Aquesta tesi consisteix en l’estudi de les possibilitats del RbTiOPO4 (RTP) dopat amb Yb i Nb, principalment, per a fotònica integrada. La raó per la qual es presenta l’RTP per a fotònica integrada és que aquest és un material multi funcional. Aquest estudi ha sigut desenvolupat principalment seguint els següents ítems: fabricació i caracterització d’epitaxies de (Yb,Nb):RTP i (Ba,Yb,Nb) sobre substrats de RTP(001). Una cop trobada la millor composició d’òxids, és van fabricar i caracteritzar guies d’ona planes a partir de les epitaxies. Les guies d’ona són al voltant de 10 6m de gruix. Aquestes guies planes, van servir com a plataforma per fabricar guies d’ona acanalades (tipus rib) al voltant de 10 6m d’ample. Es van usar diferents tècniques: fs-laser ablation, Ar ion milling, Reactive Ion Etching. També és van fabricar i caracteritzar guies d’ona de canal per difusió de Cs+ en substrats de RTP (001). / The RbTiOPO4 is a bifunctional nonlinear crystal. It can be doped with Yb3+ up to concentrations able to get emission laser around 1 'm, as well as to obtain Second Harmonic Generation. These characteristics make it interesting for photonic applications. In fact, this field of research is looking for a multifunctional material able to be the base for optical chips. In summary: the aim of this doctoral thesis is to investigate the possibilities of (Yb,Nb):RTP/RTP (001) epitaxial layers as a substrate for photonic applications. The thesis focuses on the fabrication of epitaxies, planar and channel waveguides, as well as the consequent characterization. Have been used different methods for the channel waveguides fabrication, in order to investigate the versatility of (Yb,Nb):RTP/RTP (001) in front of the common used techniques in this field.

Many outstanding problems in quantum physics, such as high-Tc superconductivity or quark confinement, are still - after decades of research - awaiting commonly accepted explanations. One reason is that such systems are often difficult to control, show an intermingling of several effects, or are not easily accessible to measurement. To arrive at a deeper understanding of the physics at work, researchers typically derive simplified models designed to capture the most striking phenomena of the system under consideration. However, due to the exponential complexity of Hilbert space, even some of the simplest of such models pose formidable challenges to analytical and numerical calculations. In 1982, Feynman proposed to solve such quantum models with experimental simulation on a physically distinct, specifically engineered quantum system [Int. J. Theor.Phys. 21, 467]. Designed to be governed by the same underlying equations as the original model, it is hoped that direct measurements on these so called quantum simulators (QSs) will allow to gather deep insights into outstanding problems of physics and beyond. In this thesis, we identify four requirements that a useful QS has to fulfill, relevance, control, reliability, and efficiency. Focusing on these, we review the state of the art of two popular approaches, digital QSs (i.e., special purpose quantum computers) and analog QSs (devices with always-on interactions). Further, focusing on possibilities to increase control over QSs, we discuss a scheme to engineer quantum correlations between mesoscopic numbers of spinful particles in optical lattices. This technique, based on quantum polarization spectroscopy, may be useful for state preparation and quantum information protocols. Additionally, employing several analytical and numerical methods for the calculation of many-body ground states, we demonstrate the variety of condensed-matter problems that can be attacked with QSs consisting of ultracold ions or neutral atoms in optical lattices. The chosen examples, some of which have already been realized in experiment, include such diverse settings as frustrated antiferromagnetism, quantum phase transitions in exotic lattice geometries, topological insulators, non-Abelian gauge-fields, orbital order of ultracold Fermions, and systems with long-range interactions. The experimental realization of all of these models requires techniques which go beyond standard optical lattices, e.g., time-periodic driving of lattices with exotic geometry, loading ultracold atoms into higher bands, or immersing trapped ions into an optical lattice. The chosen models, motivated by important open questions of quantum physics, pose difficult problems for classical computers, but they may be amenable in the near future to quantum simulation with ultracold atoms or ions. While the experimental control over relevant models has increased dramatically in the last years, the reliability and efficiency of QSs has received considerably less attention. As a second important part of this thesis, we emphasize the need to consider these aspects under realistic experimental conditions. We discuss specific situations where terms that have typically been neglected in the description of the QS introduce systematic errors and even lead to novel physics. Further, we characterize in a generic example the influence of quenched disorder on an analog QS. Its performance for simulating universal behavior near a quantum phase transition seems satisfactory for low disorder. Moreover, our results suggest a connection between the reliability and efficiency of a QS: it works less reliable exactly in those interesting regimes where classical calculations are less efficient. If QSs fulfill all of our four requirements, they may revolutionize our approach to quantum-mechanical problems, allowing to solve the behavior of complex Hamiltonians, and to design nano-scale materials and chemical compounds from the ground up.

Los esfuerzos por realizar nuevos descubrimientos en el campo de la superconductividad están motivados por una imperiosa necesidad de su aplicación en el día a día.[1-7] En este sentido, la fabricación de cables superconductores de grandes dimensiones ha sido posible gracias a la inclusión de resultados obtenidos en laboratorios trabajando con sistemas modélicos,[8-12] donde los objetivos se centran en la mejora de las prestaciones del YBa2Cu3O7, uno de los materiales con mejores resultados en aplicación. La inhibición del movimiento colectivo de la red de vórtices, efecto generador de la disipación de energía en cables superconductores, ha sido uno de los frentes más atacados para la optimización de resultados. La estructuración de la red de vórtices por parte de defectos en el material es un muy buen indicador de la interacción presente entre vórtices y defectos, interacción necesaria para la inhibición del movimiento de la red de vórtices y por consiguiente para la mejora de las prestaciones de los materiales superconductores. Sin embargo las técnicas para la evaluación de los resultados obtenidos trabajan con la respuesta colectiva de la red[13,14] obteniendo resultados que no permiten discernir fácilmente entre los diferentes aportes a la inhibición de movimiento de la red de vórtices. En este marco, el trabajo de tesis aquí plasmado estudia la estructuración de la red de vórtices debido a la presencia de defectos, permitiendo una comparación cuantitativa entre defectos de diferente naturaleza. Dicho análisis se centra en la respuesta del YBa2Cu3O7 ante la presencia de defectos artificiales superficiales capaces de mejorar las propiedades del material superconductor. El estudio se lleva a cabo visualizando la red de vórtices mediante la técnica de decoración magnética en sistemas modélicos (monocristales y películas de YBa2Cu3O7 crecidos respectivamente por los métodos de flujo y de epitaxialidad en fase líquida sobre sustratos de MgO). Los defectos artificiales estudiados son generado por dos técnicas diferentes, la irradiación con haz de iones focalizado y la indentación a escala nanométrica. Para la realización de dicho estudio primeramente se lleva a cabo el montaje y puesta a punto de la técnica de visualización empleada, la decoración magnética. Luego, a partir de los resultados de visualización de la red de vórtices obtenidos, se genera un modelo para la estimación de energías asociadas a la red. Este modelo permite discernir la contribución a la inhibición del movimiento de la red por parte de diferentes tipos de defectos, comparando por primera vez de manera cuantitativa resultados de este tipo. Finalmente se realiza el modelado de sistemas virtuales, lo que permite estimar propiedades de los defectos a partir de una comparación directa entre sistemas de vórtices reales y artificiales. Notamos que este trabajo demuestra avances en tres frentes importantes. Por un lado hemos puesto en marcha una técnica de visualización de dominios magnéticos (aplicada aquí exclusivamente al estudio de vórtices en materiales superconductores). Esta técnica está presente solo en media docena de laboratorios en el mundo. Por otra parte hemos generado una herramienta de fácil aplicación para el estudio cuantitativo de las energías asociadas al anclaje de vórtices (modelo para la determinación de energías en la red de vórtices). La misma ha demostrado ser muy dócil en cuanto a ámbito de aplicación se refiere, permitiendo trabajar en diferentes materiales observados por decoración y demostrando sus posibilidades trabajando incluso en sistemas artificialmente generados. Las hipótesis consideradas para la generación de este modelo fueron comprobadas mediante el modelado de sistemas virtuales, afianzando dicho modelo energético y permitiendo a su vez caracterizar los defectos artificiales generados en el propio material YBa2Cu3O7. Por último se realizó un avance muy importante en relación a la naturaleza de los centros de anclaje de vórtice artificiales, logrando comparar de manera cuantitativa las fuerzas de anclaje asociadas a las diferentes técnicas empleadas en la generación de los mismos. Dicho análisis, realizado precisamente en YBa2Cu3O7, es extensible al ámbito de cintas superconductoras o dispositivos electrónicos, entre otros. Mostramos aquí un trabajo que nace de la necesidad de un estudio comparativo claro entre resultados de interacción vórtice-defecto asociados a diferentes tipos de defectos. Un trabajo que involucra desde la construcción y puesta en marcha del sistema empleado para la obtención de resultados hasta el análisis de los mismos generando herramientas para tal efecto, incluyendo un estudio final mediante el modelado virtual de los propios sistemas medidos experimentalmente. Un trabajo que demostramos es, tanto en parte como en conjunto, de fácil aplicación al estudio de materiales superconductores; innovando en el análisis de resultados propuesto así como aportando una nueva técnica al laboratorio. [1] T. G. Holesinger, L. Civale, B. Maiorov, D. M. Feldmann, J. Y. Coulter, D. J. Miller, V. A. Maroni, Z. Chen, D. C. Larbalestier, R. Feenstra, X. Li, Y. Huang, T. Kodenkandath, W. Zhang, M. W. Rupich y A. P. Malozemoff, Advanced Materials, 20, 391 (2008). [2] S. R. Foltyn, L. Civale, J. L. MacManus-Driscoll, Q. X. Jia, B. Maiorov, H. Wang y M. Maley, Nature Materials, 6, 631 (2007). [3] Y. Iijima, N. Tanabe, O. Kohno y Y. Ikeno, Appl. Phys. Lett., 60, 769 (1992). [4] X. D. Wu, S. R. Foltyn, P. Arendt, J. Townsend, C. Adams, I. H. Campbell, P. Tiwari, Y. Coulter y D. E. Peterson, Appl. Phys. Lett., 65, 1961 (1994). [5] D. P. Norton, A. Goyal, J. D. Budai, D. K. Christen, D. M. Kroeger, E. D. Specht, Q. He, B. Saffian, M. Paranthaman, C. E. Klabunde, D. F. Lee, B. C. Sales y F. A. List, Science, 274, 755 (1996). [6] Y. Kamihara, H. Hiramatsu, M. Hirano, R. Kawamura, H. Yanagi, T. Kamiya y H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 128, 10012 (2006). [7] Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano y H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 130, 3296 (2008). [8] N. Roma, S. Morlens, S. Ricart, K. Zalamova, J. M. Moreto, A. Pomar, T. Puig y X. Obradors, Superconductor Science and Technology, 19, 521 (2006). [9] S. Morlens, N. Romá, S. Ricart, A. Pomar, T. Puig y X. Obradors, Journal of Materials Research, 22, 2330 (2007). [10] A. Hassini, A. Pomar, C. Moreno, A. Ruyter, N. Roma, T. Puig y X. Obradors, Physica C: Superconductivity, 460-462, 1357 (2007). [11] M. Gibert, T. Puig y X. Obradors, Surface Science, 601, 2680 (2007). [12] J. Gutierrez, A. Llordés, J. Gázquez, M. Gibert, N. Romà, S. Ricart, A. Pomar, F. Sandiumenge, N. Mestres, T. Puig y X. Obradors, Nature Materials, 6, 367 (2007). [13] J. Gutierrez, T. Puig y X. Obradors, Applied Physics Letters, 90, 162514 (2007). [14] A. Palau, T. Puig, X. Obradors y C. Jooss, Phys. Rev. B, 75, 054517 (2007). / Efforts in superconductivity for new discoveries are pushed up for a vital necessity of application.[1-7] It is know that construction of long superconductor cables have been able due to application of results obtained in lab experiments using YBa2Cu3O7 model systems,[8-12] superconductor material with the best performance. Vortex pinning has been the hot topic for improve superconductor properties, since this effect is the one that produce loose of energy. Vortex lattice structured due to material defects presence point out a vortex-defect interaction necessary for a good vortex pinning and, in consequence, an improvement of superconductor properties. However, evaluation techniques typically used work with the collective behavior of the vortex lattice,[13, 14] with results that barely allow to separate individual contributions from different interactions. This thesis is focused on the vortex lattice structured analysis due to defect presence, allowing a quantitative comparison between different kinds of defects. The analysis is based on the YBa2Cu3O7 flux line lattice behavior in direct interaction with surface artificial defects that can improve superconductor properties of the material. The study uses the Magnetic Decoration technique for the visualization of the flux line lattice in model systems (single crystals and films of YBa2Cu3O7 growth respectively by flux method and liquid phase ephitaxy on MgO substrates). Artificial defects under study are generated using two different techniques, focused ion beam and indentation at nanometric scale. For this study, first of all a montage and set up of the magnetic decoration technique is doing. Then a model for flux line lattice energies estimation is developed based on magnetic decoration results. This model allows evaluating separately individual pinning contributions, comparing for the first time results in a quantitative way. Finally a virtual systems modeling is performed, estimating defect properties due to a direct comparison between real and artificial vortex systems. We point out that this work shows highlights in three different ways. In one hand we have started with a technique for magnetic domains visualization (here used exclusively for vortices in superconductor materials). This technique is present in just a few laboratories all around the world. At the other hand we have generated an easy tool for a quantitative study of pinning energies (model for energy identification at flux line lattice). This tool has been able to work very well at different conditions, giving results for several materials and even for artificially generated vortex systems. Hypothesis considered to the formulation of this model were probed through modeling of virtual systems, supporting the energy model and allowing also defect characterization artificially generated at the YBa2Cu3O7 material. Finally we have carried out an important develop about nature of pinning due to artificial defects, comparing in a quantitative way results associated to different artificial defect generation techniques. This analysis performed in YBa2Cu3O7, is applicable to a broad range of materials as well as topics (e.g. coated conductors, electronic devices, etc.). Here we show a work based on a simple but strong necessity of a clear comparative study between vortex-defect interactions associated to different kind of defects. A work that involves from construction of experimental technique in use to the generation of a tool for the corresponding result analysis, including a final study modeling virtually the systems of vortices experimentally observed. A work that was shown, in part as well as in a complete route, easily applicable to superconductor materials, developing new analysis routes and also establishing a new technique at the laboratory. [1] T. G. Holesinger, L. Civale, B. Maiorov, D. M. Feldmann, J. Y. Coulter, D. J. Miller, V. A. Maroni, Z. Chen, D. C. Larbalestier, R. Feenstra, X. Li, Y. Huang, T. Kodenkandath, W. Zhang, M. W. Rupich and A. P. Malozemoff, Advanced Materials, 20, 391 (2008). [2] S. R. Foltyn, L. Civale, J. L. MacManus-Driscoll, Q. X. Jia, B. Maiorov, H. Wang and M. Maley, Nature Materials, 6, 631 (2007). [3] Y. Iijima, N. Tanabe, O. Kohno and Y. Ikeno, Appl. Phys. Lett., 60, 769 (1992). [4] X. D. Wu, S. R. Foltyn, P. Arendt, J. Townsend, C. Adams, I. H. Campbell, P. Tiwari, Y. Coulter and D. E. Peterson, Appl. Phys. Lett., 65, 1961 (1994). [5] D. P. Norton, A. Goyal, J. D. Budai, D. K. Christen, D. M. Kroeger, E. D. Specht, Q. He, B. Saffian, M. Paranthaman, C. E. Klabunde, D. F. Lee, B. C. Sales and F. A. List, Science, 274, 755 (1996). [6] Y. Kamihara, H. Hiramatsu, M. Hirano, R. Kawamura, H. Yanagi, T. Kamiya and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 128, 10012 (2006). [7] Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc., 130, 3296 (2008). [8] N. Roma, S. Morlens, S. Ricart, K. Zalamova, J. M. Moreto, A. Pomar, T. Puig and X. Obradors, Superconductor Science and Technology, 19, 521 (2006). [9] S. Morlens, N. Romá, S. Ricart, A. Pomar, T. Puig and X. Obradors, Journal of Materials Research, 22, 2330 (2007). [10] A. Hassini, A. Pomar, C. Moreno, A. Ruyter, N. Roma, T. Puig and X. Obradors, Physica C: Superconductivity, 460-462, 1357 (2007). [11] M. Gibert, T. Puig and X. Obradors, Surface Science, 601, 2680 (2007). [12] J. Gutierrez, A. Llordés, J. Gázquez, M. Gibert, N. Romà, S. Ricart, A. Pomar, F. Sandiumenge, N. Mestres, T. Puig and X. Obradors, Nature Materials, 6, 367 (2007). [13] J. Gutierrez, T. Puig and X. Obradors, Applied Physics Letters, 90, 162514 (2007). [14] A. Palau, T. Puig, X. Obradors and C. Jooss, Phys. Rev. B, 75, 054517 (2007).

El descubrimiento de nuevos y novedosos materiales, procesos y fenómenos a escala manométrica, así como los nuevos métodos experimentales y teóricos proveen oportunidades para el desarrollo de sistemas innovadores a esa escala. La naturaleza muestra como construye objetos macroscópicos desde unidades básicas con formas definidas, propiedades, orden y control estructural en materiales. Este concepto es utilizado para la construcción de macro-sistemas, orgánicos e inorgánicos, desde una estrategia “bottom-up”. El trabajo de la tesis se ha centrado en el estudio experimental de sistemas modelo muy diferenciados (uno orgánico y otro inorgánico): i) películas autoorganizadas (selfassembled monolayers, SAMs) de organosulfuros sobre Au(111), en concreto (C20H16O2S, mercaptomethyl therphenyl carboxylic acid, MMTA) y ii) substratos óxidos tipo perovskita, en concreto SrTiO3 (STO). La técnica que se ha utilizado es la microscopia de fuerzas de barrido (Scanning Force Microscopy, SFM) tambien llamado microscopio de fuerzas atómicas (Atomic Force Microscopy, AFM) con el fin de obtener información sobre las propiedades estructurales, mecánicas y electrónicas (transporte y electrostáticas) de estas superficies y establecer correlaciones entre las propiedades y la funcionalidad. El presente trabajo consta de 7 capítulos, los primeros 5 capítulos describen la completa caracterizacion del sistema pi-conjugado MMTA. Una introducción a la técnica SFM en sus diversos modos de uso, preparacion de substratos, soluciones y procesos termicos involucrados para observar posibles cambios morfólogicos son abordados en el capítulo 2. El capítulos 3 de la tesis describe el trabajo realizado desde la preparación de las capas hasta su caracterización. Para poder estudiar la influencia de los solventes en la estructura y propiedades de las superficies, se ha utilizano toda una serie de protocolos en los que se han variado todos los parámetros involucrados en la preparación: solventes (etanol (EtOH, 99.8%), ácido acético (AA, 99%), tetrahydrofuran (THF) y ácido trifluroacético (TFA, 99%)), concentraciones (de 1 μM hasta 1 mM) y tratamientos térmicos (25°C y 120°C y post-annealing). También se incluye en la tesis la funcionalización confinada lateralmente de superficies de oro con MMTA utilizando la técnica de microcontact printing (-CP) con sellos de Poly(dimethylsiloxane) PDMS impregnados en la concentración óptima de la solución molecular. Un arduo trabajo de pruebas han llevado a concluir la metodología adecuada para obtener películas de una o dos alturas, cuya terminación consecuentemente es diferente (COOH o SH) proporcionando diferente respuesta tanto en propiedades tribológicas (fricción) como en propiedades electrónicas (corriente y potencial de superficie), cuyos resultados son presentados en los capítulos 4 y 5. Algunas de las novedades más resaltables implican la diferenciación y establecimiento de la transición ente mecanismos de transporte (e.g. túnel coherente a bajos voltajes y Fowler-Nordheim a mayores campos) a través de las películas y en función del espesor de la película y de la fuerza aplicada. El capítulo 6 esta dedicado al segundo sistema modelo, el óxido tipo perovskita STO, es el substrato por excelencia para el crecimiento de óxidos complejos. La estructura cristalina de estos óxidos, con fórmula general ABO3 contiene planos alternados de composiciones atómicas AO (A=Sr) y BO2 (B=Ti) de tal manera que las superficies (001) pueden tener esas dos posibles terminaciones químicas. Durante la tesis se ha puesto en evidencia que la terminación de la superficie (dependiente del modo de obtención) es determinante, por ejemplo, en la secuencia de empaquetamiento de películas depositadas o en la reactividad de la propia superficie. Como principal conclusión que obtener superficies SrO(001) y TiO2(001) bien caracterizadas es de gran importancia. En coordinación con el grupo del Prof. Fontcuberta se ha demostrado que, variando las condiciones de tratamientos térmicos (temperatura y tiempo de calentamiento) a que se someten los cristales, se puede controlar la coexistencia y separación espacial de las dos terminaciones en la misma superficie, obteniendo patrones químicos a escala nanométrica. Y, en particular ha permitido el crecimiento selectivo tanto de películas delgadas de óxidos funcionales como para la obtención de materiales híbridos orgánico/inorgánico mediante la adsorción selectiva de monocapas orgánicas autoensambladas. Por último, la técnica PM-IRRAS fue empleada para la caracterización de la película molecular MMTA obtenida con tratamiento térmico y líneas abiertas de trabajo de investigación para futuros estudios de crecimiento selectivo usando metalorgánicos (dinuclear copper (II) acetate complexes (Cu2(CH3COO)4 2H2O)) son expuestos en el capítulo 7. El trabajo presentado en esta tesis doctoral evidencia que la estrategia combinada de diferentes modos de microscopía de fuerzas de barrido (Scanning Force Microscopy, SFM) en condiciones de ambiente controladas es la adecuada para, tanto para SAMs como substratos de STO, determinar las características superficiales a nivel de estructura molecular y morfología con gran precisión y obtener, simultáneamente, la información a escala nanométrica de las propiedades tribológicas (estabilidad mecánica, fricción) y electrónicas (transporte, potencial de superficie) de las superficies modelo bajo estudio. De tal modo, como novedad a destacar en conjunto, se ha establecido la correlación entre las características estructurales y las propiedades de las superficies en el marco del transporte electrónico (C-SFM) para diferentes morfologías dependiendo del método de obtención, y de cómo la terminación superficial modifica los potenciales de contacto superficiales de los substratos de partida (Au en el caso de SAMs y el “as-received” STO), mediante Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). / The discovery of new and novel materials, process and phenomena at the nanoscale, as well as the new experimental and theoretical methods provide opportunities for the development of innovative nanosystems. Nature shows how builds macroscopic objects from small molecular building blocks with de ned shapes, properties, high order and degree of structural control in atomic scale materials. Under this evidence, nowadays is possible to assemble any kind of device or functional system, ranging from functional surfaces materials. This attractive concept is presented to pro t from the order of the arrangement of molecules or inorganic surfaces in well-ordered patterns to interlink the molecular or building block to other macro-systems in a bottom-up strategy. The present work lies within the scope of the mechanical and electrical characterization of functional surfaces, organics and inorganics, at the nanoscale by using the Scanning Force Microscopy (SFM) with their modes Friction Force Microscopy (FFM), Conductive Scanning Force Microscopy (C-SFM) and Kelvin Probe Force Microcopy (KPFM) which comprises of 7 chapters. Chapter 2 introduces the fundamental description about the technique, instrumentation and components for the data acquisition. A description of the main operation modes and the forces that can be measured is presented. The rst experimental part of this work describes the sample preparation, protocols and strategies to obtain layers or multilayers of a -conjugated organic aromatic thiol anchored on a gold surface. Chapter 3 describes the morphological characterization of Self Assembled Monolayers of the aromatic thiol mercapto-methyl terphenyl carboxylic acid (MMTA) for solutions using di erent solvents, concentrations and their in uence on the molecular packing. We show how to control the self-assembly and the formation of 3D structures from the aromatic thiol adsorbed on Au(111) and patterned gold surfaces by means of microcontact-printing ( CP). Moreover, we present how to control the size of the 3D structures by using a thermal treatment. The chapter 4 describes the tribological studies mainly on low and tall islands obtained by using di erent solvents after annealing. Chapter 5 shows the electronic transport measurements carried out on the MMTA molecular lms obtained with or without annealing. Complementary studies of KPFM (Kelvin Probe Force Microscopy) were mainly performed at low relative humidity over these surfaces. Chapter 6 is devoted to study the inorganic surface of complex oxides type perovskite, case STO(001), as a functional surface model by exploding the presence of both TiO2 and SrO chemical terminations. It is known that both terminations are presents in a random distribution in as-received surfaces, however under annealing chemical segregation can appear. We show that SrTiO3 surfaces can be used as a versatile template for growing ordered organic and inorganic nanostructures. Finally in chapter 7 we will present the characterization of the MMTA lms after annealing by means of the PM-IRRAS technique. A rst attempt of selective growth with dinuclear copper(II) acetate complexes (Cu2(CH3COO)4 2H2O) on the MMTA islands is studied by SFM. This chapter gives an outlook for the future implication of the selective growth on di erentiate chemical terminations.

La tendencia de la miniaturización tecnológica ha conducido a la generación de densidades de potencia que exceden los 100 watts/cm2, los cuales están en el orden del calor producido en los reactores termonucleares. La necesidad de nuevas técnicas y procesos de enfriamiento ha posicionado al manejo térmico en el escenario científico en estos últimos años. Por otro lado, la ingeniería de la conducción térmica puede abrir rutas nuevas rutas para recolección energética, por ejemplo, a través de la generación termoeléctrica. Como consecuencia, el control y la ingeniería de fonones a nivel nanométrico es una indispensable herramienta para el ajuste de propiedades físicas deseadas en dispositivos en la búsqueda de un adecuado compromiso entre performance y el consumo de potencia. En el siguiente trabajo se presenta un exhaustivo estudio teórico y experimental de la dependencia con el grosor de las propiedades térmicas en membranas de silicio con espesores que fluctúan entre los 9 a los 2000 nm. La relación de dispersión fononica y la correspondiente velocidad de fase han sido investigadas por medio de la espectroscopia inelástica de la luz Brillouin. La reducción de la velocidad de fase/grupo del modo fundamental de flexión fue observada y teóricamente explicada. Además, la reducción de los tiempos de vida media de fonones acústicos coherentes con frecuencias máximas que bordean los 500 GHz también ha sido estudiada utilizando una de las últimas técnicas ultrarrápidas de resolución temporal (ultrafast pump-probe) conocida como: asynchronous optical sampling (ASOPS). Por medio de esta técnica se observo la dramática disminución de los tiempos de vida del primer modo de dilatación desde los ~ 4.7 ns a los 5 ps en mebranas con grosores entre los ~ 194 a los 8 nm. Finalmente, la conductividad térmica de estas membranas fue investigada utilizando tres diferentes técnicas de caracterización conocidas como: Single laser termometría Raman, doble-laser termometría Raman y gradiente térmico transitorio. Por medio de estas técnicas hemos encontrado que la conductividad térmica de las membranas se reduce sistemáticamente con el grosor de estas, alcanzando valores tan bajos como 9 Wm-1K-1 para la membrana más delgada. Para entender estos drásticos cambios en las propiedades térmicas de las membranas, diferentes aproximaciones teóricas han sido desarrolladas. La simulación de la relación de dispersión acústica fue desarrollada utilizando tres modelos diferentes: el modelo elástico continuo, el modelo de Debye y un modelo ajuste. La dependencia de los tiempos de vida media fueron simulados considerando procesos de dispersiones extrínsecas e intrínsecas. Mientras que conductividad térmica fue modelada utilizando la modificación del modelo bidimensional de Debye (Modelo de Huang), el modelo de Srivastava-Callaway-Debye y el modelo de Fuchs-Sondheimer. Estas observaciones tienes consecuencias significativas para la tecnología basas en el silicio, estableciendo las bases para la investigación de las propiedades térmicas de otros sistemas de baja dimesnionalidad. Ademas, este estudio proporcionaría las directrices de diseño generando nuevo enfoques para el manejo térmico a escalas nanométricas. / The miniaturization trend of the technology has led to power level densities in excess 100 watts/cm2, which are in the order of the heat produced in a nuclear reactor. The need for new cooling techniques has positioned the thermal management on the stage the last years. Moreover, the engineering of the thermal conduction opens a route to energy harvesting through, for example, thermoelectric generation. As a consequence, control and engineering of phonons in the nanoscale is essential for tuning desirable physical properties in a device in the quest to find a suitable compromise between performance and power consumption. In the present work we study theoretically and experimentally the thickness-dependence of the thermal properties of silicon membranes with thicknesses ranging from 9 to 2000 nm. We investigate the dispersion relations and the corresponding modification of the phase velocities of the acoustic modes using inelastic Brillouin light scattering spectroscopy. A reduction of the phase/group velocities of the fundamental flexural mode by more than one order of magnitude compared to bulk values was observed and is theoretically explained. In addition, the lifetime of the coherent acoustic phonon modes with frequencies up to 500 GHz was also studied using state-of-the-art ultrafast pump-probe: asynchronous optical sampling (ASOPS). We have observed that the lifetime of the first-order dilatational mode decreases significantly from ∼ 4.7 ns to 5 ps with decreasing membrane thickness from ∼ 194 to 8 nm. Finally, the thermal conductivity of membranes was investigated using three different contactless techniques known as single-laser Raman thermometry, two-laser Raman thermometry and transient thermal gradient. We have found that the thermal conductivity of the membranes gradually reduces with their thickness, reaching values as low as 9 Wm-1K-1 for the thinnest membrane. In order to account for the observed thermal behaviour of the silicon membranes we have developed different theoretical approaches to explain the size dependence of thermal properties. The simulation of acoustic dispersion was carried out by using models based on an elastic continuum approach, Debye and fitting approaches. The size dependence of the lifetimes was modelled considering intrinsic phonon-phonon processes and extrinsic phonon scatterings. The thermal conductivity was modelled using a modified 2D Debye approach (Huang model), Srivastava-Callaway-Debye model and Fuchs-Sondheimer approach. Our observations have significant consequences for Si-based technology, establishing the foundation to investigate the thermal properties in others low-dimensional systems. In addition, this study would provide design guidelines and enable new approaches for thermal management at nanometric scales.

Los materiales 2D han sido estudiados desde hace mucho tiempo. Recientemente, desde el descubrimiento del grafeno en 2004 por los premios Nobel A. Geim y K. Novoselov, este tipo de materiales recibió atención de nuevo por parte de la comunidad científica. Debido a las excelentes propiedades que presenta el grafeno para hacer dispositivos y estudiar efectos cuánticos exóticos, ha habido mucho desarrollo en la fabricación y manipulación de este material. Esto ha conllevado, como consecuencia, a una mejora en las técnicas usadas para materiales 2D. En los últimos a~nos, los dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs, por sus siglas en Ingles), han recibido mucha atención por parte de la comunidad científica. Esta familia de materiales presenta una gran variedad de propiedades electrónicas, desde comportamientos metálicos (como el caso del NbSe2) a semiconductores o aislantes (como el caso del MoS2). Incluso algunos son, como por ejemplo el NbSe2, superconductores. La atracción de estos materiales en la comunidad científica es debida, en gran parte, al descubrimiento de la transicion de un “gap” indirecto a uno directo cuando se exfolia una muestra de MoS2 hasta llegar al caso de tener una monocapa. Lo mismo ocurre en otros materiales semiconductores del tipo MX2 (por ejemplo, el WS2, MoSe2, WSe2, etc.). Debido al cambio en el carácter del “gap”, hay una gran variedad de posibles aplicaciones que se pueden conseguir con estos materiales: Desde dispositivos electrónicos a optoelectrónicos e, incluso, de detección molecular. Incluso se han fabricado transistores de efectos de campo combinando MoS2 o WS2 con grafeno. Además, el gran acoplo spín-órbita que existe en estos materiales, abre la posibilidad de controlar los grados de libertad como el acoplo del spín, el valle y el número de capas, lo que podría ser de utilidad para fabricar dispositivos basados en la spintrónica en un futuro. En esta tesis hemos estudiado las propiedades electrónicas de algunos de estos materiales: En el Capítulo 1 describimos brevemente los métodos usados a lo largo de la tesis para realizar los cálculos teoricos de las propiedades electrónicas de los materiales estudiados. En el Capítulo 2 desarrollamos un modelo de enlace fuerte para la familia de los TMDCs semiconductores del tipo MX2 y lo ajustamos a un cálculo de primeros principios. Este modelo es el que tiene la base de orbitales mínima que es capaz de reproducir la transición del gap de directo a indirecto cuando se a~naden capas al sistema. Después, debido al fuerte acoplo spín-órbita presente en este material, extendemos el modelo incluyendo dicho efecto. En el Capítulo 3 estudiamos una nueva posible familia de sustratos para grafeno, como lo son los TMDCs. Estudiamos la estructura y las propiedades electrónicas, como la estructura de bandas, la redistribución de carga y el dipolo de estas estructuras híbridas. Debido a que las propiedades electrónicas de los TMDCs cambian con el número de capas, también investigamos el efecto de añadir más capas al sistema. Finalmente, en el Capítulo 4 investigamos la superconductividad multibanda que presentan algunos materiales laminados como, por ejemplo, el MgB2 y NbSe2. Usando cálculos de primeros principios asignaremos cada uno de los “gaps” a una parte de la supercie de Fermi. Esta asociacion es estudiada desde un punto de vista experimental por el grupo de Dimitri Roditchev, en la Universidad de Pars-VI, con quien hemos establecido una colaboracion fructífera durante el desarrollo de esta tesis. / Two-dimensional materials have been studied since long time ago. Recently, after the dis- covery of graphene in 2004 by Nobel prizes A. Geim and K. Novoselov, a renewed interest in this kind of materials arose in the scienti c community. Due to the excellent properties of graphene in order to make devices and study exotic quantum effects, there has been much development in the fabrication and manipulation of this material. This fact has led to an improvement of the techniques for studying and characterizing 2D materials as a side effect. In the past few years, a family of materials has brought the attention of the scienti c community, the so-called transition metal dichalcogenides (TMDCs). This family has a wide variety of electronic properties, going from metallic (such as NbSe2) to semiconducting or insulating (such as MoS2). Some of them, as for instance NbSe2, even exhibit strongly correlated phenomena such as superconductivity. Such interest essentially arose because of the discovery of the transition from an indirect gap to a direct gap when exfoliating a sample of MoS2 to a single layer. Similar things occur in a variety of semiconducting materials of the type MX2 (such as WS2, MoSe2, WSe2, etc.). Due to the change of character in the gap, a huge variety of applications, going from electronic devices to optoelectronic applications and even to molecular sensing applications, have been opened with this kind of materials. Even novel eld effect transistors were fabricated with hybrid structures combining graphene with MoS2 or WS2. Furthermore, the strong spin-orbit coupling in these materials, which lifts the degeneracy of energy bands due to the absence of inversion symmetry, opens the possibility of controlling the coupling of the spin, the valley and the layer degrees of freedom, which could be useful in order to build future devices based in spintronics and valleytronics. In this thesis we have studied the electronic properties of some of these materials. In Chapter 1 we brie y describe the methods used along the thesis to perform theoretical calculations of the electronic properties of the studied materials. In Chapter 2 we develop a tight-binding method for the family of semiconducting TMDCs of the type MX2 and we t it to rst-principles calculations. This model is the one with the minimal basis set that is able to account for the transition of the gap from direct to indirect when adding layers to the system. Afterwards, due to the strong spin-orbit coupling that this kind of materials present, we extend the tight-binding model including this effect. In Chapter 3 we study a new possible family of substrates for graphene such as TMDCs. We study the structure and electronic properties such as the band structure, the charge redistribution and the dipole of these hybrid structures. Since the electronic properties of TMDCs change with the number of layers, the effect of adding more layers to the system is also studied. Finally, in Chapter 4 we investigate the two band gap superconductivity that arises in some layered materials such as MgB2 and NbSe2. Using rst principles calculations we will correlate the two different gaps to speci c portions of the Fermi surface. This assignment is studied from an experimental point of view by the group of Dimitri Roditchev, at University Paris-VI, with whom we have established a fruitful collaboration during the period of this thesis.

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Las radiaciones ionizantes inducen lesiones en el ADN y su reparación puede originar alteraciones cromosómicas como dicéntricos y translocaciones. La frecuencia de cromosomas dicéntricos en linfocitos de sangre periférica en relación a la dosis de exposición, se ajusta a un modelo lineal cuadrático, y es por ello que estas alteraciones pueden utilizarse para estimar la dosis de exposición a radiaciones ionizantes (dosimetría biológica). Las técnicas de FISH y en particular el pintado cromosómico, permiten una fácil detección de translocaciones y dicéntricos, siendo por lo tanto útiles en el campo de la dosimetría biológica. La aplicación de esta técnica, parte de la hipótesis de que las roturas cromosómicas inducidas por las radiaciones ionizantes se producen al azar, y por lo tanto los diferentes cromosomas se verán más o menos afectados según su contenido de ADN. Esta hipótesis fue la base del primer estudio realizado, en el cual se valoraron las alteraciones inducidas por 5 Gy de rayos X en linfocitos de sangre periférica, analizándose con pintado cromosómico todos los cromosomas humanos de forma independiente. Los resultados obtenidos indican que las frecuencias observadas de alteraciones no se ajustan al contenido relativo de ADN de cada cromosoma, mientras que si muestran un buen ajuste con el (contenido relativo de ADN)2/3.La aplicación de estas técnicas, ha llevado al desarrollo de nuevas nomenclaturas (S&S y PAINT), a parte de la nomenclatura convencional (ISCN), para describir las alteraciones cromosómicas observadas. Por este motivo nos planteamos elaborar curvas dosis-efecto para siete de las alteraciones descritas con estas nomenclaturas. Los resultados de este estudio indican que para dosimetría biológica, las curvas de translocaciones y dicéntricos con nomenclatura convencional, así como las de dicéntricos con nomenclatura PAINT, son las más adecuadas.La gran ventaja que ofrecen las técnicas de FISH, es el rápido análisis de las translocaciones. Dado que las células con translocaciones son más perdurables en el tiempo que las que contienen dicéntricos, se ha sugerido que el análisis de translocaciones es útil para casos de exposiciones ocurridas en el pasado y para estudios de exposiciones crónicas a radiaciones ionizantes. En el tercer trabajo se estudió una población ocupacionalmente expuesta a radiaciones ionizantes, mediante el análisis de translocaciones con técnicas de FISH. A las dosis recibidas por los individuos de esta población (38 mSv de dosis media acumulada), no existen diferencias con respecto a la población control. El motivo principal es que la frecuencia basal de translocaciones es elevada, lo que imposibilita realizar estimaciones individuales a estos niveles de exposición. Sin embargo, la dosis colectiva recibida, estimada mediante dosimetría biológica, fue de 38 mSv para translocaciones totales, y por tanto coincide con la estimación física. / Ionising radiation induces injuries at DNA, and their repair can originate chromosomal aberrations like dicentrics and translocations. The frequency of dicentrics in relation with the absorbed dose of ionising radiation, fits to a linear-quadratic model. For this reason these aberrations can be used to estimate the dose of an exposure to ionising radiation (biological dosimetry).FISH techniques, particularly chromosome painting, allow an easy detection of translocations and dicentrics, being therefore useful for biological dosimetry. The use of this technique is based on the hypothesis that chromosomal breakage induced by ionising radiation is random distributed, and therefore the different chromosomes will be more or less affected according to their DNA content. This hypothesis was the aim of the first study, in which the aberrations induced by 5 Gy of X-rays were evaluated in peripheral lymphocytes, analysing by painting all the human chromosomes independently. The results indicate that the observed frequencies of aberrations do not fit to the relative DNA content of each chromosome. However a good fit with (relative DNA content )2/3 was obtained.The use of these techniques, has led to the appearance of new nomenclatures (S&S and PAINT), in addition to the conventional nomenclature (ISCN), to describe the chromosome aberrations observed. For this reason we have elaborated seven dose-effect curves with the aberrations described by these new nomenclatures. The results indicate that for biological dosimetry studies, the translocation and dicentric curves with conventional nomenclature, and the dicentric curve with nomenclature PAINT, are the most useful.With FISH techniques, the analysis of translocations is very fast. Because cells with translocations are more stable than cells carrying dicentrics, the analysis of translocations is useful in the study of past or chronic exposures to ionising radiation. The third study carried out has been the evaluation of an occupational exposed population to ionising radiation, by the analysis of translocations with FISH techniques. The results indicate that at the physical recorded doses of this population (average of 38 mSv for the accumulated dose), do not exist difference in relation to the control population. The main reason is the elevated basal frequency of translocations, which disables to make individual estimations at these levels of exposure. However, the collective biological dosimetry for total translocations, gave an estimated dose of 38 mSv, similar to the physically recorded dose.

Las nanoestructuras semiconductoras son bloques de construcción con gran potencial para ser integrados en numerosos dispositivos tecnológicos, además de ser plataformas ideales para el estudio de principios físicos fundamentales. Para entender la formación y crecimiento se estas estructuras, deben ser caracterizas a nivel atómico. El conocimiento de las disposiciones atómicas exactas es muy útil para poder afrontar algunos interrogantes relacionados con los mecanismos de crecimiento que impulsan la formación de diversas nanoestructuras y permiten, por tanto, la síntesis inteligente de materiales con las propiedades buscadas. En esta tesis se llevan a cabo caracterizaciones atómicas detallas de compuestos semiconductores, AB, sintetizados bajo morfologías nanométricas no planares, a través de técnicas avanzadas de microscopía electrónica de transmisión, (S)TEM, junto con cálculos computacionales cuando se requieren, con especial hincapié en la visualización e identificación de columnas atómicas individuales. Identificando las especies atómicas y su posición dentro de la red cristalina del material hemos podido investigar temas relacionados con la polaridad, como el crecimiento unidireccional o la preservación / inversión de polaridad en una nanoestructura y sus implicaciones. El análisis de sistemas a nivel atómico se hace especialmente importante cuando más de un material compone las nanoestructuras, dado que el acoplamiento entre las distintas fases y la intercara creada entre ambos tienen un papel determinante en el comportamiento final del sistema. Dependiendo, principalmente, de los parámetros de red relativos de las fases cristalinas implicadas, y de la forma y tamaño de las nanoestructuras, la tensión generada en los cristales es liberada en forma de distorsiones plásticas y / o elásticas, que afectan de varias maneras el funcionamiento del dispositivo. Además, combinando diferentes materiales dentro de una misma nanoestructura se pueden crear arquitecturas más pequeñas, que ofrecen confinamiento cuántico bajo un determinado umbral dimensional, conocidas como estructuras cuánticas. Sus propiedades dependerán del número de dimensiones espacialmente confinadas, así como de su tamaño y naturaleza del material, por lo que deben analizarse cuidadosamente a escala atómica. A lo largo de esta disertación, cubrimos estos tres temas principales. La estructura del manuscrito es la siguiente: al capítulo introductorio (Capítulo 1), que plantea una visión general sobre las estructuras semiconductoras, especialmente centrado en nanohilos (incluyendo heteroestructuras y estructuras cuánticas); le sigue un capítulo describiendo la metodologiá empleada en los análisis en los que basamos los resultados (Capítulo 2), es decir, técnicas de (S)TEM, corrección de aberraciones en el microscopio, cómo medir la tensión estructural en las fases cristalinas y una breve explicación de cómo realizados las simulaciones y el empleo de otras herramientas informáticas. Los resultados se presentan divididos en cuatro capítulos: - El Capítulo 3 se centra en la determinación de la polaridad en nanohilos semiconductors binarios y sus implicaciones en otros sistemas con morfologías relacionadas (trípodes y tetrapodos). - El Capítulo 4, que también trata de polaridad pero, en esta ocasión en nanostructuras del tipo 2D. - En el Capítulo 5 se analizan los mecanismos de relajación de la tensión cristalina inducida al combinar distintas fases dentro de nanohilos. - El Capítulo 6 aborda la caracterización estructural y óptica de estructuras cuánticas dentro de nanoestructuras. Finalmente, el Capítulo 7 resume las principales conclusiones del manuscrito, junto con algunas perspectiva de futuro. / Semiconductor nanostructures are building blocks with high potential to be integrated in a wide variety of technological devices, in addition to be ideal platforms for the study of fundamental physical principles. Importantly, understanding the formation and behavior of these structures involves their characterization at atomic scale. Knowing the exact atomic arrangements is highly useful in order to face some questions related to the growth mechanisms promoting the formation of difierent nanostructures, and thus allowing the smart synthesis of materials with the exact sought properties. Along this thesis, we perform detailed atomic characterizations of binary compound (AB) semiconductor non-planar nanostructures, by means of (Scanning) Transmission Electron Microscopy ((S)TEM) techniques, along with computer simulations when needed, focusing on the visualization and identification of individual atomic columns. By the identification of the atomic constituents within the lattice crystal in the growing structure, we investigate polarity related issues, as the unidirectional polar growth or the polarity preservation/inversion. The system analyses at atomic scale becomes especially important when more than one material composes the nanostructures, since the matching among phases has a determining role in the system behavior. Mainly depending on the lattice misfit among the connected phases and the shape and size of the nanostructures, the mismatch strain will be released as plastic and/or elastic lattice distortions, afiecting difierently the performance of the system. Moreover, the combination of difierent materials allows the creation of smaller structures within the nanostructures, achieving quantum confinement under a certain threshold size, and known as quantum structures. The final properties of these architectures rely on the number of dimensions spatially confined, in addition to the nature of the material and their size, requiring accurate atomic characterizations. These three points are covered along this dissertation. The manuscript structure is the following: the introductory chapter (Chapter 1), giving an overview about semiconductor nanostructures, focused on nanowires, including heterostructures and quantum structures within nanowires, is followed by a chapter describing the methodology employed (Chapter 2) for the analyses performed, i.e., (S)TEM techniques, aberration correction, strain measurements and image simulation and related computing tools. The results presented are divided in four chapters: - Chapter 3, focused on the polarity issue in binary compound nanowires, and its implications on other related systems (tripods and tetrapods). - Chapter 4, which also deals with the polarity, but in 2D-like nanostructures. - In Chapter 5, the relaxation mechanisms of the mismatch strain in heterostructured nanowires are analyzed. - Chapter 6 addressed the structural and optical characterization of quantum structures within nanostructures. Finally, Chapter 7 summarizes the main conclusions of the manuscript, along with a brief outlook.