THESIS SUMMARYTEXT:This thesis is made of two parts. In the first one, the issue of entanglement in many body systems is addressed. The concept of entanglement and some of the recent progress on the study of entropy of entanglement in many body quantum systems are reviewed. Emphasis is placed on the scaling properties of entropy for one-dimensional models at quantum phase transitions. Then, we focus on the area-law scaling of the entanglement entropy. An explicit computation in arbitrary dimensions of the entanglement entropy of the ground state of a discretized scalar free field theory that shows the expected area law result is also presented. For this system, it is shown that area law scaling is a manifestation of a deeper reordering of the vacuum produced by majorization relations.To finish this first part, the issue of how simple can a quantum system be such as to give a highly entangled ground state is addressed. In particular, we propose a Hamiltonian of a XX model with a ground state whose entropy scales linearly with the size of the block. It provides a simple example of a one dimensional system of spin-1/2 particles with nearest neighbour interactions that violates area-law for the entanglement entropy.The second part of this thesis deals with the problem of simulating quantum mechanics for highly entangled systems. Two different approaches to this issue are considered. One consists of using ultra-cold atoms systems as quantum simulators. With this aim, some experimental techniques related to cold atoms that allow to simulate strongly correlated many body quantum systems are reviewed an explicit example of simulation is presented. In particular, we analyze how to achieve a Mott state of Laughlin wave functions in an optical lattice and study the consequences of considering anharmonic corrections to each single site potential expansion that were not taken into account until now.Finally, a different approach to simulate strongly correlated systems is considered: to use small quantum computers to simulate them. An explicit quantum algorithm that creates the Laughlin state for an arbitrary number of particles n in the case of falling fraction equal to one is presented. We further prove the optimality of the circuit using permutation theory arguments and we compute exactly how entanglement develops along the action of each gate. We also discuss its experimental feasibility decomposing the qudits and the gates in terms of qubits and two qubit-gates as well as the generalization to arbitrary falling fraction.KEYWORDS: Entanglement, Many body quantum systems, Quantum Information Condensed Matter, Cold atoms, Spin chains, Quantum simulator, Quantum computation. / "Entrellaçament quàntic en sistemes de molts cossos"TEXT:Aquesta tesi està composada per dues parts. En la primera, adrecem la qüestió de l'entrellaçament quàntic en els sistemes de molts cossos. Així, introduïm primer el concepte d'entrellaçament i revisem els progressos recents sobre aquest camp. A continuació, ens centrem la llei d'àrea per l'entropia d'entrellaçament i presentem un càlcul explícit d'aquesta entropia per a l'estat fonamental d'un camp escalar no interactuant obtenint la llei d'àrea esperada. Finalment, acabem aquesta part presentant un sistema molt senzill 1-dimensional que tot i tenir interaccions locals mostra una llei de volum per l'entropia.En la segona part de la tesi tractem el problema de la simulació de sistemes quàntics altament entrellaçats. Considerem dos possibles vies per tractar aquest problema. Una d'elles consisteix en la utilització d'àtoms ultra-freds com a simuladors quàntics. En particular, analitzem un mètode per obtenir un estat producte de funcions d'ona de Laughlin en un xarxa òptica i estudiem les conseqüències de considerar la correcció anharmònica de l'expansió del potencial a cada pou de la xarxa. Finalment, considerem una altra aproximació a la simulació de sistemes fortament correlacionats: utilitzar petits ordinadors quàntics per a simular-los. Per il.lustrar aquest tipus de simulació, presentem un algoritme quàntic que crea un estat de Laughlin per un nombre arbitrari de partícules i en el cas de fracció d'ocupació 1.

En aquesta tesi, he estudiat i desenvolupat un mètode de deposició química en fase vapor assistit per aerosol (AACVD), per al creixement directe de nanoagulles d'òxid de tungstè funcionalitzades o intrínseques. Els dipòsits s'han realitzat sobre diferents substrats trasndcutors per a la seva aplicació a la detecció de gasos. Aquesta tècnica ofereix la possibilitat de co-dipositar els metalls amb els òxids metàl•lics emprant una sola etapa de deposició. La síntesi del material nanoestructurat, la fabricació del dispositiu, la caracterització dels materials i la detecció de gasos han estat investigades. El mètode AACVD es va emprar per al creixement i la integració directa de la pel•lícula sensible sobre substrats ceràmics (alúmina), MEMS (micro hotplates) i polimèrics flexibles, el que demostra la seva compatibilitat i idoneïtat per al creixement de nanoestructures d'òxid metàl•lics sobre una àmplia gamma de substrats transductors. A més, el mètode AACVD s'ha implementat també en un reactor de paret freda per créixer les nanoestructures de WO3, emprant l'escalfament localitzat que permeten aconseguir les microresistencias calefactores integrades en alguns dels transdcutors emprats. Totes les pel•lícules sintetitzades en aquesta tesi doctoral es componien de nanoagulles de WO3 pur o de WO3 funcionalitzat amb nanopartícules d'or (Au), platí (Pt), òxid de coure (Cu2O) o pal•ladi (Pd). Es van utilitzar diverses tecnologies d'anàlisi per caracteritzar la morfologia, l'estructura i la composició de les pel•lícules produïdes. Els resultats van mostrar que el nostre mètode és eficaç per al creixement de nanoagulles cristal•lines de WO3 decorades amb nanopartícules de metalls / òxids metàl•lics, a temperatures moderades (és a dir, 380 ° C), amb eficàcia en els seus costos i amb temps de fabricació curts, directament sobre l'element transdcutor amb vista a obtenir sensors de gasos. Els estudis de detecció de gasos han mostrat que aquest nanomaterial híbrid té una excel•lent sensibilitat i selectivitat en comparació amb mostres de WO3 pur. A més, els nanocompostos Cu2O / WO3 i Pd / WO3 han demostrat posseir una excel•lent sensibilitat i selectivitat cap als gasos H2S i H2, respectivament. / En esta tesis, he estudiado y desarrollado un método de deposición química en fase vapor asistido por aerosol (AACVD), para el crecimiento directo de nanoagujas de óxido de tungsteno funcionalizadas o intrínsecas. Los depósitos se han realizado sobre distintos sustratos transdcutores para su aplicación a la detección de gases. Esta técnica ofrece la posibilidad de co-depositar los metales con los óxidos metálicos empleando una sola etapa de deposición. La síntesis del material nanoestructurado, la fabricación del dispositivo, la caracterización de los materiales y la detección de gases han sido investigadas. El método AACVD se empleó para el crecimiento y la integración directa de la película de sensible sobre sustratos cerámicos (alúmina), MEMS (micro hotplates) y poliméricos flexibles, lo que demuestra su compatibilidad e idoneidad para el crecimiento de nanoestructuras de óxido metálicos sobre una amplia gama de sustratos transductores. Además, el método AACVD se ha implementado también en un reactor de pared fría para crecer las nanoestructuras de WO3, empleando el calentamiento localizado que permiten conseguir las microresistencias calefactoras integradas en algunos de los transductores empleados. Todas las películas sintetizadas en esta tesis doctoral se componían de nanoagujas de WO3 puro o de WO3 funcionalizado con nanopartículas de oro (Au), platino (Pt), óxido de cobre (Cu2O) o paladio (Pd). Se utilizaron diversas tecnologías de análisis para caracterizar la morfología, la estructura y la composición de las películas producidas. Los resultados mostraron que nuestro método es eficaz para el crecimiento de nanoagujas cristalinas de WO3 decoradas con nanopartículas de metales / óxidos metálicos, a temperaturas moderadas (es decir, 380 ° C), con eficacia en sus costes y con tiempos de fabricación cortos, directamente sobre el elemento trasndcutor con vistas a obtener sensores de gases. Los estudios de detección de gases han mostrado que este nanomaterial híbrido tiene una excelente sensibilidad y selectividad en comparación con muestras de WO3 puro. Además, los nanocompuestos Cu2O / WO3 y Pd / WO3 han demostrado poseer una excelente sensibilidad y selectividad hacia los gases H2S y H2, respectivamente. / In this thesis, I have studied and developed aerosol assisted chemical vapour deposition (AACVD) methods for the direct growth of non-functionalized and functionalized tungsten oxide nanoneedles, onto different transducer substrates, for gas sensing applications. This technique gives the possibility to co-deposit metals with metal oxides nanostructures within a single step deposition. The nanostructured material synthesis, device fabrication, material characterization and gas sensing performance have been investigated. AACVD method was employed for the direct growth and integration of the sensing film onto ceramic (alumina), MEMS (silicon micro hotplates) and flexible polymeric substrates, demonstrating its compatibility and suitability for growing metal oxide nanostructures onto a wide spectrum of sensor substrates. Furthermore, AACVD based on the localized heating of substrates employing their embedded resistive microheaters has been also performed and developed for the growth of WO3 nanostructures, using a cold wall reactor. All the synthesized films used in this doctoral thesis were composed of pure WO3 nanoneedles or WO3 nanoneedles functionalized with either gold (Au), platinum (Pt), cuprous oxide (Cu2O) or palladium (Pd) nanoparticles. Various analytical techniques were used to characterize the morphology, the structure and the composition of the produced films. The results showed that our method is effective for growing single crystalline WO3 nanoneedles decorated with metals/metal oxides nanoparticles at moderate temperatures (i.e., 380 °C), with cost effectiveness and short fabrication times, directly onto transducers in view of obtaining gas sensors. The gas sensing studies performed showed that these hybrid nanomaterials have excellent sensitivity and selectivity compared to pristine WO3 samples. Cu2O/WO3 and Pd/WO3 nanocomposites have shown excellent sensitivity and selectivity toward H2S and H2 gases respectively.

Methods of monodisperse SnO2 crystallites and SnO2-TiO2 composites synthesis were developed. Obtained materials were studied using SEM, TEM, FTIR, XRD methods. Sensors based on these materials were made, and their capability of detecting hydrogen in dry and humid air was investigated. Several different approaches to improvement of sensing devises characteristics were proposed in present study: doping of one metal oxide (SnO2) with another (TiO2) in different ways (mixing or co-precipitating); use of one-dimensional nanowire as a sensing element to detect H2S; application of reactor which converts ammonia to a compound convenient for its detection; analysis of n-dimensional experimental data array with principal components method for acetone selective detection with a single sensor. For every approach, promising results indicating potential for their application are obtained.

Hem estudiat la dependència amb la temperatura de la luminescència generada per nanopartícules dielèctriques dopades amb ions lantànids que poden ser utilitzades en nanotermometria luminescent. Hem analitzat nous materials amb emissió en el rang del visible de l’espectre electromagnètic, incloent Ho,Yb:KLu(WO4)2 i Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2, així com nanopartícules core-shell de Er,Yb:GdVO4@SiO2. També hem desenvolupat un nou mètode de síntesi solvotermal assistit per microones per nanopartícules de Er,Yb:NaYF4, que opera a temperatures més baixes i temps de reacció més curts que els mètodes convencionals. Hem utilitzat nanotermometria basada en la mesura dels temps de vida mitjana radiativa en nanopartícules up-conversores de Er,Yb:NaY2F5O per la determinació de temperatura en sistemes biològics, així com la determinació de temperatura pel canvi de color de l’emissió de nanopartícules de Tm,Yb:GdVO4@SiO2. Finalment, hem desenvolupat un sistema de nanotermometria luminescent simple i compacte que permetrà atansar la nanotermometria luminescent a l’entorn mèdic i industrial. Hem analitzat també la nanotermometria luminescent en la regió de l’infraroig proper. El Nd:KGd(WO4)2 mostra potencial com nanotermòmetre luminescent en aquesta regió per sistemes biològics, amb una profunditat de penetració d’1 cm en teixits biològics. Els ions Er3+ i Tm3+ mostren bandes d’emissió eficients en aquesta regió que poden utilitzar-se per nanotermometria luminescent en sistemes biològics. Les nanopartícules de Tm,Yb:GdVO4@SiO2, amb emissions localitzades en la primera finestra biològica, presenten una elevada sensitivitat tèrmica i s’han internalitzat en cèl·lules HeLa. Finalment, hem mostrat la multifuncionalitat de les nanopartícules de Ho,Tm:KLu(WO4)2 que actuen com nanotermòmetres, agents fototèrmics i marcadors biològics. També hem determinat l’eficiència de conversió fototèrmica del grafè i derivats, escalfadors eficients pel tractament de diverses malalties inclòs el càncer, i hem desenvolupat un nou mètode per determinar aquesta eficiència de conversió utilitzant una esfera integradora, un mètode que es pot estendre a altres agents fototèrmics. / Hemos estudiado la dependencia con la temperatura de la luminiscencia generada por nanopartículas dieléctricas dopadas con iones lantánido que pueden ser usadas en nanotermometría luminiscente. Hemos analizado nuevos materiales con emisión en el rango del visible del espectro electromagnético, incluyendo Ho,Yb:KLu(WO4)2 y Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2, así como nanopartículas core-shell de Er,Yb:GdVO4@SiO2. También hemos desarrollado un nuevo método de síntesis solvotermal asistido por microondas para nanopartículas de Er,Yb:NaYF4, que opera a temperaturas más bajas y tiempos de reacción más cortos que los métodos convencionales. Hemos utilizado nanotermometría basada en la medida de tiempos de vida media radiativa en nanoparticulas up-conversoras de Er,Yb:NaY2F5O para la determinación de temperatura en sistemas biológicos, así como la determinación de temperatura por el cambio de color de la emisión de nanopartículas de Tm,Yb:GdVO4@SiO2. Finalmente, hemos desarrollado un sistema de nanotermometría luminiscente simple y compacto que va a permitir acercar la nanotermometría luminiscente al entorno médico e industrial. Hemos analizado también la nanotermometría luminiscente en la región del infrarojo cercano. El Nd:KGd(WO4)2 muestra potencial como nanotermómetro luminiscentes en esta región para sistemas biológicos, con una profundidad de penetración de 1 cm en tejidos biológicos. Los iones Er3+ y Tm3+ muestran bandas de emisión eficientes en esta región que pueden utilizarse para nanotermometría luminiscente en sistemas biológicos. Las nanopartículas de Tm,Yb:GdVO4@SiO2, con emisiones localizadas en la primera ventana biológica, presentan una elevada sensitividad térmica y se han internalizado en células HeLa. Finalmente, hemos mostrado la multifuncionalidad de las nanopartículas de Ho,Tm:KLu(WO4)2 que actúan como nanotermómetros, agentes fototérmicos y marcadores biológicos. También hemos determinado la eficiencia de conversión fototérmica del grafeno y derivados, calentadores eficientes para el tratamiento de diversas enfermedades incluido el cáncer, y hemos desarrollado un nuevo método para determinar esta eficiencia de conversión utilizando una esfera integradora, un método que puede extenderse a otros agentes fototérmicos. / We studied the temperature dependence of the luminescence generated by dielectric nanoparticles doped with lanthanide ions to be used in luminescence nanothermometry. New materials emitting in the visible range of the electromagnetic spectrum, including Ho,Yb:KLu(WO4)2 and Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2 and Er,Yb:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles have been analyzed for these purposes. Moreover, we developed a new and greener microwave-assisted solvothermal synthesis method for Er,Yb:NaYF4 nanoparticles that operates at lower temperatures and shorter reaction times than conventional methods. We used lifetime-based nanothermometry in upconversion Er,Yb:NaY2F5O nanoparticles for temperature determination in biological systems, and the change of color of the emission generated in Tm,Yb:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles as a function of temperature. Furthermore, we developed a simple and compact setup that would approach luminescence nanothermometry to the real practical applications in medical and industrial environments. We also explored luminescence nanothermometry in the near infrared region of the electromagnetic spectrum. Nd3+-doped KGd(WO4)2 nanoparticles show potentiality as a luminescent nanothermometer in this region for biological systems, with a penetration depth of 1 cm in biological tissues. Er3+ and Tm3+ ions doped in different matrices have shown also efficient emission bands lying in the short-wavelength infrared region that can be used for luminescence thermometry in biological systems. Also, Tm3+,Yb3+:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles with emissions located in the first biological window are presented as highly thermal sensitive nanothermometers and have been efficiently internalized in the HeLa cells. Finally, the multifunctionality of Ho3+ and Tm3+ co-doped KLu(WO4)2 nanoparticles has been shown, acting as nanothermometers, photothermal agents and biolabels for bioimaging. Also, we determined the photothermal conversion efficiency of graphene and graphene oxide, efficient heaters for the treatment of several diseases including cancer, and developed a new method for determining their photothermal conversion efficiency by using an integrating sphere, a method that can be extended to other photothermal agents.

Metallic glasses are often referred as glassy or amorphous alloys. They lack long-range order and microstructural defects that are characteristics in crystals, such as grain and phase boundaries and dislocations. These new materials have demonstrated very interesting structural and mechanical properties derived from their homogeneity in composition and the absence of grain boundaries. Structural, mechanical or chemical properties, among others, may be even superior to those observed in conventional metallic alloys, and therefore attracted great scientific and technological interest. In this thesis project three different families of metallic glasses were selected to achieve a better understanding of amorphous alloys. First, a Ce-based alloy has been used to analyze a polyamorphic transition upon application of pressure to a more densely packed structure. X-ray diffraction and inelastic x-ray scattering data show a polyamorphic transition in the 2-10 GPa range, and this transition presents a hysteresis cycle between both compression and decompression data. The effect of this transition on mechanical properties is then evaluated. Second, a family of Fe-based metallic glasses, or amorphous steels, was selected to study their mechanical and electrochemical properties as a function of the structure and composition. The composition of the base alloy was first modified by addition of Yttrium in different concentrations as microalloying element and the structure was changed by thermal annealing, forming intermediate crystal/amorphous composites, up to a complete crystallization state. Finally, an entirely new alloy for biocompatible purposes has been designed, synthesized, and characterized. The basic structural characterization of this new Zr-Ti based amorphous alloy shows that is possible to produce the amorphous state in an alloy that does not contain toxic or unhealthy elements. / Los vidrios metálicos, comúnmente conocidos como aleaciones amorfas o vitrificadas, carecen de orden a largo alcance así como de defectos microestructurales comunes en los cristales, tales como dislocaciones o fronteras de grano y/o de fase. Esta nueva clase de materiales ha demostrado poseer propiedades muy interesantes derivadas de la ausencia de microestructura y la homogeneidad en su composición. Estas propiedades, estructurales, mecánicas y químicas, entre otras, pueden llegar a ser incluso superiores a las observadas en materiales convencionales, y por lo tanto los vidrios metálicos han atraído gran interés por parte de la comunidad científica así como de carácter tecnológico. En este proyecto de tesis se pretende obtener un mayor conocimiento sobre aleaciones metálicas amorfas, para lo cual se propusieron tres familias diferentes de vidrios metálicos. Primero, se utilizó una aleación de base Ce para analizar transiciones poliamórficas, entre un estado de baja densidad hacia una estructura densamente empaquetada, por efecto de la presión. Los resultados obtenidos por difracción de rayos X y dispersión inelástica de rayos X muestran una transición en un rango de presiones de 2 a 10 GPa presentando además histéresis con respecto a los datos obtenidos en compresión y descompresión. El efecto de dicha transición en las propiedades mecánicas de la aleación es también evaluado. En segundo lugar se eligió una familia de aleaciones de base Fe, conocidos también como aceros amorfos. Las propiedades mecánicas y electroquímicas en función de la estructura y la composición fueron evaluadas mediante la introducción de itrio como elemento microaleante y la modificación de la estructura por medio de tratamientos térmicos con la obtención de estructuras compuestas nanocristal-amorfo hasta una completa cristalización. Finalmente, se diseñó y sintetizó una aleación completamente nueva con el propósito de evaluar biocompatibilidad. La caracterización estructural básica de esta nueva aleación de base Zr-Ti sin elementos tóxicos y/o alergénicos muestra que es posible obtener aleaciones amorfas con las composiciones propuestas

The main contribution of this thesis concerns the application of the Luttinger-Ward formalism to the study of the thermodynamical properties of nuclear matter. This formalism is devoted to compute the different thermodynamical potentials from the Green's functions and therefore offers a consistent theoretical framework within which the microscopic as well as the macroscopic properties of nuclear matter can be treated at the same level.In this thesis, the Luttinger-Ward formalism has been applied to nuclear matter within two different approximations. The Hartree-Fock approximation leads to unrealistic results, but it is very useful to check the validity of the formalism in the mean-field case. Within the ladder approximation, the application of the Luttinger-Ward formalism leads to analytical results for the thermodynamical potentials in terms of the microscopical properties of the system. Therefore, using the Self-Consistent Green's Function scheme, which offers a realistic description of nuclear systems at the microscopical level, one obtains a set of microscopical properties (spectral functions, NN interaction in the medium, etc) which can be used directly in the calculation of the thermodynamical observables of dense matter.In particular, in this thesis special attention has been paid to the computation of the entropy of a system of correlated nucleons within the dynamical quasi-particle approximation. From this quantity, the free energy as well as other thermodynamical potentials of the system have been computed, leading to a full characterization of nuclear matter at the macroscopic level. In addition, the thermodynamical consistency of the approach has been shown by means of the microscopic and macroscopic chemical potentials. Finally, the liquid-gas phase transition of nuclear matter has been studied at a qualitative level. / La principal contribució d'aquesta tesi ha estat l'aplicació del formalisme de Luttinger-Ward a l'estudi de les propietats termodinàmiques de la matèria nuclear. Aquest formalisme permet obtenir els diferents potencials termodinàmics a partir de les funcions de Green i constitueix doncs un marc teòric consistent en què les propietats microscòpiques i macroscòpiques de la matèria nuclear poden ser tractades al mateix nivell.En aquesta tesi, el formalisme de Luttinger-Ward s'ha aplicat a la matèria nuclear per a dues aproximacions diferents. En l'aproximació de Hartree-Fock, els resultats obtinguts són poc realistes, però permeten comprovar la validesa del formalisme en el cas del camp mig. En l'aproximació d'escala, l'aplicació del funcional de Luttinger-Ward dóna resultats analítics per als potencials termodinàmics a partir de les propietats microscòpiques del sistema. D'aquesta manera, mitjançant l'esquema de Funcions de Green Autoconsistents, que ofereix una descripció realista del sistema nuclear a nivell microscòpic, obtenim una sèrie de propietats microscòpiques (funcions espectrals, interacció NN en el medi nuclear, etc) que poden ser utilitzades directament en el càlcul dels observables termodinàmics de la matèria densa.En particular, en aquesta tesi hem fet èmfasi en el càlcul de l'entropia d'un sistema de nucleons correlacionats en l'aproximació de quasi-partícula dinàmica. A partir d'aquesta quantitat, s'han obtingut l'energia lliure i altres potencials termodinàmics del sistema, fet que ens permet caracteritzar-lo a nivell macroscòpic. A més, s'ha demostrat la consistència termodinàmica de l'aproximació a partir de càlculs del potencial químic macroscòpic i microscòpic. Finalment, s'ha estudiat de manera qualitativa la transició líquid-gas de la matèria nuclear. / RESUMEN:La principal contribución de esta tesis concierne la aplicación del formalismo de Luttinger-Ward al estudio de las propiedades termodinámicas de la materia nuclear. Este formalismo permite obtener los diferentes potenciales termodinámicos a partir de las funciones de Green y constituye por lo tanto un marco teórico consistente en el que las propiedades microscópicas y macroscópicas de la materia nuclear pueden ser tratadas al mismo nivel.En esta tesis, el formalismo de Luttinger-Ward se ha aplicado a la materia nuclear para dos aproximaciones distintas. En la aproximación de Hartree-Fock, los resultados obtenidos son poco realistas, pero permiten comprobar la validez del formalismo en el caso del campo medio. En la aproximación de escalera, la aplicación del funcional de Luttinger-Ward da lugar a resultados analíticos para los potenciales termodinámicos a partir de las propiedades microscópicas del sistema. De este modo, mediante el esquema de Funciones de Green Autoconsistentes, que ofrece a una descripción realista del sistema nuclear a nivel microscópico, obtenemos una serie de propiedades microscópicas (funciones espectrales, interacción NN en el medio nuclear, etc) que pueden ser usadas directamente en el cálculo de los observables termodinámicos de la materia densa.En particular, en esta tesis se ha prestado especial atención al cálculo de la entropía de un sistema de nucleones correlacionados en la aproximación de quasi-partícula dinámica. A partir de esta cantidad, se ha obtenido la energía libre, así como otros potenciales termodinámicos del sistema, lo que nos permite caracterizarlo a nivel macroscópico. Así mismo, se ha demostrado la consistencia termodinámica de la aproximación a partir de los cálculos del potencial químico macroscópico y microscópico. Finalmente, se ha estudiado de forma cualitativa la transición líquido-gas de la materia nuclear.

La matèria orgànica del sòl juga un paper essencial en el cicle global del carboni, allotjant bona part del C que contenen els ecosistemes terrestres. En àrees de muntanya, l’alta variabilitat climàtica associada a la complexitat topogràfica fa que els balanços de C siguin difícils de predir. L’objectiu d’aquesta tesi és en primer lloc estimar el contingut de C dels prats de muntanya del Pirineu i determinar els factors climàtics que determinen la seva distribució al paisatge. En segon lloc analitzar els factors que regulen processos específics que són claus en el cicle del C d’aquests ecosistemes. Mitjançant un mostreig extensiu de perfils edàfics en prats subalpins i alpins del Pirineu, s’estimà que el contingut de C dels prats de muntanya varia entre els 5,9 i els 29,9 kg C m-2. Aquests continguts tendeixen a reduir-se amb l’altitud, però mentre a les zones més baixes els sòls acumulen més C als vessants obacs, a les parts més altes és als solells on es tendeix a acumular més C. Això suggereix que l’acumulació de C al sòl està més relacionada amb les condicions que afavoreixen la producció que no pas amb les que n’afavoreixen la mineralització. La incubació al laboratori de les mostres de sòl dels perfils anteriors ens permeteren determinar els factors de tipus edàfic que són determinants en la mineralització de la matèria orgànica als sòls superficials i subsuperficials. Els resultats mostren que mentre als horitzons superficials la mineralització de la matèria orgànica es relaciona clarament amb la disponibilitat de C, en els sòls subsuperficials tot i que la proporció de C actiu és similar, la disponibilitat de N pren més rellevància. Per tal d’analitzar el component biòtic com a regulador de la mineralització de la matèria orgànica també es van incubar mostres de sòl al laboratori en les quals es van alterar les comunitats microbianes. L’addició d’una font de C làbil (glucosa) enriquida amb 13C permeté distingir el C respirat derivat de la matèria orgànica i de la glucosa. Els resultats indiquen que una font de C làbil estimula la mineralització de C (efecte priming) però la magnitud d’aquest estímul depèn en gran mesura de l’estructura de les comunitats microbianes. Als prats, el C orgànic edàfic prové majoritàriament de les arrels. Per això es va estimar la producció d’arrels, la descomposició d’arrels estàndard i la incorporació del C provinent d’aquestes arrels a les fraccions protegides del sòl en prats subalpins. Els resultats ens mostren que anualment es produeixen uns 400-500 g m-2 d’arrels en els primers 15 cm de sòl, cosa que suposa al voltant de 200 g C m-2, amb una marcada estacionalitat i amb una productivitat relativa a la biomassa que és superior a l’horitzó subsuperficial. D’altra banda, les taxes de descomposició són relativament baixes i no es redueixen amb la fondària, segurament per les millors condicions ambientals al sòl subsuperficial. La incubació al camp d’arrels enriquides amb isòtops estables permeté detectar que durant el primer any entre un 3.5 i un 7% del C incubat es va incorporar a la fracció protegida (associada a llims i argiles). Aquesta matèria orgànica de les arrels incorporada a la fracció protegida era làbil i rica en N. Atesa la progressiva reducció de la pressió de pastura en extenses àrees de muntanya, es simulà un abandonament de pastura per detectar possibles canvis a curt termini en la producció i descomposició d’arrels. Els resultats indiquen un lleuger increment de la producció durant l’estiu en els prats no pasturats i no es detectà cap efecte en la descomposició de les arrels. / La materia orgánica del suelo juega un papel esencial en el ciclo del carbono, albergando la mayor parte del C que contienen los ecosistemas terrestres. En áreas de montaña, la elevada variabilidad climática asociada a la complejidad topográfica hace que los balances de C sean difíciles de predecir. El objetivo de esta tesis es en primer lugar estimar el contenido de C de los pastos de montaña del Pirineo i determinar los factores climáticos que determinan su distribución en el paisaje. En segundo lugar analizar los factores que regulan los procesos clave del ciclo del C en estos ecosistemas. Mediante un muestreo extensivo de perfiles edáficos en pastos subalpinos y alpinos del Pirineo, se estimó que el contenido de C de los pastos de montaña varía entre 5,9 y 29,9 kg C m-2. El contenido de C tiende a reducirse con la altitud, pero mientras en las cotas más bajas los suelos acumulan más C en las umbrías, en las zonas más altas es en las solanas donde tiende a acumularse más. Esto sugiere que la acumulación de C en el suelo está más relacionada con las condiciones que favorecen la producción que con las que favorecen la mineralización. La incubación en el laboratorio de las muestras de suelo de los perfiles anteriores nos permitió determinar los factores de tipo edáfico que son determinantes en la mineralización de la materia orgánica en suelos superficiales y subsuperficiales. Los resultados muestran que así como en los horizontes superficiales la mineralización de C está claramente relacionada con la disponibilidad de C, en los suelos subsuperficiales la disponibilidad de N toma más importancia. Para analizar el papel del componente biótico en la regulación de la mineralización de la materia orgánica también se incubaron muestras de suelo en el laboratorio en las cuales se alteraron las comunidades microbianas. La adición de una fuente de C lábil (glucosa) enriquecida con 13C permitió distinguir el C respirado derivado de la materia orgánica y de la glucosa. Los resultados indican que una fuente de C lábil estimula la mineralización del C (efecto priming), pero la magnitud de este estímulo depende en gran medida de la estructura de las comunidades microbianas. En los pastos, el C del suelo proviene mayoritariamente de las raíces. Por esto se estimó la producción radicular, la descomposición de raíces estándar y la incorporación del C que proviene de estas raíces a las fracciones protegidas del suelo en pastos subalpinos. Los resultados nos muestran qua anualmente se producen unos 400-500 g m-2 de raíces, lo que equivale a unos 200 g C m-2, con una marcada estacionalidad y con una productividad relativa a la biomasa que es superior en el horizonte subsuperficial. Por otro lado, las tasas de descomposición son relativamente bajas y no se reducen con la profundidad, seguramente por las mejores condiciones ambientales en el suelo subsuperficial. La incubación en campo de raíces enriquecidas con isótopos estables permitió detectar que durante el primer año entre un 3,5 y un 7% del C incubado se incorporó a la fracción protegida (asociado a limos y arcillas). Esta materia orgánica de las raíces incorporada a la fracción protegida era lábil y rica en N. Puesto que existe una progresiva reducción de las cargas de pastoreo en extensas zonas de montaña, se simuló el abandono del pasto para detectar posibles cambios a corto plazo en la producción y en la descomposición de las raíces. Los resultados indican un ligero incremento de la producción en verano en los pastos no pastoreados y no se detectó ningún efecto en la descomposición de las raíces. / Soil organic matter plays a key role in the global carbon cycle, storing most of the carbon contained in the terrestrial ecosystems. In mountain areas, the high spatial variability of climate conditions makes C balances difficult to predict. The main aim of this thesis is first to estimate soil C stocks and the environmental factors that determine C accumulation in the soils of the Pyrenean mountain grasslands. Secondly, we aim to analyse the factors that regulates some specific processes of the C cycle in these ecosystems. An extensive sampling in subalpine and alpine grasslands along the Pyrenees revealed that mountain grasslands store between 5.9 and 29.9 kg C m-2. Carbon stocks generally reduced with altitude, but while in the highest altitudes soils accumulated more C in the south-facing slopes, at the subalpine areas was at the north-facing slopes where soil stored more C. This suggests that soil organic C accumulation is enhanced at the sites with the most suitable conditions for plant productivity rather than at the sites with expected low mineralization rates. The laboratory incubation of soil samples coming from these soil profiles allowed determining the soil factors that regulates organic matter mineralisation in surface and subsurface soils. The results indicated that while C availability was the main factor explaining C mineralisation in surface soils, in the subsoil N availability became the most important factor. The role biotic factor in regulating organic matter mineralisation was assessed by incubating soil samples in the laboratory in which microbial community structure was altered. The addition of a labile C substrate (glucose) enriched with 13C allowed to partition the respired C among soil organic matter derived C and glucose-derived C. The results indicated that the addition of a labile C source promotes the C mineralisation through the priming effect, but the magnitude of priming is depends on the structure of microbial communities. Most of organic C in grassland soils derives from root tissues. Hence we estimated belowground production, decomposition rates of standard roots and root-derived C incorporation into the protected pool (associated to silt and clay fractions) in subalpine grasslands. The results showed that these grasslands produce about 400-500 g m-2 y-1 of roots at the top 15 cm, meaning about 200 g C m-2 y-1. This production showed a great seasonality and with higher relative productivity rates in the subsoil than in the top 5 cm. Root decomposition rates quite low and did not decreased with depth, probably because of better microclimate conditions in the subsurface soil. The field incubation of roots enriched with stable isotopes allowed us to detect that between 3.5% and 7% of the incubated C had been incorporated into the protected fraction (associated to silt and clay) during the first year. The root-derived organic matter incorporated into the protected pool was labile and N-enriched. Given the reduction of stocking rates in extensive pastures in mountain areas, we simulated the pasture abandonment to detect short term changes in root production and decomposition. The results indicated a discrete increase of root production in summer in the non-grazed grasslands and no-effects were detected in root decomposition rates.

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

The calculations that allow the operating license of the nuclear reactors are usually made using conservative methods. This conservatism, often excessive, limits the actual capabilities of the industry to increase energy production from nuclear power plants. Currently the best estimate calculations are the most advanced tool in the study and analysis of hypothetical accident scenarios. This new technique is superior compared to the old methodology, where the safety margins were established by experts, using assumptions operation and conservative assumptions. The methodology of the best estimate plus uncertainties calculations is able to provide a solution in terms of increased production of nuclear energy without compromising the safety margins. This thesis presents a comparison between the methodology of the best estimate plus uncertainties and methodology within the traditional conservative calculations of coupled three-dimensional neutron-kinetic and thermo-hydraulic. In the framework of the security analysis using system code, coupled three-dimensional kinetic thermo-hydraulic calculations are also the most advanced tools, and they are particularly suitable for those transients involving basic asymmetric conditions and return to criticality scenarios. The best estimate plus uncertainties calculation methodology has been applied with success for the first time within the framework of the present study. This group of new methods requires a new set of calculation tools as well as defining criteria for their validation. The thesis analyzes the existing tools and includes the improvement of some of them in order to allow a more accurate and reliable usage. The scenarios of interest are those that require the coupling between three-dimensional neutron kinetics codes and thermo-hydraulics codes. The first improvement made is based on a methodology for creating a cross section library which applies to any point in the life cycle of the reactor studied. Second improvement applies by establishing an interface between the equations of motion and control rods of neutron absorbing. The analysis of the main steam line break scenario in a pressurized water reactor nuclear power plant, included in this thesis, allows exercising the generated logics and applying it to the cases that are coming for the future innovative license calculations. / Els càlculs que permeten la llicència d'operació dels reactors nuclears són normalment realitzats seguint mètodes conservadors. Aquest conservadorisme, sovint desmesurat, limita en moltes ocasions les capacitats reals de la indústria per augmentar la producció energètica de les plantes d'energia nuclear. Actualment els càlculs de millor estimació, són l'eina més avançada en l'estudi i l'anàlisi d'hipotètics escenaris accidentals. Aquesta nova tècnica és superior en comparació amb l'antiga metodologia, on els marges de seguretat van ser establerts per experts, utilitzant hipòtesis d'operació i suposicions molt conservadores. La metodologia de càlculs de millor estimació amb avaluació d'incerteses, és capaç de proporcionar una solució en termes d'augment de la producció d'energia nuclear sense comprometre els marges de seguretat. En aquesta tesi es presenta una comparació entre la metodologia dels càlculs de millor estimació i la metodologia tradicional conservadora dins l'àmbit dels càlculs de neutró-cinètics i termo-hidràulics acoblats. En el marc de l'anàlisi de la seguretat amb l'ús de codis del sistema, els càlculs acoblats de cinètica tridimensional amb termohidràulica, són també l'eina més avançada, i estan especialment indicats per a aquells transitoris que impliquen condicions bàsiques asimètriques i escenaris de retorn a criticitat. La metodologia dels càlculs de millor estimació més incerteses és doncs, aplicada per primer cop, satisfactòriament dins el marc d'estudi del present document. Aquest grup de noves metodologies exigeix un conjunt de noves eines de càlcul així com la definició de criteris per a la seva validació. La tesi analitza les eines existents i inclou la millora d'alguna d'elles per tal de permetre'n un us més acurat i solvent. Els escenaris d'interès són els que exigeixen l'acoblament de codis de cinètica neutrònica tridimensional i termo-hidràulica. La millora dels primers es concreta en una metodologia de creació de una biblioteca de seccions eficaces vàlida per a qualsevol punt del cicle de vida del reactor estudiat. La millora dels segons està en l'establiment d'una interfase entre les equacions de control i el moviment de les barres d'absorbent neutrònic. L'anàlisi de l'escenari accidental de trencament d'una canonada de vapor principal per una central nuclear, inclòs a la tesi, permet exercitar les lògiques generades i aplicar-les a casos pròxims el que seran els futurs càlculs innovadors de llicència

En aquesta tesis doctoral s’han investigat capes primes i nanostructures de WO3 per sensat òptic de gasos. S’han realitzats els estudis de la síntesis dels materials nanoestructurats, la possible fabricació del dispositiu i les propietats per la detecció dels gasos. Han estat investigades les capes primes de WO3, amb uns grossors al voltant de les 550 nm, crescudes mitjançant RF sputtering. Aquestes capes varen ser dopades amb nanopartícules de Pt i es varen estudiar les seves propietats de sensat òptic de gas sota la influencia de H2, CO i NOx. Aquestes capes mostraren una reposta i recuperacions ràpides sota la influencia dels gasos anteriorment esmentats. Les capes no dopades de WO3 mostren una resposta òptica detectable al gas NOx, mentre que les capes dopades amb nanopartícules de Pt mostres una resposta al H2 a temperatura ambient. De manera similar, la resposta gasocromica de les nanoagulles al gas NH3 tambe va ser investigada. Les nanoagulles de WO3 decorades amb nanopartícules de Pt i Au mostren una resposta òptica quan estan exposades a NH3 gas a temperatura ambient. És la primera vegada que es reporta la resposta òptica del WO3 a temperatura ambienti es descriu en aquesta tesis. Finalment, de manera semblant a les capes primes, el temps de detecció i recuperació de les nanoagulles als gasos; és ràpid i de l’ordre de segons. En resum, la recerca realitzada en el si d’aquesta tesis, ha complert els objectius d’investigar i desenvolupar uns sensors òptics de gasos fets de WO3 i en forma de nanoestructures i capes primers. De manera exitosa, aquest material s’ha implementat per la detecció òptica de NH3, CO, NOx i H2. Basant-nos en aquests resultats, l’avaluació final és que el WO3 és un bon material com a candidat de futurs dispositius òptics per la detecció de gasos. / En esta tesis doctoral se han investigados capas delgadas i nanoestructuras de WO3 para el sensado óptico de gases. Se han relaizado estudios de las síntesis de materiales nanoestructurados, la posible fabricación del dispositivo y las propiedades para la detección de gases. Se han investigado capas delgadas de WO3 con unos grosores cercanos a 550 nm, crecidas mediante pulverización catódica de radiofrecuencia. Dichas capas fueron dopadas con nanopartículas de Pt y se estudiaron sus propiedades para el sensado óptico de gases como el H2, Co y NOx. Estas capas mostraron un respuesta y recupèración rápidas bajo la influencia de los gases mencionados anteriormente. Las capas no dopadas de WO3 mustran una respuesta óptica mediable al NOx mientras que las dopadas con Pt muestran repsuesta al H2 a temperatura ambiente. De manera similar, la respuesta gasocrómica de nanoagujas de WO3 decoardas con nanopartículas de Pt y Au muestran una respuesta óptica a temperatura ambiente cuando se exponen a NH3. Por primera vez y en esta tesis se reporta la respuesta óptica del WO3 a temperatura ambiente. Finalmente y de manera similar a las capas delgadas, los tiempos de respuesta y recuperación de las nanoagujas de WO3 es rápido y del orden de segundos. En resumen, la investigtación que se ha desarrollado en esta tesis ha cumplido los objetivos de desarrollar sensores ópticos basados en nanomateriales de WO3. Se ha implementado la detección de NH3, CO, NOx y H2. de forma exitosa. Basandonos en estos resultados podemos concluir que el WO3 representa un buen material candiudato a ser integrado en futuros dispositivos ópticos para el sensado de gases. / n this doctoral thesis, WO3 based thin films and nanostructures have been investigated for optical gas sensing. The nano structured material synthesis, device fabrication and their gas sensing properties have been studied. WO3 thin films with thicknesses around 550 nm, grown by RF sputtering have been investigated for optical gas sensing using absorbance spectroscopy. These films were doped with Pt nanoparticles and subjected to optical gas sensing under the influence of H2, CO and NOx. These films showed fast response and recovery under the influence of mentioned gases. The response and recovery time is in the range of seconds. The bare WO3 films show a measureable optical response to NOx. The films doped with Pt nanoparticles show a response to H2 at room temperature. Similarly, the gasochromic response of WO3 nanoneedles was investigated upon the exposure to NH3. The nanoneedles decorated with Au and Pt show optical response when exposed to NH3 gas at room temperature. The optical response at room temperature of these nanoneedles is presented in this doctoral thesis for the first time. Similarly to thin films, nanoneedles have also shown a fast response and recovery time in the range of seconds. In summary, this PhD research program successfully fulfilled its objectives to investigate and develop novel WO3 optical sensors based on nanostructures and thin films. During the work the author has successfully employed this material for optically sensing the mentioned gases such as NH3, CO, NOx, and H2. The evaluation of these results indicates that WO3 is a good candidate for designing future devices for optical gas sensing.