex geological environments in a way that is realistic for practical use in industry. So far, such imaging tool has not been proposed due to a lack of efficient, parallel FE solutions as well as the limitations of efficient solvers based on finite differences. In addition, the thesis discusses physical, mathematical and numerical aspects and challenges of 3-D EM modelling, which have been studied during my research in order to properly design the presented software for EM field simulations on 3-D areas of the Earth. Through this work, a physical problem formulation based on the secondary Coulomb-gauged EM potentials has been validated, proving that it can be successfully used with the standard nodal FE method to give highly accurate numerical solutions. Also, this work has shown that Krylov subspace iterative methods are the best solution for solving linear systems that arise after FE discretisation of the problem under consideration. More precisely, it has been discovered empirically that the best iterative method for this kind of problems is biconjugate gradient stabilised with an elaborate preconditioner. Since most commonly used preconditioners proved to be either unable to improve the convergence of the implemented solvers to the desired extent, or impractical in the parallel context, I have proposed a preconditioning technique for Krylov methods that is based on algebraic multigrid. Tests for various problems with different conductivity structures and characteristics have shown that the new preconditioner greatly improves the convergence of different Krylov subspace methods, which significantly reduces the total execution time of the program and improves the solution quality. Furthermore, the preconditioner is very practical for parallel implementation. Finally, it has been concluded that there are not any restrictions in employing classical parallel programming models, MPI and OpenMP, for parallelisation of the presented FE solver. Moreover, they have proved to be enough to provide an excellent scalability for it.

The photosynthesis is the process used by the plants and bacteria cells to convert the inorganic matter in organic thanks to the light energy. This process consist on several steps, being one of them the plastoquinone-9 (PQ) electronic transport from the Photosystem II to the cytochrome. In this Ph. D. Thesis we prepare membranes that mimic the characteristics of the natural cell membranes and we characterize them using several techniques in order to obtain the PQ molecules position in the membranes and to study its electrochemical behaviour. These membranes are prepared using several lipids and their mixtures with PQ and ubiquinone-10 (UQ). Both the pure components and the lipid:quinone mixtures have been studied using surface pressure-area per molecule isotherms. These isotherms give information about the film stability (Langmuir film) at the air/water interface and the mathematical treatment of their results indicates the thermodynamic behaviour of the mixture and their physical state. Moreover, the Brewster Angle Microscopy technique has been used to study in situ the possibility of microscopic aggregation. On the other hand, the Langmuir-Blodgett (LB) film has been transferred onto mica forming a monolayer that mimics the bottom layer of the biological membranes. This monolayer has been topographically characterized using AFM and both the height and the physical state that they present have been obtained. In addition, these monolayers have been transferred onto ITO that is a hydrophilic substrate with good optical and electrical features, so that, being a good candidate for studying the electrochemical behaviour of these systems. On the other hand, the DPPC:UQ system has been also studied preparing SPBs using liposomes. These SPBs have been characterized using force spectroscopy and the other techniques that have been pointed previously and are suitable to working with SPBs. The obtained results for the pure quinones indicate that they form Langmuir monolayers in the liquid expanded (LE) state at surface pressures below the collapse. The cyclic voltammograms (CV) of the LB films transferred on ITO shows one (process I) or two processes (process I and II), depending on the surface pressure at which the monolayer has been transferred. The processes present the same formal potentials for both quinones at biological pH. On the other hand, the pure lipids, in general, form more compact states than the corresponding lipid:quinone mixture. The galactolipid:quinone systems indicate that, at low surface pressures, non-ideal mixtures are obtained being favoured the interactions between molecules of the same kind. Increasing the surface pressure, the system changes from LE to liquid-condensed (LC), which implies the quinone rejection from the lipids head zone. The electrochemical results indicate that this rejection can be vertically or horizontally. Vertically, achieving a position above the lipid head region but still in the lipid matrix, or out of the lipìd matrix, placed parallel to the matrix over it. The horizontal rejection (from the LC zones) implies that the quinone molecules are placed in the LE zones enriching them and forming pools of quinone. The positions described for the quinone in a lipid: quinone system can be classified in "diving", with the quinone molecules in the matrix with or without ITO-quinone contact, and "swimming", which is correlated with the quinones placed over the matrix. The "diving" and "swimming" positions induce different redox processes and the charge involved at each process indicates which position is predominant. Both redox processes are irreversible due to the slow charge transfer rate at the ITO-monolayer/electrolyte interface. Moreover, this electron transfer is produced by direct transfer or electron hopping. / La fotosíntesi és el procés mitjançant el qual les cèl·lules de les plantes i bactèries converteixen la matèria inorgànica en orgànica gràcies a la llum. Aquest procés consta de diferents etapes i una d'elles és el transport electrònic per part de la plastoquinona-9 (PQ) des del Fotosistema II fins al citocrom. En aquesta tesi preparem membranes que emulen les característiques de les membranes de les cèl·lules naturals i les caracteritzem amb diverses tècniques per tal d'obtenir la posició de les molècules de PQ en la membrana i estudiar el seu comportament electroquímic. Aquestes membranes es preparen utilitzant diferents lípids i les seves mescles amb PQ i ubiquinona-10 (UQ). Tant els components purs com les mescles s'han estudiat fent servir isotermes pressió superficial-àrea per molècula, ja que dóna informació de l'estabilitat de la pel·lícula de molècules (pel·lícula Langmuir) a la interfase aire|aigua. El tractament matemàtic dels resultats d'aquestes isotermes permet obtenir el comportament termodinàmic de la mescla i el seu estat físic. A més, s'han estudiat els sistemes in situ fent servir la tècnica de Brewster Angle Microscopy per observar la possibilitat de segregació microscòpica. Per altra banda, la pel·lícula Langmuir-Blodgett (LB) ha estat transferida sobre mica formant una monocapa que simula la capa inferior de les membranes naturals. Aquesta capa s'ha caracteritzat topogràficament utilitzant AFM, s'ha mesurat l'alçada i s'ha estudiat l'estat físic que presenta. A més, aquestes pel·lícules s'han transferit sobre ITO que és un substrat hidrofílic que té unes bones característiques òptiques i elèctriques i per tant permet obtenir el comportament electroquímic d'aquests sistemes. En afegit, el sistema DPPC:UQ s'ha estudiat preparant SPBs utilitzant liposomes. Aquestes SPBs s'han caracteritzat per espectroscòpia de força, a més de les tècniques prèviament exposades que li són aplicables. Els resultats obtinguts per les quinones pures indiquen que formen monocapes de Langmuir en fase líquid expandit (LE) a pressions superficials inferiors al col·lapse. L'estudi per voltametria cíclica (CV) de LB de quinones transferides sobre ITO mostra, en funció de la pressió superficial de transferència, un (I) o dos processos redox (processos I i II) amb els mateixos potencials formals per les dues quinones a pH biològic. Per altra banda, els lípids purs, en general, formen fases més compactes que els sistemes galactolípid:quinona. Els sistemes galactolípid:quinona indiquen que, a pressions baixes, es formen mescles no ideals, on estan afavorides les interaccions entre molècules iguals. A l'augmentar la pressió, el sistema pateix una transició de fase de LE a líquid compacte (LC) que provoca l'expulsió de la quinona de la zona dels caps dels lípids. L'estudi per CV indica que aquesta expulsió pot ser vertical o horitzontal. Vertical, posicionant-se la quinona per sobre dels caps dels lípids, però encara dintre de la matriu lipídica, o fora de la matriu, posicionant-se perpendicularment a les cadenes lipídiques. L'expulsió horitzontal (de les zones LC) implica que la quinona va a parar a les zones LE, enriquint aquestes en quinona i formant-se "pools" de quinona. Les posicions descrites per la quinona en un sistema lípid:quinona es poden classificar en "diving" amb les quinones dintre de la matriu, ja sigui amb o sense contacte ITO-quinona, i la "swimming", que són quinones que estan a sobre de la matriu. Les posicions "diving" and "swimming" donen lloc a processos redox diferents i la càrrega que presenta cada procés, permet saber quina posició és dominant. Els dos processos redox són irreversibles donada la lenta transferència de càrrega en les interfases ITO-monocapa/electrolit. A més, aquest intercanvi d'electrons té lloc per transferència directa o per electron hopping.

S'ha realitzat un estudi sobre els mecanismes de formació de micropartícules polimèriques i les seves pel•lícules granulars, a partir de l'assecat de microgotes de electrosprays. L'estudi se centra en diferents solucions de tres polímers insolubles en aigua: polimetil(metacrilat), poliestirè, i etil cel•lulosa. L'assecat d'aquests electrosprays dóna lloc a diverses morfologies de partícula, que han estat determinades mitjançant microscòpia d'escombrat electrònic, i han estat caracteritzades en funció del solvent, concentració del polímer, el seu pes molecular, i la humitat relativa ambient. Les morfologies obtingudes inclouen una varietat d'estructures de partícula globulars i filamentoses, que, a humitat relativa elevada, poden desenvolupar porositat. Aquestes característiques morfològiques han estat explicades mitjançant models qualitatius que involucren fenòmens fluid dinàmics i sobre separació de fases, presents en sistemes relacionats amb els estudiats. Un dels fenòmens fluid dinàmics involucrats clau són les inestabilitats coulòmbiques de gotes elèctricament carregades. A més, la interacció de no solvent de l'aigua en la precipitació del polímer pot donar lloc a textures poroses sobre la superfície de les partícules. Les diferents formes de textura han estat explicades en referència als fenòmens de breath figure formation (BFF), i a la inversió de fases induïda per vapor (vapor induced phase separation, o VIPS). També hem estudiat el creixement de les pel•lícules granulars formades a partir de les partícules polimèriques. Demostrem que la càrrega elèctrica transportada per les partícules cap a la pel•lícula influeix fortament en la dinàmica de creixement d’aquesta. Un millor coneixement dels mecanismes estudiats en aquesta tesi hauria de permetre dissenyar nous processos de manufactura de partícules i recobriments basats en electrospray. Se ha realizado un estudio sobre los mecanismos de formación de micropartículas poliméricas y sus películas granulares, a partir del secado de microgotas de electropras. El estudio se centra en diferentes soluciones de tres polímeros insolubles en agua: polimetil(metacrilato), poliestireno, y etil celulosa. El secado de estos electrosprays da lugar a diversas morfologías de partícula, que han sido determinadas mediante microscopía de barrido electrónico, y han sido car / Se ha realizado un estudio sobre los mecanismos de formación de micropartículas poliméricas y sus películas granulares, a partir del secado de microgotas de electropras. El estudio se centra en diferentes soluciones de tres polímeros insolubles en agua: polimetil(metacrilato), poliestireno, y etil celulosa. El secado de estos electrosprays da lugar a diversas morfologías de partícula, que han sido determinadas mediante microscopía de barrido electrónico, y han sido caracterizadas en función del solvente, concentración del polímero, su peso molecular, y la humedad relativa ambiente. Las morfologías obtenidas incluyen una variedad de estructuras de partícula globulares y filamentosas, que, a humedad relativa elevada, pueden desarrollar porosidad. Estas características morfológicas han sido explicadas mediante modelos cualitativos que involucran fenómenos fluido dinámicos y sobre separación de fases, presentes en sistemas relacionados con los estudiados. Uno de los fenómenos fluido dinámicos involucrados clave son las inestabilidades coulómbicas de gotas eléctricamente cargadas. Además, la interacción de no solvente del agua en la precipitación del polímero puede dar lugar a texturas porosas sobre la superficie de las partículas. Los diferentes tipos de texturas han sido explicadas en referencia a los fenómenos de breath figure formation (BFF), y a inversión de fases inducida por vapor (vapor induced phase separation, o VIPS). También hemos estudiado el crecimiento de las películas granulares formadas a partir de las partículas poliméricas. Demostramos que la carga eléctrica transportada por las partículas hacia la película influye fuertemente en la dinámica de crecimiento de ésta. Un mejor conocimiento de los mecanismos estudiados en esta tesis debería permitir diseñar nuevos procesos de manufactura de partículas y recubrimientos basados en electrospray. / A study has been made of the mechanisms underlying the formation of polymeric microparticles and of their granular films, by drying of electrospray microdroplets. The study is focused on different solutions of three water-insoluble polymers: polymethyl(methacrylate), polystyrene, and ethyl cellulose. The drying of such electrosprays result in diverse particle morphologies, which have been determined by scanning electron microscopy, and have been characterized as a function of the solvent, polymer concentration, polymer molecular weight, and ambient relative humidity. The morphologies obtained include a variety of globular and filamented particle structures, which, at elevated relative humidity, can develop porosity. These morphological features have been explained using qualitative models involving fluid dynamic and phase separation phenomena which are known to occur in closely related systems. One of the key fluid dynamic phenomena involved is the coulombic instability of electrically charged droplets. In addition, the non-solvent interaction of water on the precipitation of the polymer can lead to porous textures on the particles surfaces. The different kinds of textures have been explained by reference to breath-figure formation (BFF) and vapor induced phase separation (VIPS) phenomena. We have also studied the growth of the granular films of such polymer particles. We show that the electrical charge transported by the particles to the film have a strong influence on the film growth dynamics. The better understanding of the mechanisms studied in this thesis, should help design new manufacturing processes of particles and coatings based on electrospray.

Capes de nanotubs de carboni de múltiples parets (MWCNTs) s'han dipositat sobre diferents substrats transductors per a aplicacions de detecció de gasos. MWCNTs tractats amb plasma d'oxigen, anomenats O-MWCNTs, han estat un element fonamental per al desenvolupament de nanomaterials sensibles a diferents gasos. Inicialment, els O-MWCNTs es van estudiar com a element sensible en dispositius sensors de gasos de tipus resistiu. Els compostos orgànics volàtils (COV) com ara benzè, toluè, etanol, metanol i acetona es van utilitzar per a caracteritzar aquesta capa sensible. Els sensors van mostrar bona sensibilitat i excel·lent recuperació de la línia de base en presència de vapors de benzè o toluè en comparació amb els altres VOCs estudiats. També, els O-MWCNTs es van estudiar com a nanomaterials adsorbents dipositats en micropalanques ressonants piezoelèctriques PZT fabricades per serigrafia. En un segon pas, es va modificar l'elèctrode superior per convertir-lo en interdigitat amb la finalitat d'obtenir un transductor que permetir emprar dos mecanismes de transducció. Aquesta configuració ens va permetre mesurar, per a un sol dispositiu, el canvi de resistència de la pel·lícula de nanotubs de carboni i el canvi de freqüència de ressonància de la micropalanca PZT després de l'exposició a compostos orgànics volàtils. Les propietats de detecció de tals sistemes han estat estudiades per contaminants com el benzè, CO i NO2. Canvis positius i negatius de la freqüència de ressonància s'observen en baixes i altes concentracions de gas, respectivament. Aquests s'atribueixen a que l'estrès o els efectes de massa es fa dominant en nivells baixos o alts de concentració de gas. Mitjançant el signe del canvi de la resistència de la pel·lícula de O-MWCNT es poden discriminar els gasos o vapors d'acord al seu caràcter oxidant o reductor. L'interès de la doble transducció s'ha demostrat en la detecció de CO. Finalment, al davant de la dificultat per detectar benzè en concentracions baixes, s'ha seguit un enfocament diferent, basat en reconeixement molecular hoste-amfitrió. Per promoure la interacció específica cap al benzè, s'ha emprat un cavitant (quinoxalina) per funcionalitzar els O- MWCNTs. La detecció de 2,5 ppb de benzè en l'aire sec es demostra com a possible i el límit de detecció (LOD), es troba prop de 600 ppm. / Capas sensibles basadas en nanotubos de carbono multi pared (MWCNTs) han sido depositadas sobre diferentes sustratos de transductores para su aplicación en sensores de gases. MWCNTs tratados con plasma de oxígeno, llamados O-MWCNTs, han sido el compuesto básico para el desarrollo de otros nanomateriales sensibles a gases. Primero, O-MWCNTs fueron estudiados como sensores de gas resistivos. Compuestos orgánicos volátiles (COVs) como benceno, tolueno, etanol, y acetona fueron usados para caracterizar esta capa sensible. Los sensores muestran una buena sensibilidad y una recuperación excelente de la línea de base en presencia de vapores de benceno o tolueno en comparación a otros COVs probados. O-MWCNTs fueron estudiados como nanomateriales adsorbentes depositados sobre micropalancas resonantes piezoeléctricas de PZT fabricadas por serigrafía multi-capa. En segundo término, una modificación del electrodo superior en forma de dos electrodos interdigitados fue implementada con el objetivo de obtener un elemento transductor capaz de implementar dos mecanismo de transducción. Esta configuración nos ha permitido medir, con un solo dispositivo, el cambio en la resistencia de la capa de los nanotubos de carbono y el desplazamiento de la frecuencia de resonancia de la micropalanca PZT bajo exposicion a los COVs. Las propiedades de detección de estos sistemas han sido estudiadas para los contaminantes benceno, CO y NO2. Desplazamientos positivos y negativos de la frecuencia de resonancia son observados a bajas y altas concentraciones, respectivamente. Esto es atribuido a los efectos de estrés y de masa convirtiéndose en dominantes a bajos o altos niveles de concentración. Monitorizando la resistencia de la capa de los O-MWCNTs de tipo-p ayuda a discriminar los gases/vapores en acuerdo con sus caracteres oxidante o reductor. El interés de la doble transducción ha sido demostrado con la detección de CO. Finalmente, frente a la dificultad de detectar benceno a baja concentración, un enfoque diferente basado en el reconocimiento molecular "host-guest" es propuesto. Para promover interacciones especificas hacia el benceno, los MWCNTS funcionalizados con un cavitando de tipo quinoxalina fueron empleados. Una detección de 2.5 ppb de benceno en aire seco es demostrado con un límite de detección (LOD) cerca de 600 ppt. / Multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) base sensitive layers have been deposited onto different transducer substrates for gas sensing application. Oxygen plasma treated MWCNTs, so-called O-MWCNTs, have been a building block for developing other gas sensitive nanomaterials. At first, O-MWCNTs were studied as resistive gas sensors. Volatile organic compounds (VOCs) such as benzene, toluene, ethanol, methanol and acetone were used to characterize this sensitive layer. The sensors showed good sensitivity and excellent baseline recovery in the presence of benzene or toluene vapors compared to the others tested VOCs. O-MWCNTs were studied as adsorbent nanomaterials deposited on PZT piezoelectric resonant cantilevers fabricated by multilayer screen-printing. In the second step, a modification of the top electrode to become an interdigitated electrode was implemented in order to have a sensor transducer employing two transduction mechanisms. This configuration allowed us to measure, for a single device, the resistance change of the carbon nanotube film and the resonance frequency shift of the PZT cantilever upon exposure to VOCs. The sensing properties of such systems have been studied for benzene, CO, and NO2 contaminants. Positive and negative shifts of the resonance frequency are observed at low and high gas concentrations, respectively. These are attributed to stress or to mass effects becoming dominant at low or high gas concentration levels. Monitoring the resistance of the p-type O-MWCNT film helps discriminating gases/ vapours according to their oxidizing or reducing character. The interest of the double transduction has been demonstrated in the detection of CO. Finally, in front of the difficulty to detect benzene at low concentrations, a different approach based on the host-guest molecular recognition is proposed. To promote specific interaction toward benzene, quinoxaline-walled thioether-legged deep cavitand functionalized MWCNTs are used. The detection of 2.5 ppb of benzene in dry air is demonstrated with a limit of detection (LOD) near 600 ppt.

En les darreres dècades, el món de la tecnologia i el desenvolupament de nous aparells electrònics s'han convertit en vitals per la nostra societat. Considerant la creixent demanda per la interpretació de resultats experimentals, la millora dels mètodes teòrics i el creixement dels recursos computacionals ens han permés un millor enteniment del comportament magnètic en sistemes amb metalls de transició. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir en aquest camp d'investigació amb l'estudi de materials magnètics utilitzant eines computacionals (DFT, TD-DFT, CASSCF, CASPT2, DDCI, etc.), i en alguns casos, combinant-ho amb resultats experimentals. La primera part (Capítols 3 i 4) inclou l'estudi dels estats electronics de complexes de spin-crossover de Fe(II) i Fe(III) combinant la teoria funcional de la densitat (DFT i TD-DFT) amb mètodes multiconfiguracionals (CASSCF, CASPT2). A més a més, utilitzant la mateixa combinació, hem descrit el fenomen LIESST en complexes de Fe(III). La segona part (Cap. 5 i 6) exposa l'estudi de les propietats magnètiques associades a l'acoblament magnètic utilitzant mètodes variacionals (DDCI, DDCI-2), en un complex de Fe(IV) i un complex bimetàl·lic [MnCr]-oxalat, y com els canvis estructurals afecten a aquest acoblament. Altrament, hem fet un rigurós anàlisi de l'estructura electrònica del complex de Fe(IV) per proporcionar més informació en la descripció més adequada del sistema. / En las últimas décadas, el mundo de la tecnologia y el desarrollo de nuevos aparatos electrónicos se han convertido en vitales para nuestra sociedad. Considerando la creciente demanda para la interpretación de resultados experimentales, la mejora de los métodos teóricos y el crecimiento de los recursos computacionales nos han permitido un mejor entendimiento de los comportamientos magnéticos en los sistemas con metales de transición. El objetivo de esta tesis es contribuir a este campo de investigación con el estudio de materiales magnéticos usando herramientas computacionales (DFT, TD-DFT, CASSCF, CASPT2, DDCI, etc.), y en algunos casos, combinando con resultados experimentales. La primera parte (Capítulo 3 y 4) incluye el estudio de los estados electrónicos de los complejos de spin-crossover de Fe(II) y Fe(III) combinando la teoria funcional de la densidad (DFT y TD-DFT) con métodos multiconfiguracionales (CASSCF, CASPT2). Además, usando la misma combinación, hemos descrito el fenómeno LIESST en complejos de Fe(III). La segunda parte (Cap. 5 y 6) expone el estudio de las propiedades magnéticas asociadas al acoplamiento magnético utilizando metodos variacionales (DDCI, DDCI-2), en un complejo de Fe(IV) y un complejo bimetálico [MnCr]-oxalato, y como los cambios estructurales afectan a ese acoplamiento. Por otra parte, hemos hecho un riguroso analisis de la estructura electrónica del complejo de Fe(IV) para aportar la información para la descripción mas adecuada del sistema. / Over the last decades the world of technology and the development of new devices have become vital for our society. Considering the growing demand for interpretation of experimental observations, the improvement of theoretical methods and the increasing of the computational resources has allowed us to deepen the understanding of magnetic beahvior of metal transitions architectures. The aim of this thesis is to contribute to this research field with the study of magnetic materials by using computational tools (DFT, TD-DFT, CASSCF, CASPT2, DDCI, etc.), and in some cases combining it with experimental results. The first part (Chapters 3 and 4) includes the study of the electronic states of Fe(II) and Fe(III) spin-crossover complexes combining the density functional theory (DFT and TD-DFT) with multiconfigurational methodologies (CASSCF, CASPT2). In addition, we have described the LIESST phenomenon in Fe(III) using the same combination. The second part (Chapters 5 and 6) exposes the study of the magnetic properties related to the magnetic coupling using variational methods (DDCI, DDCI-2) of a Fe(IV) complex and bimetallic [MnCr] oxalate-based complexes and how changes can influence to the coupling. Moreover, a rigorous analysis of the electronic structure of the Fe(IV) system has been performed to provide more information about the most adequate description of the system in terms of intuitive chemical concepts.

En aquest treball es demostren nous mètodes prometedors en la fabricació de cèlules solars orgàniques obtingudes per processos en dissolució. Més concretament, s'ha demostrat que l'envelliment de la sol·lució i la utilització de solvents ternaris són utls per a la modificació de la nanomorfologia i la fase cristalina de la capa activa en cel·les basades en PTBx:PCBM. L'estudi es centre en comprendre com l'envelliment de la sol·lució i la barreja de solvents influencien les morfologies de la barreja de polímers a la cel·la, la seva cristalinitat i la eficiència del dispositiu. En base a mesures de AFM i GIXS es demostra que l’envelliment de la solució millora significativament la separació de microfases, la morfologia i la interpenetració bi-continua de la barreja PTB1:PCBM. S’ha demostrat un millora significativa del 19% en eficiència de cel·les obtingudes per envelliment de solució enfront de cel·les sense aquest procés. A més, s’han fabricat estructures c-PSC i i-PSC basades en PTB7:PCBM utilitzant una barreja de solvents ternària de CB/CHN/DIO. S’ha trobat que l’addició de CHN a la solució de CB/DIO permet controlar no només la cristalinitat dels polímers a la capa activa sinó també la seva composició superficial. Després d’utilitzar CB/CHN/DIO, les mesures de GIXS revelen la formació de dominis estructurals i una millora de la distància entre cadenes del polímer PTB7. Això te per conseqüència un augment del corrent foto-generat i de l’eficiència. Mesures d’angle de contacte demostren la presència de PTB7 enriquit a la superfície superior de la capa activa. Això indueix una major selectivitat a l’ànode, en particular per estructures i-PSC en comparació amb dispositius c-PSC. D’aquesta manera, s’aconsegueix una eficiència del 8.05 % per a dispositius i-PSC obtinguts amb solució de CB. Aquesta és significativament més gran que la dels dispositius c-PSC (6.86%). / En este trabajo se demuestran nuevos métodos prometedores en la fabricación de células solares orgánicas obtenidas mediante procesos en disolución. Más concretamente, se ha demostrado que el envejecimiento de la solución y el uso de solventes ternarios son útiles para la modificación de la nanomorfología y la fase cristalina de la capa activa en células basadas en PTBx:PCBM. El estudio se centra en comprender como el envejecimiento de la solución y la mezcla de solventes influencian las morfologías de la mezcla de polímeros en la celda, su cristalinidad y la eficiencia del dispositivo. En base a medidas de AFM y GIXS se demuestra que el envejecimiento de la solución mejora significativamente con la separación de microfases, la morfología y la interpenetración bi-contínua de la mezcla PTB1:PCBM. Se ha demostrado una mejora significativa del 19% en la eficiéncia de células obtenidas mediante envejecimiento de la solución, frente a células sin este proceso. Además se han fabricado estructuras c-PSC y i-PSC basadas en PTB7:PCBM usando una mezcla de solventes ternaria CB/CHN/DIO. Se ha encontrado que la adición de CHN a la solución de CB/DIO permite controlar no solamente la cristalinidad de los polímeros en la capa activa, sino también en su composición superficial. Después de usar CB/CHN/DIO, las medidas de GIXS revelan la formación de dominios estructurales y una mejora de la distancia entre cadenas del poímero PTB7. Esto, por consecuencia lleva a un aumento de la corriente foto-generada y de la eficiencia. Medidas de ángulo de contacto demuestran la presencia de PTB7 enriquecido en la superficie superior de la capa activa. Esto induce una mayor selectivitat en el ánodo, en particular para estructuras i-PSC en comparaci´n con dispositivos c-PSC. De esta manera, se consigue una eficiencia del 8.05% para dispositivos i-PSC obtenidos con una solución de CB. Esta es significativamente mayor que la de los dispositivos c-PSC (6.86%). / In the work, we have demonstrated that solution aging and ternary solvent mixture were promising methods to modify nanomorphology and crystal phase of the active layer in PTBx:PCBM polymer solar cells. We focus on understanding how the solution aging and solvent mixture influence the blend morphologies and crystallinity of polymers, further affecting the device performance. Supported by AFM and GIXS measurements, the results showed solution aging significantly improves microphase separation morphology and bi-continuous interpenetrating network of the PTB1:PCBM blend. A significant improvement exceeding 19% in PCE in device with solution aging processed are found compared to without solution aging. In addition, we fabricated the c-PSC and i-PSC structures based on PTB7:PCBM with a CB/CHN/DIO ternary solvent mixture treatment. We found that addition of CHN into CB/DIO solution can control not only crystallinity of polymers the of the active layer but also surface compositions . After using CB/CHN/DIO, GIXS measurements reveal the formation of oriented crystalline structure domains and improvement increase of interchain stacking distance between PTB7 polymer, which consequently leads to a more efficient increase in photo-generated current. Enriched PTB7 on the top surface of active layer, detected via contact angle measurements, induces higher hole selectivity at the anode contact and is favorable to i-PSC compared with c-PSC device. Thus, PCE of 8.05% for i-PSC device from CB solution is obtained, which is significantly higher than the one obtained from c-PSC device (6.86%).

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.

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.