El sillico (Si) es considerado uno de los candidatos que puede reemplazar al grafito en ánodos de baterías de ion litio debido a su capacidad para almacenar mayor energía y, por ende, de mejorar sus rendimientos. No obstante, el alto estrés mecánico causado por su alta variación volumétrica durante los ciclos de carga y descarga sumado a su baja conductividad eléctrica viene siendo un impedimento para su amplio uso. Por tal motivo, los composites a base de silicio son estudiados en esta tesis con el fin de mejorar su viabilidad comercial. Este trabajo de investigación se enfoca en la síntesis de composites MXeno Ti3C2 - silicio como ánodos para baterías de iones de litio así como su caracterización electroquímica. El MXeno Ti3C2 es un material dos dimensional cuya buena resistencia mecánica y conductividad pueden aportar a solucionar los problemas de los ánodos de Si. La caracterización de los materiales de partida (partículas de Si y MXeno Ti3C2) consistió en el estudio de su morfología por microscopía electrónica de barrido (SEM), distribución de tamaños por dispersión dinámica de luz (DLS), composición química por espectroscopia de energía dispersiva (EDS) y microestructura por difracción de rayos X (XRD). Distintas composiciones de materiales de electrodo fueron preparados mediante una suspensión aplicada sobre una lámina de cobre por la técnica del recubrimiento con cuchilla y caracterizados mediante microscopia óptica y SEM. Asimismo, se prepararon semiceldas con dichos electrodos para ser sometidos a ciclos de carga y descarga a distintas corrientes. Los procesos electroquímicos fueron estudiados mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). Los resultados revelaron que la adición de partículas de Ti3C2 promueve que los electrodos puedan alcanzar el 80% y 89% de su capacidad teórica cuando el Ti3C2 representa el 20% y 40% de la masa del material activo del electrodo, respectivamente, en comparación al 56% alcanzado por el electrodo de Si puro. Esta mejora es explicada por una reducción de la resistencia a la transferencia de carga observada en los resultados de EIS. Finalmente, el electrodo con 20 % en peso de Ti3C2 (640 mAh/g) obtuvo la mejor capacidad específica tras 100 ciclos de carga y descarga, por encima de lo obtenido por el electrodo de Si puro (572 mAh/g). / Silicon (Si) is considered one of the candidates to replace graphite in lithium-ion battery anodes due to its ability to store more energy and thus improve their performance. However, the high mechanical stress of pure silicon, caused by its high volumetric change during charge and discharge cycles, together with its low electrical conductivity have been an impediment to its wide use. Silicon-based composites are, therefore, studied in this thesis to improve their commercial viability. This research work focuses on the synthesis of Ti3C2 MXene-silicon composites as anodes for lithium-ion batteries and their electrochemical characterization. Ti3C2 MXene is a two-dimensional material whose good mechanical strength and conductivity can contribute to solving the problems of Si anodes. The characterization of the starting materials (Si and Ti3C2 MXene particles) consisted of the study of their morphology by scanning electron microscopy (SEM), size distribution by dynamic light scattering (DLS), chemical composition by energy dispersive spectroscopy (EDS) and microstructure by X-ray diffraction (XRD). Electrodes of different compositions were prepared using a slurry mixture deposited by blade coating technique onto a copper foil and characterized by optical microscopy and SEM. Also, half cells were prepared with these electrodes and subjected to charge-discharge cycles at different currents. Additionally, the electrochemical processes were studied by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results revealed that the addition of Ti3C2 promotes that the electrodes can reach 80% and 89% of their theoretical capacity when Ti3C2 represents 20% and 40% of active material mass, respectively, compared to 56% achieved by the pure Si electrode. This improvement is explained by a reduction of the charge transfer resistance observed in the EIS results. Finally, the electrode with 80 wt.% Si and 20 wt.% Ti3C2 (640 mAh/g) obtained the best specific capacity after 100 charge/discharge cycles, above that obtained by the pure Si electrode (572 mAh/g).

En los últimos años, las películas delgadas han sido ampliamente estudiadas debido a la amplia gama de aplicaciones técnicas que presentan, algunas de las cuales están determinadas por sus propiedades eléctricas tales como la resistividad. Generalmente, algunas propiedades medidas en la macroescala no siguen siendo válidas cuando el material es reducido a la nanoescala. Varios estudios demuestran que la resistividad en películas delgadas depende del espesor de la muestra. Por lo tanto, en la investigación y producción de películas delgadas para nuevas aplicaciones, es necesario un sistema eficaz y preciso para medir y caracterizar sus propiedades eléctricas. Con el fin de superar las limitaciones en la medición de la resistividad en películas delgadas, el objetivo de esta tesis es la de implementar un sistema de medición de la resistividad flexible implementado utilizando el software LabVIEW y conformado por instrumentos de medición Keithley y una cámara digital tipo microscopio. Este sistema presenta dos características principales: 1. Un sistema de seguimiento automático de posición (visual tracking) para determinar la ubicación de las puntas de medición sobre la muestra. Este sistema reduce los errores ocasionados por el desalineamiento de las puntas, proporciona una apropiada interfaz gráfica y es el primer paso para la automatización del sistema de medición. 2. El sistema es capaz de medir la resistividad utilizando cuatro métodos distintos (Van der Pauw, Linear Van der Pauw, y el método de las cuatro puntas lineal y cuadrado). Esta característica proporciona la posibilidad de medir una gama más amplia tanto de materiales como de dimensiones de las muestras. El desempeño del sistema desarrollado se válido midiendo muestras estándar de aluminio y tungsteno de diferentes espesores (100, 300 and 600 nm). Las películas se depositaron sobre sustrato de silicio mediante sputtering. La resistividad de las películas se midió aplicando los diferentes cuatro métodos y se obtuvo un error estándar menor a 1%. Con el _n de validar la eficacia del sistema de seguimiento visual (visual tracking), se analizó la influencia, tanto del desalineamiento como de la distribución de las puntas en la medición de la resistividad. Los resultados fueron validados por comparación con datos experimentales de la literatura y modelos teóricos de películas delgadas (Fuchs-Sondheimer, Mayadas-Shatzke y combinación de ambos modelos). Los resultados están en correlación con los datos experimentales y los modelos teóricos. Además, se confirmó la dependencia de la resistividad con el espesor. Asimismo, se demostró que el incremento de la resistividad eléctrica podrá explicarse por las contribuciones de los mecanismos de dispersión en los limites de grano y en la superficie de la película delgada. / Tesis

Presenta un estudio sistemático de las propiedades ópticas de películas delgadas de a-SiC y a-SiC:H, crecidas en una atmósfera de argón e hidrógeno con la técnica pulverización catódica de radiofrecuencia. La caracterización óptica es realizada a través de medidas espectroscópicas de transmisión UV/VIS/NIR en incidencia normal. El espesor, índice de refracción y coeficiente de absorción de las películas son calculados a partir de estos espectros de transmitancia. El ancho de banda es determinado usando diferentes modelos del coeficiente de absorción. Asimismo, se reporta la existencia del foco de Urbach de las películas estudiadas. Se han encontrado dos caminos para mejorar las propiedades ópticas de las películas: la saturación de los enlaces libres con la incorporación de hidrógeno y una temperatura óptima del tratamiento térmico a 400 °C.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Partículas finas de óxido de hierro (P.F. FexOy) fueron obtenidas por el método de ablación laser para luego ser funcionalizadas con grafeno. Para la obtención de P.F. FexOy se usó un blanco de hierro al 99.9% de pureza; el cual fue colocado en una solución de agua ultrapura con polivinilpirrolidona (PVP) a una concentración de 0.04% [g/ml]. Sobre esta solución se incidió un láser de Nd/YA, Nanosecond Laser Quanta Ray, de longitud de onda de 532nm, potencia de 20W y un tiempo de ablación de 6h. El modo de focalización del láser fue “focal point” y para ello se utilizó una lente biconvexa de distancia focal de 5, 6 y 7.5cm. Para el estudio de la influencia de la P.F. FexOy sobre grafeno con campo magnético B y sin B, se utilizó la muestra correspondiente a la lente de 6cm de distancia focal, ya que los resultados por DLS Z potencial mostraron una distribución y tamaño menor de partícula uniforme promedio de 190.6 nm. La obtención del grafeno se hizo por exfoliación mecánica en un sustrato de óxido de silicio. Las muestras fueron caracterizadas por Espectroscopia Raman a diferentes potencias, separando los resultados en 3 sistemas de la siguiente forma: primero se midió espectros de un sustrato de óxido de silicio a diferentes potencias con un B de 3000G y sin campo magnético (sistema 1). Los resultados mostraron un aumento de intensidades cuando hubo interacción con el campo de 3000G. Luego se colocó las P.F. FexOy en el sustrato de óxido de silicio y todo el sistema se hizo interaccionar con campo magnético de 3000G (sistema 2) y se logró identificar las fases de óxido de hierro correspondiente a la magnetita (670 cm-1), maghemita (494 cm-1) y hematita (415,618 cm-1). Por otro lado, se determinó la obtención de la monocapa de grafeno, cuyas bandas G y 2D se localizaron a 1585 cm-1 y 2675 cm-1 respectivamente. Finalmente, fueron estudiadas las P.F. FexOy en grafeno ante la presencia de un campo magnético y sin campo (sistema 3), en función de la potencia del láser. / Tesis

En el presente trabajo de tesis se presenta el estudio de las propiedades ópticas y electroquímicas de las películas delgadas de carburo de silicio amorfo y carburo de silicio amorfo hidrogenado. Las películas fueron fabricadas mediante la técnica de pulverización catódica de radiofrecuencia en una atmosfera de argón e hidrógeno sobre sustratos de silicio y de sílice fundida. Se evaluó el impacto de hidrógeno al introducir un flujo de 3 sccm durante el proceso de deposición de las películas de a-SiC y el impacto de un tratamiento químico, antes y después de la inmersión de las películas delgadas de a-SiC y a-SiC:H en una solución de ácido sulfúrico 1M durante 96 horas. Se utilizaron métodos y modelos apropiados para recuperar el índice de refracción, el coeficiente de absorción, el espesor, la energía de Urbach y el ancho de banda de las películas delgadas, a partir de mediciones de transmitancia óptica por espectroscopia UV-VIS. El efecto de la superposición de las colas de Urbach en la región de absorción fundamental solo es tomado en consideración por el modelo de fluctuaciones de banda, por lo cual se considera que los valores del ancho de banda determinados por este modelo son más precisos. Las propiedades vibratorias de los diferentes enlaces que forman las estructuras de a-SiC y a-SiC:H se obtuvieron a partir de mediciones de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier. Con el ingreso de hidrógeno, se revela la aparición de los picos de Si-CH, Si-H y C-H, adicionales a los picos de Si-O y Si-C característicos de a-SiC. Luego del tratamiento químico, se reporta el inicio de un proceso de oxidación en ambas estructuras, siendo verificado a partir de la densidad de enlaces y de la aparición de 4 picos en la región de 790 cm-1 – 1200 cm-1 para el a-SiC. La interfaz semiconductor – electrolito se caracterizó a partir de mediciones de espectroscopia de impedancia electroquímica. Los diagramas de Nyquist revelan la contribución de la región de espacio de carga del SiC y de la capa de óxido nativo que se forma sobre el SiC. Las contribuciones capacitivas y resistivas de las muestras se evaluaron a partir de la obtención de un circuito equivalente que representa los sistemas estudiados

Esta tesis versa en la síntesis, mediante métodos de baja temperatura(sol-gel y solvotermal), la caracterización y el estudio de las propiedades eléctricas, mediante Espectroscopia de Impedancia, de dos tipos de materiales ferroeléctricos: el óxido mixto de titanio y bario, BaTiO3(BT), dopado con diferentes iones (con estructura perovsquita), y la familia de compuestos Ba2LnTi2Nb3O15 (Ln = ión lantánido), con estructura de bronce de tungsteno tetragonal (TTB). Los principales resultados en el primer sistema estudiado (BT) es el descubrimiento de un nuevo fenómeno en materiales dopados con iones aceptores relacionado con la respuesta no-óhmica de su resistencia al aplicar un pequeño voltaje dc, tanto de la frontera como del interior de grano, lo que los hace prometedores para aplicaciones tales como dispositivos de memoria (similares a los memristores), de protección o sensores. Respecto al segundo sistema estudiado (TTB), el principal resultado fue la inusual histéresis térmica en la transición ferroeléctrica y la gran diferencia entre la temperatura de transición y la temperatura de Curie-Weiss. En todos los materiales se ha analizado en detalle la relación existente entre estructura, composición y propiedad.

[ES] Uno de los retos más importantes de la sociedad actual es la obtención de energía de forma sostenible, limpia y eficiente. Por ello, gran parte de la investigación actual en el campo de la química y la ciencia de los materiales centra sus esfuerzos en la búsqueda y estudio de nuevas generaciones de materiales que permitan una transición energética desde el modelo energético tradicional hacia un modelo más sostenible. En este contexto, las propiedades eléctricas de los materiales, relacionadas con la generación y transformación de energía, juegan un papel esencial. En esta tesis se estudian dos tipos de materiales híbridos con distinta estructura y composición, pero que combinan excelentes propiedades eléctricas y ópticas. Por una parte, los clústeres octaédricos de molibdeno, ya conocidos desde hace décadas, han demostrado ser excelentes materiales en catálisis. En los últimos tiempos, la investigación alrededor de este material se ha centrado en el estudio de sus propiedades ópticas y electrónicas y sus aplicaciones en sensores y dispositivos emisores de luz. Por otra parte, las perovskitas híbridas halogenadas son ampliamente conocidas en el campo de la generación energética por sus elevadas eficiencias, movilidad de cargas y alta eficiencia de emisión de luz. Se han estudiado dos estructuras de perovskita híbrida halogenada: una 3D, cuyas propiedades son ampliamente conocidas, y otra con estructura multidimensional 2D-3D, donde el carácter laminar le confiere una mejora en la estabilidad. Con el propósito de comprender mejor su interacción luz-materia, en los trabajos desarrollados en la presente tesis, se han realizado mediciones optoelectrónicas a nivel monocristalino. Esto incluye un análisis combinando de medidas de emisión, fotocolección y transporte de carga. Además, se ha investigado su comportamiento como cavidad resonante, así como sus propiedades como generador de energía. Por lo tanto, se ha corroborado que los materiales objeto de estudio, presentan unas propiedades que les confieren diferentes posibilidades de aplicación en diversos ámbitos dentro del campo de la generación energética. / [CA] Un dels reptes més importants de la societat actual és obtenir energia de forma sostenible, neta i eficient. Per això, gran part de la investigació actual en el camp de la química i la ciència dels materials centra els seus esforços en la cerca i l'estudi de noves generacions de materials que permeten una transició energètica des del model energètic tradicional cap a un model més sostenible. En aquest context, les propietats elèctriques dels materials, relacionades amb la generació i la transformació d'energia juguen un paper essencial. En aquesta tesi s'estudien dos tipus de materials híbrids amb diferent estructura i composició, però que combinen propietats elèctriques i òptiques excel·lents. D'una banda, els clústers octaèdrics de molibdè, ja coneguts des de fa dècades, han demostrat ser materials idonis en catàlisi. De fet, en els darrers temps, la recerca al voltant d'aquest material s'ha centrat en l'estudi de les propietats òptiques i electròniques i les aplicacions en sensors i dispositius emissors de llum. D'altra banda, les perovskites híbrides halogenades són àmpliament conegudes al camp de la generació energètica per les seues elevades eficiències, mobilitat de càrregues i alta eficiència d'emissió de llum. S'han estudiat dues estructures de perovskita híbrida halogenada: una de 3D, les propietats de la qual són àmpliament conegudes, i una altra amb estructura multidimensional 2D-3D, el caràcter laminar de la qual li confereix una millora en l'estabilitat. Amb el propòsit de comprendre millor la seua interacció llum-matèria, en els treballs desenvolupats en aquesta tesi, s'han realitzat mesuraments optoelectrònics a nivell monocristal·lí. Això inclou una anàlisi que combina mesures d'emissió, fotocol·lecció i transport de càrrega. A més, s'ha investigat el seu comportament com a cavitat ressonant, així com les seues propietats com a generador d'energia. Per tant, s'ha corroborat que els materials objecte d'estudi presenten unes propietats que els confereixen diferents possibilitats d'aplicació en diversos àmbits dins del camp de la generació energètica. / [EN] One of the most important challenges of today's society is obtaining energy in a sustainable, clean, and efficient way. For this reason, much of the current research in the field of chemistry and materials science focuses its efforts on the search and study of new generations of materials that allow an energy transition from the traditional energy model to a more sustainable model. In this context, the electrical properties of materials, related to the generation and transformation of energy, play an essential role. In this thesis, two types of hybrid materials with different structure and composition, but which combine excellent electrical and optical properties, are studied. On the one hand, octahedral molybdenum clusters have been known for decades and have proven to be excellent materials in catalysis. In fact, in recent times, research around this material has focused on the study of its optical and electronic properties and its applications in sensors and light-emitting devices. On the other hand, halogenated hybrid perovskites are widely known in the field of energy generation for their high efficiencies, charge mobility and high light emission efficiency. Two halogenated hybrid perovskite structures were studied: one 3D, whose properties are widely known, and another with a 2D-3D multidimensional structure, where the laminar character confers an improvement in stability. To better understand its light-matter interaction, in the work developed in this thesis, optoelectronic measurements have been carried out at the monocrystalline level. This includes a combined analysis of emission, photocollection and charge transport measurements. In addition, its behavior as a resonant cavity has been investigated, as well as its properties as an energy generator. Therefore, it has been confirmed that the materials under study have properties that give them different application possibilities in various areas within the field of energy generation. / Segura Sanchis, E. (2024). Propiedades ópticas y eléctricas de monocristales de materiales híbridos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202755