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Titulo - Tesis defendidas

Defendatutako tesiak

Tabla Tesis - Física Nanoestructuras

 

Egungo doktorego programak

Aurreko doktorego programak

Defendatutako tesiak

51 123

Sari bereziak

2 5

Doktorego tesiak kotutoretzan

5 3

Nazioarteko doktorego tesiak

26 59

Doktorego industrialak

1 -

 

XSLaren edukia

Egungo programan irakurritako tesiak

In-device spectroscopy at metal/organic semiconductor interfaces.

ATXABAL ARRASATE, AINHOA

Zuzendariak:
CASANOVA FERNANDEZ, FELIX;
HUESO ARROYO, LUIS EDUARDO
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

En esta tesis doctoral nos hemos basado en el estudio de las barreras energéticas presentes en las interfaces entre el nivel de Fermi de los metales y los niveles orbitales de semiconductores orgánicos. Este estudio se ha realizado mediante dispositivos electrónicos verticales de tres terminales y mediante la inyección y transporte de cargas eléctricas. De esta forma, hemos podido determinar cómo dichas barreras energéticas afectan en el transporte eléctrico, lo cual influye directamente en el funcionamiento y eficiencia de dispositivos optoelectrónicos. La determinación de los niveles energéticos relativos de varios orbitales moleculares nos ha llevado a poder determinar directamente la banda de energía prohibida de varios semiconductores orgánicos. El estudio se ha llevado a cabo con semiconductores moleculares y poliméricos tanto el ultra alto vacío como en condiciones ambientales respectivamente. Además de esto, hemos investigado cómo afecta la tensión mecánica en las barreras energéticas entre metales y semiconductores orgánicos. Para esto, hemos fabricado nuestros dispositivos en substratos flexibles y medidos doblados con distintos radios de torsión. En los dispositivos estudiados, las cargas se inyectan balísticamente en el semiconductor. Esta forma única de inyectar las cargas nos ha permitido observar en semiconductores orgánicos el Régimen de Inversión Marcus. Como consecuencia de este régimen, hemos observado un diferencial de resistencia negativo en medida de corriente versus voltaje. Hemos podido manipular este último fenómeno mediante temperatura, luz y campo eléctrico.

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Ancestral sequence reconstruction for protein engineering: improving celulases for biomass hydrolysis

BARRUETABEÑA GARATE, NEREA

Zuzendariak:
PEREZ JIMENEZ, RAUL
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2017
Laburpena:

Aplikazio industrialetan entzimak erabiltzea beharrezkoa da proteina-ingeniaritzaren hainbat teknika hobetzeko. Beharrezkoa da baldintza industrial askotan entzimak desaktibatzen dituzten muturreko kondizioak erabiltzen direlako. Kasu askotan, muturreko baldintzak jasateko gai diren entzimak erabiliz emaitza onak lortzen badira ere, beste kasu batzuetan, horiek hobetzea ere ezinbesteko bihurtzen da. Azken urteotan, entzima horiek hobetzeko esfortzu ugari egin da. Zuzendutako in vitro eboluzioa izan da, muturreko baldintza horiek lortzea helburu, bioteknologiak gehien erabili duen metodoa. Protokolo hau, ordea, oso garestia da; izan ere, mutanteen liburutegi bat sortu behar da lehenbizi, horren ondorioz aldagai ugari sortzen dira, eta hau guztia, gainera, esperimentalki egin beharreko zerbait da. Are gehiago, sortutako mutante guztiak probatzeko ezintasuna dela eta, prozesu honek ez du bermatzen entzima onenak hautatzen direla. Beraz, prozesua neketsua eta garestia izateaz gain, ez da oso eraginkorra kasu gehienetan. Hau horrela, bada azken urteotan erabiltzen hasi den beste teknika bat: antzinako sekuentzien berreraikuntza. Horretarako, antzinako proteinen berpizkundearen teknika berria erabiltzen da. Teknika horretan, organismo modernoen entzimen sekuentziak erabiltzen dira eta horien filogenia harremanak aztertzen dira. Zuhaitz filogenetiko bat lortzen den unean teknika estatistikoak aplikatu daitezke arbasoen sekuentzia lortzeko eta laborategian aztertzeko. Ikerketa gutxi egin dira, gaur egun arte, aipatutako teknikak izan ditzakeen aplikazio industriala eta biomedikoa aztertzeko. Berpiztutako proteinek egonkortasun termikoa, kimikoa edo zinetikoa duten propietate bereziak dituzte. Propietate horien hobekuntzak arrazoi bat dauka: gure planetak historian zehar izan dituen ingurumen-baldintza ezberdinak. Kondizio horietan bizi diren organismoen sekuentzia proteinak besterik ez dira aurkitu. Errendimendu handiak espero dira antzinako entzimak nahasiak direla erakusten baitute, hautakortasun txikiagoarekin lan egiten dute, eta beraz, substratu mota desberdinetarako eraginkorragoak dira. Zelulasen eraginkortasuna oso mugatua da 60 ° C-tik gorako tenperatura eta muturreko pH-etan. Hori dela eta, propietate horiek hobetzea da bioteknologia arloko ikerkuntzaren helburua. Zelulasak zelulosa hidrolizatzeko arduradun diren entzima talde baten izena da. Azaldutako teknika erabilita 3000 milioi urte arteko zelulasak berpiztu ditut. Egin ditudan azterketa guztietan antzinako zelulasen errendimendua neurtu ditut, industrian erabiltzen diren entzima komertzial batzuekin alderatuta. Neurtutako baldintza guztietan berpiztutako entzimen aktibitatea komertzialena baino handiagoa izan da, hala ere, tenperatura eta pH altuetan lortu ditut desberdintasun nabarienak. Hurrengo irudian (1go irudia) endozelulasa entzimarentzat egindako azterketa ikus daiteke. 1 irudia. Endozelulazarentzat egindako azterketa. a) Endozelulasaren kronograma edo arbola filogenetikoa. Bakterioen hiru erreinutako (aktinobakteria, firmikutes eta proteobakteria) 32 sekuentzia erabilita egin da zuhaitza. Bertako arbaso bat hartuta egin da berpizketa, b) Tenperaturaren menpe (30-90) pH 4.8-an egindako aktibitate espezifikoaren azterketa c) pH-rekiko (4-10) menpekotasun diagrama 50ºC-tan eginikoa. Irudian ikus daitekeenez, baldintza guztietan emaitza hobeak lortu dira antzinako entzima erabilita. Horretaz gain, antzinako koktelaren jardueraren azterketak egin dira (hiru zelulasa: endozelulasa, exozelulasa eta beta-glukosidasa), hainbat tenperaturatan substratu lignozelulosikoen degradazioa egin dut. Substratu idealak (CMC eta iragaz papera) erabiltzeaz gain, material lignozelulosiko desberdinekin azterketak egin ditut, hala nola, kartoia, batzeko papera eta egunkari-papera. Jarraian dagoen irudian (2.irudia) ikus daiteke. 2 irudia. Zelulasa koktelarentzat eginiko azterketa Koktel zaharreko jarduerak (CKA), koktel komertziala (CKC), koktel zaharrean T. pubescens laccase (CKA + L) eta komertzial koktelaren presentzia T. pubescens laccase (CKC + L) ikusgai 50-70 ºC-ko tenperaturan eta pH 4.8. Azterketak hiru substratu desberdinetan burutu ziren: kartoia (a), egunkaria (b) eta paperean (c). Azterketa guztietan antzinako zelulazen errendimendu hobea neurtu da, bai tenperatura altuetan, bai eta pH ezberdinetan ere. Biokonbertsio prozesuen (pH azidoa eta tenperatura altua) muturreko baldintzei aurre egiteko gaitasun hobea dutenaren hipotesia frogatu da, beraz. Horrela, prozesuaren kostua murriztu daiteke eta bere bideragarritasun industriala hobetuko litzateke. Baina ez hori bakarrik, gure antzinako koktelak material lignozelulosikoa degradatzeko erabiltzen diren beste entzima batzuekin daukan sinergia ere erakutsi dugu. Izan ere, material lignozelulosikoa zelulosaz gain, lignina eta hemizelulosaz osatua dago. Horiek hidrolizatzeko asmoz, lakasak eta xilanasak erabiltzen dira. Guk, azterketa honen bitartez, frogatu dugu gure entzimek beraien kabuz lan egiteaz gain, beste entzima horiekin lan egitean errendimendua asko hobetzen dela. Zelulasa disolbagarriez gain, bakterioek sortzen duten zelulasa makromolekular konplexu batek ere industriaren interes potentziala izan lezake, konplexutasun horren egonkortasunagatik. Bakterioek naturalki sortzen dituzten konplexu horiek zelulosoma deitzen dira. Gaur egun, ordea, zelulosoma sintetikoak ere diseinatu daitezke, zelulasa desberdinen osagai indibidualak konbinatzen zelulosoma-itxurako konplexuak ekoiztuz. Gure zelulasak erabiliz antzinako zelulosoma (endozelulasa, exozelulasa eta beta-glukosidasa) berri bat diseinatu eta sortu nahi da, tenperatura altuko, estres mekanikoko eta pH azidoaren inguruko industria-inguruneetan funtziona dezan. Material lignozelulosikoa lehengai ugaria da lurrean. Bioetanola ekoizteko erabiltzen da, baina bioetanolaren produkzioan entzimak muga dira oraindik. Zelulasa entzimek, euren gaitasunak mugatzen dituzten kondizio industrialetan, eraginkortasun handiko lanak behar dituzte. Bioetanolaren kasua da gure entzimak erabiliz hobetu litezkeen prozesuen adibideetako bat.

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Electronic bands of nanoporous networks and one-dimensional covalent polymers assembled on metal surfaces.

PIQUERO ZULAICA, IGNACIO

Zuzendariak:
LOBO CHECA, JORGE;
ORTEGA CONEJERO, JOSE ENRIQUE
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

En esta tesis se ha estudiado la estructura electrónica de seis redes nanoporosas orgánicas diferentes crecidas en superficies metálicas en condiciones de ultra alto vacío. Para ello se ha utilizado principalmente la técnica de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES). Estos resultados se han complementado con medidas de espectroscopia de efecto túnel a baja temperatura (LT-STM/STS) y simulaciones teóricas con EBEM/EPWE, DFT y PAM. Los avances en estos sistemas nos han permitido entender los mecanismos de crecimiento de dichas redes nanoporosas, así como su capacidad de confinar en los poros los electrones de los estados de superficie del sustrato metálico. Hemos comprobado que los estados confinados en los nanoporos se acoplan formando bandas electrónicas características. Así mismo, dependen de la barrera de potencial que la red ejerce sobre los electrones de superficie, las cuales tienen un carácter repulsivo (tanto las moléculas como los metales de coordinación). Además, se detecta por primera vez, la existencia de una renormalización en energía y masa del estado de superficie, lo cual está provocado por su interacción vertical con la red nanoporosa. Esta renormalización está presente en redes nanoporosas metal-orgánicas y es posiblemente debida a una hibridación del estado de superficie con los metales de coordinación o por un cambio en la geometría (altura) de la red nanoporosa. En la segunda parte de la tesis se ha estudiado la síntesis y estructura de bandas electrónicas de una capa ultrafina (de una altura atómica) de polímeros con forma de zigzag crecida sobre una superficie escalonada de Ag(111). Dicha capa orgánica se extiende por toda la superficie y se alinea siguiendo los escalones monoatómicos del sustrato. Este alto grado de alineamiento es crítico para su posterior estudio mediante técnicas que promedian en el espacio, como es el caso de la fotoemisión. Los polímeros con geometría zigzag que hemos formado presentan una zona de energía prohibida entre sus orbitales frontera superior a su homólogo rectilíneo (el poli-(para-fenileno)). Además presentan una estructura de bandas peculiar, con bandas muy poco dispersivas, evidenciando un posible confinamiento electrónico de los electrones en las secciones rectas. En los codos, donde están las uniones meta, se reduce drásticamente el acoplamiento electrónico entre secciones rectilíneas vecinas, transformando el poli-(para-fenileno) en un polímero que presenta puntos cuánticos lineales. Esto se demuestra mediante medidas de LT-STM/STS donde se observan niveles moleculares discretos. Hemos conseguido controlar los estados confinados modificando la longitud de los segmentos entre uniones meta, es decir, la dimensión de los puntos cuánticos. Finalmente, también se aprecia que la zona de energía prohibida entre los estados de valencia y de conducción disminuye linealmente conforme aumenta la sección recta del polímero zigzag, es decir, muestra un comportamiento inversamente proporcional al número de anillos fenilos que conforman el punto cuántico.

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The atomic-scale limits of magnetism and superconductivity explored by electron excitations in tunneling spectroscopy

RUBIO VERDU, CARMEN

Zuzendariak:
PASCUAL CHICO, JOSE IGNACIO
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

Esta tesis estudia los fenómenos de magnetismo y superconductividad a escala atómica por medio de Microscopía y Espectroscopía de Efecto Túnel a bajas temperaturas (STM/STS) en condiciones de ultra-alto vacío. Estos resultados han sido obtenidos en colaboración con el grupo del Prof. Nicolás Lorente y del Prof. D. Daniel Sánchez-Portal, que realizaron simulaciones ab-initio de Teoría del Funcional de Densidad (DFT). Las plataformas moleculares utilizadas para el estudio de acople magnético fueron sintetizadas en el grupo del Prof. D. Pei Nian Liu en colaboración con el grupo del profesor Nian Lin. El modelo analítico que predice las variaciones espaciales del gap superconductor, gobernadas por estados multifractales, ha sido desarrollado por el Prof. Antonio M. García-García. En esta tesis estudiamos el momento magnético que mantiene un solo átomo cuando en una superficie aislante, o bien incorporado a una molécula orgánica. La interacción con el sustrato marca el espín total y su configuración de anisotropía magnética. Incorporando una superficie superconductora, investigamos los canales de acople entre la impureza magnética y el sustrato. Finalmente, estudiamos un nuevo superconductor bidemensional que muestra extrema sensibilidad a niveles débiles de desorden.

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Hydrogen and lithium under high pressure.

BORINAGA TREVIÑO MIGUEL

Zuzendariak:
BERGARA JAUREGUI, AITOR;
ERREA LOPE, ION
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

In this thesis we present a first-principles analysis of the electronic, vibrational and superconducting properties of solid hydrogen and lithium under high pressure based on density functional theory (DFT). The main goal of this thesis is to provide an accurate theoretical description of lithium and hydrogen focusing on the regions of their respective phase diagrams where the superconducting properties, which are still potential in the case of hydrogen, emerge. With this in mind, we have presented electronic and vibrational spectra along with the coupling between the electronic and nuclear subsystems in order to obtain the superconducting properties of the analyzed materials. While our calculations rely on the DFT framework, we have accurately included the quantum behavior of the nuclei and anharmonic effects arising due to the lightness of the elements. For that purpose, we have used the stochastic self-consistent harmonic approximation, which accounts for quantum nuclear and anharmonic effects in a non- perturvative variational way.

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Optoelectronic properties in heterostructures of 2-dimensional materials

MORQUILLAS AZPIAZU MARIA NIEVES

Zuzendariak:
PASCUAL CHICO, JOSE IGNACIO
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

Esta tesis presenta un estudio detallado de las propiedades optoelectrónicas de materiales confinados en 2 dimensiones. Principalmente se estudian materiales de la familia de los dicalcogenuros de metales de transicion (TMDs). Las propiedades de estos materiales se pueden modificar con relativa facilidad por lo que actualmente aparecen como el futuro en campos de optoelectrónica, almacenamiento o codificación de la información (valleytronics). En esta tesis caracterizo las propiedades optoelectrónicas de las barreras de potencial creadas en dispositivos de monocapas atomicas de MoS2 y de heteroestructuras creadas conectando diferente número de capas de MoS2 o entre MoS2 y el superconductor NbSe2. El índice ON/OFF obtenido para ambas heteroestructuras es considerablemente superior a otros dispositivos. El estudio se realiza con diferentes técnicas de microscopia entre las que se encuentran, scanning photocurrent microscopy (SPCM) o tip enhanced photocurrent microscopy (TEPC), entre otras. Una nueva propiedad descubierta en este tipo de materiales es la aparición de un grado de libertad extra conocido como pseudo-spin o valle. Para un número impar de capas, la simetría de inversión esta rota lo que permite acceder y modificar este grado de libertad extra. La forma de detector y modicifar el valle es mediante la aplicación de campos magnéticos y mediante el uso de luz polarizada circularmente. Aquí intentamos modificar el valle en WSe2 sobre un sustrato ferrimagnético que tiene una estructura de dominios magnéticos (YIG).

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Chain dynamics in crosslinked filled and unfilled polymer blends of different miscibility

ORTEGA ALVAREZ, LUCIA

Zuzendariak:
CERVENY MURCIA, SILVINA;
SCHWARTZ POMERANIEC, GUSTAVO ARIEL
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

En ésta tesis se han analizado compuestos vulcanizados de caucho natural (NR), caucho de butadieno (BR), caucho de estireno-butadieno (SBR) con diferentes microestructuras, y caucho de estireno-butadieno con funcionalización terminal de cadena (fSBR). Se han analizado compuestos sin carga y compuestos cargados con partículas de sílice así como también mezclas de cauchos con diferentes concentraciones. Las principales técnicas utilizadas fueron: espectroscopía dieléctrica (BDS), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Adicionalmente, se utilizaron técnicas complementarias como la espectroscopía de dispersión de rayos-X (EDX), y la microscopía electrónica de transmisión (TEM). En el caso de las mezclas inmiscibles se ha propuesto una extensión del modelo de Adam Gibbs (AG) para describir las dinámicas segmentales de mezclas de polímeros con interacciones fuertes, obteniendo una descripción bastante precisa. Así mismo se ha estudiado un proceso observado por BDS cerca de la relajación segmental del SBR y del fSBR, y su origen ha sido atribuido a la presencia de uno de los acelerantes incluidos en la formulación. En el caso de las muestras inmiscibles, se ha estudiado su morfología y se ha caracterizado su estructura, y sus propiedades térmicas y dinámicas, observando variaciones para el caso del fSBR, así como en su módulo mecánico. Éstos cambios han sido atribuidos a una distribución no homogénea de los aditivos dentro de la fase del fSBR.

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Single-chain nanoparticles: exploring novel synthesis Routes, basic properties and potential applications

GONZALEZ BURGOS, MARINA

Zuzendariak:
ARBE MENDEZ, MARIA ARANZAZU;
POMPOSO ALONSO, JOSE ADOLFO
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2017
Laburpena:

La manipulación de cadenas de polímeros individuales, específicamente el plegamiento intra-molecular para dar lugar a nanopartículas bien definidas denominadas ¿nanopartículas unimoleculares¿, es una vía de particular interés que está en continuo crecimiento. Dicha área de investigación es conceptualmente simple, pero posee resultados prometedores en muchos sistemas con comportamiento complejo. En esta tesis tratamos de avanzar en este campo evolutivo mediante la exploración de nuevas rutas de síntesis para el desarrollo de nanopartículas funcionales unimoleculares y mediante la realización de experimentos de `prueba de concepto¿ que sirven para demostrar su posible uso en aplicaciones potenciales, tales como nanomedicina. Además, queremos proporcionar un conocimiento más profundo acerca de las propiedades básicas de estos nano-objetos, ya que es de suma importancia a la hora de establecer una relación fiable entre la estructura y sus propiedades.

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Magnetic properties of Co on different environments

GALLARDO ARRIETA, IKER

Zuzendariak:
ARNAU PINO, ANDRES;
DELGADO ACOSTA, FERNANDO
Kalifikazioa:
Bikain
Urtea:
2019
Laburpena:

We combine density functional theory (DFT) calculations and a multiorbital many-body Hamiltonian approach to shed light on magnetic properties of Co adsorbed on h-BN depending on the adsorption site. These methods reveal an out-of-plane easy axis anisotropy for atop N site and hard axis for hollow site, with an electronic configuration close to 3d8, corresponding to a spin S = 1. Then, we compare our results with x-ray absorption spectroscopy (XAS), x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and x-ray magnetic linear dichroism (XMLD) measurements on Co/h-BN/Ir(111) and Co/h-BN/Ru(0001). XAS and XMCD data show large (14 meV) out-of-plane anisotropy for Co/h-BN/Ru(0001) and almost isotropic for Co/h-BN/Ir(111), while both have an electronic structure compatible with spin S = 1. We use this information to determine the atop N adsorption of Co on h-BN/Ru(0001) and hollow for the Co on h-BN/Ir(111). XMLD data together with DFT and multiorbital Hubbard model results suggest that the different adsorption sites induce dissimilar anisotropy of Co. Finally, we explain from DFT calculations the counterintuitive downward shift of the Au(111) surface state measured by angle resolved photo-emission spectroscopy (ARPES) when two homothetic Co-coordinated metal-organic nanoporous networks (MONN) are self-assembled. We associate this effect to the weak Co-substrate hybridization and show that it appears with different adatoms and substrates.

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Theory of plasmon-enhanced spectroscopy of molecular excitations: infrared absorption, fluorescence, and Raman scattering.

NEUMAN , TOMAS

Zuzendariak:
AIZPURUA IRIAZABAL, FRANCISCO JAVIER
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

Esta tesis trata sobre la interacción entre las excitaciones moleculares, los plasmones y la radiación electromagnética, en un amplio abanico de situaciones que incluyen la interacción entre vibraciones moleculares y radiación infrarroja, así como la excitación y emisión de transiciones electrónicas en moléculas colorantes, en el contexto de la espectroscopia infrarroja aumentada por superficies (SEIRS), la fluorescencia aumentada por superficies (SEF) y la dispersión Raman aumentada por superficies (SERS). Para describir la interacción luz-materia se desarrollan tanto herramientas clásicas como la teoría cuántica. Algunos resultados de esta tesis, tales como la optimización de la señal producida en la espectroscopia infrarroja aumentada por superficie, tienen importancia práctica directa, otros resultados apuntan a aspectos más fundamentes de la interacción entre luz y materia. Los detalles de la compleja dinámica de las vibraciones moleculares bajo estimulación óptica, o la dinámica de la emisión de luz involucrando los estados híbridos de luz y materia, es decir, los polaritones, pueden servir como claros ejemplos de este último aspecto. Los resultados de esta tesis aspiran a servir como inspiración de futura investigación teórica y experimental adicional sobre los fenómenos en ella descritos.

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Theory of ultrafast electron transfer from localized quantum states at surfaces .

MULLER , MORITZ

Zuzendariak:
SANCHEZ PORTAL, DANIEL
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

The ability of materials to transfer electrons is a basic property controlling the functionality and performance of devices at the nanoscale. Of particular importance is the tranfor of electros at surfaces as a fundamental process in catalytic and photocatalytic applications. This work aims along these lines at a theoretical description of resonant charge injection at surfaces using a combination of density functional theory and Green's functions. A close comparison with available data from core-hole-clock experiments is maintained throughout the work and confirms the validity and predictive power of our first-principles approach. This is demonstrated on the basis of three prototypical systems where we study fundamental aspects of charge transfer, providing additional, often complementary information to the interpretation of the experiments. First, we present a detailed study of the effects of structural fluctuations on elastic charge transfer for isonicotinic acid adsorbed on rutile (110) in relation to photovoltaic applications. Second we explore spin-dependent charge injection from core-excited argon resonances on Co(0001) and Fe(110), with possible implications for spintronics. Third, we examine the directionality of charge transfer from sulfur related resonances at surfaces of layered 1T-TaS2 in the commensurate charge density wave phase.

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Electronic and spintronic devices using two-dimensional materials

OLIVEIRA RIBEIRO, MARIO ALBERTO

Zuzendariak:
CASANOVA FERNANDEZ, FELIX;
HUESO ARROYO, LUIS EDUARDO
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2017
Laburpena:

Ever since in 2004 atomically-thin two-dimensional van der Waals materials became available to the scientific community, at the reach of manual microexfoliation techniques, their implementation in novel device structures and concepts promised disruptive new applications and motivated research in a vast range of fields. Confined to the thinnest possible thickness, electrons in these materials exhibit a plethora of electronic properties, from semiconducting MoS2, to superconductor NbSe2, dielectric BN, and, jack-of-all trades, graphene. In this thesis, we explore fundamental and applied aspects of chemical vapor deposition (CVD) graphene, MoS2, and WSe2 using electronic device structures that use them as transporting channel, namely field-effect transistors (FETs), Hall bars, and diodes. MoS2 is a n-type semiconducting 2D vdW that complements one of the weak aspects of graphene-based transistors, which is the small ratio between the maximum current output and of the minimum current output of the transistors. Using MoS2 we identify an electron doping constraint for performing stable magnetotransport measurements, and we investigate the origins of the strong current fluctuations of the FETs. We study the low-frequency noise (LFN) of the current output of devices made with different layer thicknesses, and use the strong light-matter interactions of MoS2 to employ photodoping techniques together with the electrostatic gating to dope the channel. By converging all these conditions, we are able to discern the mechanism behind the different types of LFN noise reported in literature for MoS2, while at the same time identifying a LFN crossover driven by photodoping. With p-type semiconducting WSe2 we optimize the electron and hole transport properties of ambipolar FETs by considering BN as a top and bottom interface substrate and encapsulation layer, respectively. By doing so, we are able to address to some extent the strong hysteretic effects that adversely affect the operation of WSe2 FETs on oxide substrates, and improve the overall device performance. The versatility of CVD graphene allows us to do both applied and fundamental studies, both related to spintronics and electronics. The unique properties of graphene make it a core material in the search of full-electrical approaches to generate, transport, and detect spin currents without the use of magnetic elements. Using a Hall-bar shaped sample, non-local signals in graphene have been demonstrated to be associated with spin transport. In our case, we use the large area availability of CVD graphene to study non-local effects in an unlikely scenario for the transport of spins. We study the non-local signals of millimeter sized Hall-bars of CVD graphene, and by doing a systematic study as a function of device scale, from macro-to-microscale we identify a mechanism that cannot be connected with spin diffusion that also leads to large signals. By evaluating the microscopic details of the samples, and the different effects observed, we propose a mechanism mediated by grain boundaries to drive such effects. In a more applied manner, we use CVD graphene for two other types of devices. First, we study the use of graphene as an electrode material for lateral and vertical field-effect transistors that operate using organic channels, and determine that the low density of states of graphene allows for unscreened electric fields to reach the organic layer and enable the transistor operation in the vertical geometry. The second applied study is the large-scale fabrication of diodes using CVD graphene. Benefiting from the ultra-thin cross section of graphene, and using a lateral geometry we demonstrate the reliable fabrication of lateral metal/insulator/graphene diodes. The time constants determined from the direct-current analysis place the operation of the fabricated devices in the THz range. Additionally, the material combination considered enabled large current densities based on field-emission processes.

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Enhancing resolution, efficiency, and understanding in IR and THz near-field microscopy

MASTEL , STEFAN

Zuzendariak:
HILLENBRAND , RAINER
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

La microscopía óptica de dispersión de campo cercano (s-SNOM) y la espectroscopía de infrarrojo por trsnformada de Fourier (nano-FTIR) resuelta a escala nanométrica son técnicas de caracterización bien establecidas y fiables que proporcionan una resolución a nanoescala muy por debajo del límite de difracción de la microscopía clásica. Sin embargo, las posibles mejoras con respcto a la resolución espacial, la sensibilidad o interpretació de los espectros de campo cercano medidos y los contrastes materiales aún no se han coloreado en gran medida. Dado que tanto el s-SNOM como el nano-FTIR se basan en la interacción de campo cercano entre una sonda de metal afilado iluminada con un rayo láser enfocado, así como el espécimen bajo inversión, todas estas propiedades dependen en gran medida del material y la geometría tanto de la sonda como de la muestra misma. Por lo tanto, una investigación exhaustiva y la comprensión de la influencia de la sonda y la muestra en los datos s-SNOM y nano-FTIR registrados es clave para la mejora de las técnicas. Para lograr este objetivo, esta tesis presenta sondas de campo cercano s-SNOM y nano-FTIR novedosas y fabricadas a medida, y utiliza sondas de prueba bien definidas para estudiar y mejorar significativamente la resolución, la eficiencia y el contraste espectral. Los experimentos presentados dan una nueva visión del proceso de formación de imágenes en s-SNOM, logran una resolución sin precedentes de 5 nm. y mejoran la eficiencia de las sondas de campo cercano de THz diez veces, mientras que todos los resultados presentados son corroborados por modelos numéricos.

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Functional magnetic materials prepared by rapid quenching.

MIÑO , JAKUB

Zuzendariak:
ZHUKOV EGOROVA, ARKADY PAVLOVICH
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Tesia Tutorekidetzan
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2017
Laburpena:

La presente tesis doctoral se fundamenta en la preparación de materiales magnéticos funcionales por el enfriamiento ultrarrápido y en la caracterización de sus propiedades. Los dos primeros capítulos son dedicados a la explicación teórica de la memoria de forma, la súper elasticidad, y la magnetorresistencia gigante. La memoria de forma es un proceso que permite al material deformado regresar a su forma original después del calentamiento térmico.

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Plasmons in nanoparticles: atomistic Ab Initio theory for large systems

BARBRY , MARC REGIS ANDRE

Zuzendariak:
KOVAL , PETER;
SANCHEZ PORTAL, DANIEL
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

El trabajo realizado en esta tesis doctoral se centra en la implementación de nuevos algoritmos y de su aplicación en diferentes tipos de nanoestructuras. El programa científico en el que se han llevado a cabo las extensiones es una implementación eficiente de la teoría funcional de densidad dependiente del tiempo, conocida como MBPT-LCAO. Las principales extensiones realizadas son las siguientes: implementación de la espectroscopía de pérdida de energía de electrones en el espacio real, mejora del procedimiento iterativo para permitir cálculos de gran tamaño sin precedentes, cálculo del campo eléctrico inducido e implementación de la espectroscopía de dispersión Raman. Estas implementaciones se han utilizado en agregados y agregados dímeros de sodio y plata, así como en nanotubos de carbono y nitruro de boro. Se han calculado tanto el espectro de absorción como los campos eléctricos inducidos para todos estos sistemas. De esta forma, este trabajo nos ha permitido entender mejor la respuesta de tales nanoestructuras bajo la influencia de una perturbación externa.

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Vapor phase infiltration (VPI) and doping of conducting polymers

WANG , WEIKE

Zuzendariak:
MATO , KNEZ
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2017
Laburpena:

In this thesis, the ¿ Vapor Phase infiltration ¿ (VPI), a vacuum based process derived from the atomic layer deposition (ALD), is used for the top-down infiltration and doping of various conducting polymers. In the first part of this thesis, a single precursor vapor phase infiltration (VPI) process to dope polyaniline (PANI) is presented. As dopants, the vaporized Lewis acidic precursors SnCl4 and MoCl5 were used at a process temperature of 150 °C. After 100 cycles, the MoCl5-infiltrated PANI showed the highest conductivity, 2.93 × 10-4 S/cm, which is a significant enhancement of up to 6 orders of magnitude in comparison to undoped PANI. SnCl4-infiltrated PANI showed highest conductivity after 60 cycles with a value of 1.03 × 10-5 S/cm. The second part of this thesis describes the single precursor VPI and doping of poly(3-hexyl)thiophene (P3HT). For the infiltration processes, the Lewis acid MoCl5 was used as precursor at a process temperature of 70 ¿C. The room-temperature I-V plots show a dependency on the VPI cycles numbers. The highest values show an increase of 5 orders of magnitude for the conductivity, namely from 1.44 ¿ 10-5 S/cm in the as prepared P3HT to 3.01 S/cm after infiltration 100 cycles In the last part of this thesis, the multiple pulsed vapor phase infiltration (MPI) process was applied to dope polyaniline (PANI). For the process, the two typical ALD precursors diethylzinc (DEZ) and deionized water (H2O) were used at a process temperature of 155 ¿C. The room-temperature I-V polts showed the conductivity of Zn-infiltrated PANI increasing to 18.42 S/cm, up to three orders of magnitude higher than obtained upon conventional doping with 1 M HCl in wet-chemical ways (8.23 ¿ 10-2 S/cm).

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Spin-to-charge current conversion in systems with spin-orbit coupling.

SAGASTA URRUTIA EDURNE

Zuzendariak:
CASANOVA FERNANDEZ, FELIX;
HUESO ARROYO, LUIS EDUARDO
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

This thesis is based on the experimental study of spin-to-charge current conversion (SCC) phenomena that occur in systems with spin-orbit coupling: spin Hall effect (SHE) and anomalous Hall effect (AHE). The main objective is to unveil the mechanisms that give rise to SCCs, in order to show the path to enhance the conversion efficiency for plausible technological applications. In the first part, the SHE is studied in Pt and Ta using the spin absorption technique. The weight of intrinsic and extrinsic mechanisms is extracted and a clear path to enhance the conversion efficiency is shown. Next, a Pt/graphene-based spin-to-charge current converter is explored where two orders of magnitude larger output signals, originated from SCC, have been obtained. In the second part, the relation between SHE and AHE is studied in 3d ferromagnets (FMs). The results show that both effects are not related by the current spin polarization of the FM, as it is generally assumed, and lead us to suggest the presence of an extra mechanism only in the SHE of 3d FMs. Finally, we analyse an interfacial mechanism that contributes to the AHE of Co when a Bi2O3 capping layer is added on top of the FM.

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Magneto-optical characterization of magnetic thin films and interface structures

RIEGO SAAVEDRA, PATRICIA

Zuzendariak:
BERGER , ANDREAS;
PITARKE DE LA TORRE, JOSE MARIA
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

Por medio de técnicas experimentales entre las que destacan el efecto Kerr magneto-óptico (MOKE) y una extensión del mismo, la elipsometría magneto-óptica generalizada (GME), investigo fenómenos relacionados con el magnetismo y la espintrónica en láminas finas metálicas fabricadas por medio de deposición catódica, recurriendo a la modelización numérica para interpretar los resultados. Por un lado, estudio la detección con GME de la acumulación de espín en la superficie de metales debido al efecto Hall de espín (SHE). Separando señales espurias de señales MOKE observo que estas últimas, relacionadas con el SHE, son mucho menores que las reportadas en la literatura previa. Por otro lado, investigo los efectos de una capa ultrafina de Ru sobre las propiedades magnéticas de Co con anisotropía magnetocristalina uniaxial en el plano. Observo que el Ru induce una rotación de la magnetización del Co fuera del plano en remanencia que explico con una modulación espacial de la interacción de Dzyaloshinskii-Moriya. Por último, exponiendo un material ferromagnético a un campo magnético externo que oscila, estudio cómo al variar el periodo del campo se da una transición de fase entre un estado dinámicamente ordenado y otro dinámicamente desordenado. Examinando el diagrama de fase de esta transición y comparándolo con el diagrama de fase de la transición de fase termodinámica convencional se observan diferencias anteriormente desconocidas

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Isolation, characterization and applications of nanocellulose produced by ancestral enzymes

ALONSO LERMA, BORJA

Zuzendariak:
ECEIZA MENDIGUREN, MARIA ARANZAZU;
PEREZ JIMENEZ, RAUL
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

Efficient, controlled and sustainable nanocellulose isolation is still a challenge with current methodologies. Enzyme hydrolysis shows up as a novel alternative, but yields are lower in comparison with chemical methods. To improve this process, we need new enzymes with higher performances. Here we propose the use of ancestral enzymes developed with ancestral sequence reconstruction (ASR); these had shown higher activity, stability and promiscuity than the extant ones, matching them ideally for biotechnology application. Here, we propose a method to produce high pure nanocellulose by ancestral endoglucanase hydrolysis. This method allows controlling nanocellulose size and maintains the native cellulose structure where the chemical or mechanical methods fail. This enzymatic nanocellulose shows higher crystallinity and thermostability than a commercial nanocellulose sample produced by acid sulfuric treatment. The optimized protocol was used to isolate nanocellulose from lignocellulosic substrates. In this case we used treatments with addition of different ancestral enzymes as xylanase and lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO), to help ancestral endoglucanase hydrolysis. We achieved nanocellulose isolation from two lignocellulosic pulps with different properties. Also, we observed how LPMO produced nanocellulose oxidation. Here, we propose LPMO as substitution of chemical oxidation of cellulose, demonstrating that the enzymatic method can substitute both nanocellulose isolation and modification by chemical methods. The enzymatic nanocellulose can be used in high performance tailored materials. In this work we studied our nanocellulose in two different applications. The first one was as reinforcement for thermoplastic materials, in our case waterborne polyurethane (WBPU). As control we used commercial nanocellulose produced by sulfuric acid. We observed that small nanocellulose addition produced nanocomposites with higher thermal and mechanical properties, and nanocomposites with our nanocellulose had better properties than the ones prepared with the acid hydrolyzed nanocellulose. Moreover, we introduced the enzymatic nanocellulose to manufacture conductive nanopapers with graphene addition by two different strategies. We produced nanopapers with high thermal, mechanical and conductive properties by mixing enzymatic nanocellulose with different concentration of reduced graphene. Moreover, by graphene chemical vapor deposition (CVD) over a nanocellulose film we manufactured transparent conductive films, as substitution of plastic or metal substrates

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New synthetic routes, topologies and physical properties of single-chain nanoparticles.

RUBIO CERVILLA, JON

Zuzendariak:
POMPOSO ALONSO, JOSE ADOLFO
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

Esta tesis presenta un trabajo exhaustivo en torno a las nanopartículas poliméricas unimoleculares (SCNPs, por sus siglas en inglés). La combinación de técnicas de síntesis de polímeros de vanguardia y técnicas de caracterización avanzadas nos ha permitido: 1. Establecer nuevas rutas sintéticas para obtener SCNPs. 2. Sintetizar SCNPs con nuevas topologías. 3. Estudiar con profundidad las propiedades físicas de las SCNPs. Los Capítulos 1 y 2 introducen este emergente campo y proporcionan una revisión de los conceptos fundamentales, los métodos de síntesis actuales, las aplicaciones potenciales y algunas de las técnicas de caracterización más utilizadas. Los tipos de instrumentos y las configuraciones utilizadas en el presente trabajo se recogen en el Capítulo 2. El Capítulo 3 presenta una novedosa fusión de la polimerización por apertura de anillo zwitteriónica y la reacción de acoplamiento tiol-ino fotoactivada, que supone una interesante nueva ruta de obtención de SCNPs. Las SCNPs se obtuvieron a partir del terpolímero poly(THF-GPgE-GPE) con distintas proporciones de monómeros, y presentaron un mayor grado de compactación en el polímero con más unidades entrecruzantes. Para comprender mejor los procesos de polimerización y de formación de nanopartículas se emplearon técnicas avanzadas de caracterización que incluyen la cromatografía por permeación de gel con triple detección, resonancia magnética nuclear de protón y carbono, espectroscopía infrarroja, microscopía electrónica y calorimetría diferencial de barrido. El trabajo detallado en el Capítulo 4 tiene como objetivo la síntesis de SCNPs con una topología nueva: las nanopartículas poliméricas unimoleculares cíclicas, formadas a partir de anillos poliméricos. Esta arquitectura es reminiscente de los ciclótidos: péptidos cíclicos estabilizados por puentes disulfuro intramoleculares. Las nanopartículas cíclicas son finalmente obtenidas mediante la combinación de reacciones de polimerización controlada, reacciones hetero Diels-Alder fotoactivadas y química ¿click¿ catalizada por cobre. Las nanopartículas resultantes son caracterizadas detalladamente mediante técnicas de cromatografía de exclusión por tamaño, resonancia magnética nuclear, espectroscopía de infrarrojo y espectroscopía UV-Visible. El Capítulo 5 incluye un estudio cuantitativo de la compactación que tiene lugar tras la formación de SCNPs reversibles. Mediante un argumento de tipo Flory, proponemos una expresión que permite una estimación a priori de la reducción de tamaño que se da tras compactar cadenas unimoleculares. Se incluye también una comparación de los resultados obtenidos con dicha expresión con una extensa recopilación de datos bibliográficos (72 SCNPs, 22 tipos de interacciones reversibles). Finalmente, el Capítulo 6 presenta un método para obtener SCNPs totalmente deuteradas partiendo de monómeros e iniciadores disponibles comercialmente. La ruta sintética incluye una sencilla polimerización de apertura de anillo en ¿bulk¿, una reacción de azidación para funcionalizar el polímero y una reacción de descomposición del grupo azida asistida mediante luz ultravioleta que promueve las reacciones de entrecruzamiento intramoleculares necesarias para la obtención de SCNPs. También se realiza un estudio exhaustivo de las propiedades estructurales y dinámicas de fundidos de estas nanopartículas, combinando técnicas de caracterización tales como dispersión de neutrones elástica y cuasielástica, espectroscopía dieléctrica, medidas de reología y calorimetrías. El estudio muestra, a nivel microscópico, una ralentización de las dinámicas colectivas asociada a heterogeneidades estructurales con una distancia característica de alrededor de 1 nm. A nivel macroscópico, se observa na desaparición prácticamente completa del ¿techo elástico¿, que contrasta con el fenómeno opuesto observado en la vulcanización, en el que se genera una estructura de tipo sólido permanente.

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On-surface synthesis and electronic structure characterization of grafphene nanoribbons.

MERINO DIEZ, NESTOR

Zuzendariak:
GARCIA DE OTEYZA FELDERMANN, DIMAS;
PASCUAL CHICO, JOSE IGNACIO
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

Esta tesis expone un estudio detallado sobre la síntesis en superficie de nanotiras de grafeno (en inglés 'Graphene Nanoribbons', GNRs) y la posterior caracterización de su estructura electrónica, principalmente empleando como técnica analítica, microscopía y espectroscopía de barrido de efecto túnel de baja temperatura (en inglés 'Low temperature-Scanning Tunnneling Microscopy/Spectrosocopy', LT-STM/STS) en condiciones de ultra alto vacío (en inglés 'Ultra High Vacuum', UHV). El trabajo realizado durante esta tesis se enmarca dentro del campo científico conocido como 'nanociencia', definiendose esta como la rama de la ciencia centrada en el estudio de los fenómenos físico-químicos que se suceden en sistemas cuyas propiedades están gobernadas por las dimensiones que las definen, comprendiendose estas entre 1 y 100 nanometros. Un material que ilustra magnificamente esta nueva revolución en la ciencia es el grafeno.

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Mid-infrared nanophotonics with hyperbolic phonon polaritons.

ALFARO MOZAZ, FRANCISCO JAVIER

Zuzendariak:
HILLENBRAND , RAINER;
NIKITIN , ALEXEY
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

El nitruro de boro hexagonal (h-BN) es un material especialmente interesante en óptica subdifracional en el infrarrojo medio. h-BN es un cristal polar que exhibe fonón-polaritones en sus dos bandas Reststrahlen en el infrarrojo medio. En estas bandas, debido a su estructura cristalina anisótropa, únicamente una de las componentes del tensor de permitividad (que es uniaxial) posee signo negativo. Como consecuencia, la propagación de luz a en nitruro de boro en forma de fonón-polaritones hiperbólicos. En esta tesis estudiamos dos de las nanoestructuras más fundamentales en fotónica: nanoantenas lineales y cristales polaritónicos. Las nanoantenas lineales pueden ser analizadas como guías de onda polaritónicas truncadas, que son resonantes cuando el modo polaritónico cumple la condición de Fabry-Pèrot. Las nanoantennas de h-BN son analizadas usando esta interpretación. Un cristal polaritónico, de manera análoga a un cristal fotónico, es una nanoestructura periódica que soporta polaritones, en la que el periodo del patrón es similar a la longitud de onda del polaritón. Estudiamos un cristal polaritónico bidimensional fabricado a partir de una capa fina de h-BN, cuyo modo polaritónico más relevante es un fonón-polariton hiperbólico confinado en la capa fina.

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Computational methods to solve many-body problems from first priciples: a focus on the electron-phonon interaction.

LAFUENTE BARTOLOME, JON

Zuzendariak:
EIGUREN GOYENECHEA, ASIER;
GARCIA DE GURTUBAY GALLIGO, IDOIA
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

Los cálculos desde primeros principios, también denominados cálculos ab initio, están adquiriendo un papel fundamental en el proceso de diseño y desarrollo de nuevos materiales, pues pueden aportar comprensón a nivel atómico de diversas propiedades macroscópicas tales como la conductividad eléctrica o la absorción óptica. Sin embargo, cuanto más precisa sea la predicción que se desee hacer, los distintos procesos cuánticos que gobiernan dichas propiedades han de ser estudiadas con más detalle. En este sentido, la interacción electrón-fonón, que juega un papel fundamental en las propiedades de transporte de los materiales, plantea complicaciones muy serias a la hora de incorporarlo en los cálculos desde primeros principios. Esto se debe a su carácter intrínseco de interacción de muchos cuerpos auto-consistente, donde las vibraciones de la red cristalina perturban el estado de base electrónico creando una respuesta colectiva, que a su vez genera una renormalización de las propiedades de los electrones. En esta tesis, desarrollamos distintos métodos computacionales con el fin de poder predecir fenómenos físicos relacionados con la interacción electrón-fonón de una manera mucho más eficiente. En particular, trataremos el problema de respuesta electrónica en superficies con importantes correcciones relativistas, la renormalización de cuasipartículas electrónicas a causa de la interacción electrón-fonón, y el cálculo de la temperatura de transición al estado superconductor mediado por dicha interacción. Los métodos desarrollados suponen una mejora sustancial en eficiencia en comparación con los procedimientos convencionales, permitiéndonos explorar regímenes y problemas nunca antes abordados.

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Quantum transport in nanowires with spin-orbit interaction: effect of quasi-bound states.

PASCUAL GIL ALBA

Zuzendariak:
BERGERET SBARBARO, F.SEBASTIAN;
HOLOVACH , VITALY
Kalifikazioa:
Bikain
Urtea:
2020
Laburpena:

En esta tesis abordamos este tema y presentamos un estudio teórico exhaustivo del transporte electrónico en nanohilos cuánticos semiconductores con interacción espín-órbita en la presencia de impurezas. Modelamos el nanohilo cuántico como un sistema cuasi-unidimensional en el que el movimiento de los electrones está confinado en la dirección perpendicular a la de propagación. La competición entre la interacción espín-orbita, el confinamiento lateral y la impureza hace que el problema sea altamente notrivial. Para hacer frente a este problema usamos una combinación de técnicas y aproximaciones que nos permiten identificar novedosas propiedades del transporte de carga y del transporte de espín. Específicamente, describimos la conductancia mediante el formalismo de Landauer-Büttiker, extendiéndolo para el caso de campos dependientes del espín. Describimos el transporte a traves de este formalismo en función de los coeficientes de scattering. Para calcular los coeficientes de la matriz de scattering usamos la ecuación de Lippmann-Schwinger, un método ampliamente usado en el tratamiento del scattering en la mecánica cuántica.

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Vapour phase modification of kevlar fibres

AZPITARTE IRACULIS, ITXASNE

Zuzendariak:
MATO , KNEZ
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

Nature has always been a great source of inspiration for the human being in general and for material scientists in particular. Over millions of years of evolution, nature has developed different strategies to adapt the properties of biomaterials to different specific needs. Among these strategies, the intercalation of inorganic fractions into organic matrices plays a critical role in the performance of many biomaterials. These hybrid organic-inorganic materials have attracted researchers interest over the past years. Hybrid materials present unique properties, bridging the gap between the organic materials (such as polymers) and inorganics (metals and ceramics). Most of the existing approaches for the synthesis of hybrid materials are carried out in liquid phase, which has some drawbacks such as the need of post processing treatments for the elimination of the residual solvent. The vapour phase approaches have demonstrated to be an efficient and reliable alternative for the synthesis of hybrid materials. Vapour Phase Infiltration (VPI), a modification of Atomic Layer Deposition (ALD), has been successfully used for the infiltration of metal oxides into polymeric matrices, thus creating hybrid materials. The initial target of this approach was the improvement of the mechanical properties. However, it has later been demonstrated that the hybridization of polymers with metal oxides leads to the modification of many other properties. Among others, high strength polymers, such as Kevlar, are great candidates for the vapour phase hybridization with a metal oxide. These polymers have a highly ordered crystalline structure, which is responsible for their outstanding properties. This makes their post synthetic functionalization difficult. However, high strength polymers are extremely sensitive to UV and high temperatures, so they need to be protected. Coating the polymeric fibres with a resin or a metal oxide, which is the so far used strategy, shows several drawbacks such as induced brittleness of the polymer and possible detachment of the coating. In the first part of this thesis, the hybridization of Kevlar fibres with ZnO through VPI is studied and compared to ZnO ALD coated fibres. The VPI process is carried out with 200 deposition cycles at 150 ºC, using diethylzinc and water as precursors. As a consequence of the hybridization, a hybrid Kevlar-ZnO material is created in the subsurface area of the fibres. The structure of this hybrid material is theoretically and experimentally characterized, consisting of ZnO clusters grown among covalently cross-linked Kevlar chains. Thanks to the substitution of the original hydrogen bonds by N-Zn-O bonds, the infiltrated fibres show an increase of 8 ºC in their degradation temperature. Besides, the mechanical properties of the fibres are tested together with their stability against UV irradiation. The infiltrated fibres maintain 90% of the modulus of toughness of untreated Kevlar. When exposed to UV light, the untreated Kevlar fibres lose more than 50% of their toughness. The ZnO coated fibres, prepared for comparison, suffer an enhanced photodegradation when exposed to UV light as a consequence of the photocatalytic activity of the ZnO film deposited on the surface of the polymer. However, the ZnO infiltrated fibres do not show any degradation of their mechanical properties after being irradiated with UV light. Therefore, it is demonstrated that thanks to the hybridization of Kevlar fibres with ZnO through VPI the thermal and UV stability of the polymer is enhanced. In the second part of this thesis a new ALD/VPI combined process is used for the optimization of the results presented in the previous part. With this combined ALD/VPI process a polymeric substrate can be coated with a metal oxide and infiltrated with a different metal oxide within a single process. In this case, Kevlar fibres coated with Al2O3 and infiltrated with ZnO are prepared and studied. The Al2O3 coating resulted in the enhancement of the modulus of toughness by 10%, while the ZnO-Kevlar hybrid created in the subsurface area supressed the UV sensitivity of the fibres. Thus, Kevlar fibres with an enhanced modulus of toughness and UV radiation resistance are created. In the last part of this thesis, the effect of the ZnO infiltration on the electronic properties of Kevlar is analysed. Theoretical DFT calculations predict a conversion of the benzenoid rings of Kevlar to quinoid rings resulting in a shift of the energy band gap towards lower energies. The change in the ring structures is experimentally proven by nano-FTIR and the band gap shift by UV-Vis spectroscopy. The shift in the band gap results in enhanced electrical conductivity of the ZnO infiltrated fibres, which is maintained even after bending the fibres and removal of the contribution from the coating to the conductivity. The conductivity of the hybrid fibres can be tuned by changing the exposure time or the number of infiltration cycles. However, in both cases a threshold value has to be overcome to observe a significant improvement. Moreover, the generation of photocurrent when illuminating the hybrid fibres with visible light is also studied. Finally, the ZnO infiltrated Kevlar fibres show also photocatalytic activity when illuminated with visible light, further confirming the shift of the electronic band gap with the creation of the hybrid material. The photocatalytic activity, which is tuneable with the number of infiltration cycles, is studied by following the degradation of Rhodamine B.

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Molecular assembly and reactions on surfaces characterized by low-temperature scanning probe techniques.

BARRAGAN DURAN, ANA ISABEL

Zuzendariak:
VITALI , LUCIA
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

En esta tesis describo las propiedades estructurales y electrónicas que surgen del ensamblado y las reacciones químicas de moléculas orgánicas en superficies metálicas, usando herramientas de caracterización local. El objetivo es lograr estructuras moleculares, donde diferentes grupos funcionales son integrados con precisión, para obtener redes con alta conductividad eléctrica. El punto de partida de este trabajo es la elección de moléculas prototípicas usadas en electrónica orgánica. Estas moléculas están enriquecidas por átomos de azufre (S) y nitrógeno (N), que determinan sus propiedades electrónicas, y además están funcionalizadas con átomos de bromo (Br), haciéndolas adecuadas para la formación de polímeros mediante la reacción de Ullmann. Además, el azufre proporciona un punto de anclaje fuerte y estable con el sustrato. Por lo tanto, la interacción específica de los átomos de Br y S con el sustrato de soporte puede resultar en interacciones competitivas. De la misma manera, dos sustratos con diferente simetría y propiedades catalíticas han sido usados. Los precursores moleculares investigados se denominan dibromobenzothiadiazole (2Br-BTD) y bromo-mercaptobiphenyl (Br-MBP), y han sido depositados sobre las superficies de Cu(110) y Au(111). Los resultados proporcionados en esta tesis tienen implicaciones importantes en el campo de la electrónica orgánica, y en el desarrollo de futuros nano-dispositivos.

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Magnetic-impurity-induced bound states in ß-Bi2Pd

ZALDIVAR FERNANDEZ, JAVIER

Zuzendariak:
ORTEGA CONEJERO, JOSE ENRIQUE;
PASCUAL CHICO, JOSE IGNACIO
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

En este trabajo, empleamos el Microscopio de Efecto Túnel (STM, por sus siglas en inglés) y la Espectroscopía de Efecto Túnel (ST) para estudiar las propiedades de los estados Yu-Shiba-Rusinov. Utilizando puntas superconductoras, investigamos las características de los estados YSR de varios metales de transición en ß-Bi2Pd un superconductor de tipo II con una estructura de bandas inusual. A través del análisis de la energía y la distribución espacial de las excitaciones de baja energía, evaluamos la influencia de la estructura de bandas y el acople magnético en los estados YSR. En la primera parte, describimos las propiedades del ß-Bi2Pd y estudiamos el scattering entre bandas usando la interferencia de cuasipartículas. Después, evaporamos V en la superficie y mostramos que induce excitaciones YSR extendidas. Combinando el cocimiento de los procesos de scattering entre bandas y la distribución espacial de estos estados, identificamos la banda a través de la cual el V interactúa con el superconductor y derivamos propiedades de esa banda. Después, usamos átomos de Mn para construir estructuras con átomos en distintas configuraciones e investigamos la presencia de acople magnético y su efecto en los estados YSR. En la última sección, caracterizamos los modos vibracionales de Hidruros de Vanadio para mostrar cómo otros mecanismos modifican los estados YSR.

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Theoretical approach to atomic-scale nanoplasmonics as probed by light and swift electrons

URBIETA GALARRAGA, MATTIN

Zuzendariak:
AIZPURUA IRIAZABAL, FRANCISCO JAVIER;
ZABALA UNZALU, MIREN NEREA
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021
Laburpena:

This thesis tackles the theoretical description of atomic-scale features in plasmonic nanostructures as probed by light and swift electrons. Plasmonic nanostuctures are known to localize and enhance electromagnetic fields in their proximity, and thus serve as building blocks to perform improved and enhanced molecular spectroscopy on them. We focus on the analysis of the effect of atomic-scale features in the overall response of plasmonic nanoparticles and nanocavities. We apply ab initio atomistic quantum time-dependent density functional theory (TDDFT) to unveil the near-field distribution around metallic antennas, and describe "classically" various atomic-scale features such as continuous protrusions on the surfaces of the metal using a Boundary Element Method (BEM), providing an extra localization of the field. Moreover, we propose an analytical model to address the signal increase observed in surfaceenhanced Raman scattering (SERS) spectra related to local variations of the electron density associated to atomic-scale defects. Last, we identify the excitation of confined bulk plasmons (CBP) within the TDDFT calculations for the electron energy loss (EEL) probability of atomistic clusters, and provide a semi-analytical expression within a Hydrodynamic Model (HDM) to address such excitations.

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Theoretical description of low-energy excitations in nanostructures as probed by fast electrons

KONECNA , ANDREA

Zuzendariak:
AIZPURUA IRIAZABAL, FRANCISCO JAVIER;
HILLENBRAND , RAINER
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

En esta tesis, se describe teóricamente cómo los haces de electrones rápidos enfocados interactúan con excitaciones de baja energía de interés en el campo de la nanofotónica: fonones ópticos, vibraciones moleculares, plasmones, excitones y modos de cavidad óptica resonante. Para ello, se utiliza la electrodinámica clásica con el fin de evaluar la pérdida de energía experimentada por la sonda de electrones debido a la interacción con dichas excitaciones, calculando los espectros de pérdida de energía de electrones (EEL) con resolución espacial en diferentes configuraciones. En los primeros dos capítulos se estudian las excitaciones fonónicas en capas delgadas infinitas y truncadas. Se muestra que un haz de electrones enfocado puede acoplarse con fonones-polaritones de baja energía en dichas nanoestructuras. Adicionalmente, se presenta un estudio sobre cómo la temperatura finita afecta los espectros de pérdida de energía. La espectroscopia EEL también puede utilizarse para interrogar moléculas, y por tanto, en la la tesis se explora la mejora de las huellas moleculares en los espectros mediante el acoplamiento con excitaciones plasmónicas. Por último, se estudia la excitación de los modos resonantes en nanopartículas dieléctricas mediante haces de vórtices de electrones que presentan el potencial de mejora de la señal magnética y del dicroismo en los espectros de EEL.

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Study, fabrication and characterization of Leaky Integrate and Fire single component artificial neurons based on Mott insulators.

ADDA , COLINE AXELLE MARIE

Zuzendariak:
STOLIAR , PABLO
Aipamenak:
Cum Laude
Tesia Tutorekidetzan
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

Since the 1960s, information technology has undergone a revolution due to the development of computers based on the Von Neumann architecture. While remarkably efficient for ultra-fast calculation, Von Neumann computers are outperformed by the mammal brain in several other data processing applications, such as data mining or pattern recognition. Neuromorphic computing aims at mimicking the brain behavior through the use of artificial neural networks. Since 2000, artificial intelligence is growing tremendously due to the development of artificial neural networks. These neural networks are mostly implemented at the software level on computers using the von Neumann architecture. As a consequence, they suffer from the main drawback of this architecture: energy consumption. A much more energy-efficient solution consists in implementing the neural network directly in the hardware, using both artificial neurons and synapses.

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First principles simulations of sodium-based battery materials.

ARCELUS ELCOROBARRUTIA OIER

Zuzendariak:
CARRASCO RODRIGUEZ, JAVIER
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

Las baterías de sodio son un grupo prometedor de dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica para aplicaciones donde el peso y volumen de la batería no es tan importante, por ejemplo en baterías estacionarias para la recolección de energía residual en fuentes renovables. Esta tesis trata de responder a una variedad de preguntas abiertas en baterías basadas en sodio. Para esto, usamos métodos de simulación basados en primeros principios, tales como la teoría funcional de densidad. La tesis está dividida en cinco capítulos. Los dos primeros capítulos introducen la motivación, características generales, y métodos teóricos presentes en el manuscrito. En los tres siguientes capítulos se desarrollan las temáticas de la tesis. En el tercer capítulo se analizan las propiedades energéticas, electrónicas y magnéticas de pequeños agregados de superóxidos alkalinos, presentes en los productos de descarga de las baterías de Na-aire. También se analiza la selección de diferentes disolventes electrolíticos como estrategia para mejorar la eficiencia de dichas baterías. En el cuarto capítulo se analiza la energética de las transformaciones de fase P2 ¿ O2 mediante mecanismos de deslizamiento de capas en óxidos laminares de metales de transición. Estas transformaciones de fase plagan los procesos de carga y descarga en baterías de Na-ión, de modo que encontrar estrategias para bloquear tales transformaciones es de sumo interés tecnológico. Por último, en el quinto capítulo analizamos las propiedades magnéticas del material polianiónico NaFePO4, que es otro compuesto alternativo para los cátodos de las baterías de Na-ión. Particularmente, se buscan indicios de que este compuesto permita albergar propiedades magnetoeléctricas, que pueden llegar a ser parasíticas en aplicaciones prácticas.

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Spin transport in magnetic insulator/heavy metal heterostructures.

GOMEZ PEREZ JUAN MANUEL

Zuzendariak:
CASANOVA FERNANDEZ, FELIX;
HUESO ARROYO, LUIS EDUARDO
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

La espintrónica busca aprovechar además de la carga, el espín del electrón, para generar, transportar y manipular la información de espín, con el objetivo de solucionar problemas de la tecnología actual. Actualmente hay ciertas limitaciones como el calentamiento por efecto Joule o las cortas longitudes de relajación de espín. Es por lo que surge una nueva generación de espintrónica basada en aislante eléctricos para el transporte y el almacenamiento de la información de espín ofreciendo la ventaja de la ausencia de corrientes eléctricas, reduciendo el consumo de energía y el calentamiento por efecto Joule. Para ello es necesario crear y detectar la información de espín, por ejemplo, usando materiales con fuerte acoplamiento espín-órbita en contacto con materiales magnéticos aislantes. En la intercara entre estos materiales ocurren numerosos fenómenos físicos que necesitan ser estudiados, en concreto esta tesis se centra en dos de ellos: (i) el estudio de la evolución de la imanación de superficie de distintos materiales magnéticos aislantes usando una técnica conocida como magnetorresistencia de espín Hall. En la cual también estudiamos el papel de la conductancia de mezcla de espín, que describe la calidad de la intercara. (ii) Transporte de información de espín a través de aislantes magnéticos, y esta información es transmitida por el material magnético gracias a la generación de ondas de espín que transportan la información de espín.

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Understanding of plasticizer effect on the temperature dependence of mechanical and dielectric relaxation function of polymers of interest for tire formulation.

GAMBINO , THOMAS LOUIS LUCAS

Zuzendariak:
ALEGRIA LOINAZ, ANGEL MARIA;
COLMENERO DE LEON, JUAN
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

Las propiedades dinámicas de los elastómeros en régimen lineal son una de las líneas de investigación centrales de Michelin. La comprensión del efecto del plastificante en la dependencia en temperatura de la relajación mecánica es un punto clave para mejorar el rendimiento de un neumático, en particular aumentar la adherencia durante el frenado y la disminución de la resistencia a la rodadura. De hecho, durante su período de uso, el neumático debe disipar la mayor cantidad de energía posible durante el frenado, sin embargo, debemos minimizar este proceso durante el rodamiento regular. Variar la temperatura de transición vítrea (Tg) del sistema permite modificar el dominio de la frecuencia y la temperatura en el que el material disipa la energía. Los resultados obtenidos en esta tesis doctoral permiten obtener una mejor comprensión de la dinámica de las mezclas de polímeros, así como la predicción de las propiedades mecánicas de alta frecuencia que podrían ser un punto determinante para facilitar una mejora significativa en el diseño de materiales con propiedades deseadas.

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Contribution to the theoretical description of N2 dynamics on W(100).

PEÑA TORRES, ALEJANDRO

Zuzendariak:
CRESPOS , CEDRIC;
JUARISTI OLIDEN, JOSEBA IÑAKI
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Tesia Tutorekidetzan
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

Elementary processes at the gas-solid interface are of great interest in many scientific domains. This molecule-surface reactions play a key role in the study of: heterogeneous catalysis processes, plasma-wal interactions in the context of thermonuclear fusion or atmospheric re-entries technologies, chemistry of atmospheric media, astrochemistry, surface funcionalization, etc. ... The main goal of this thesis work is to analyse the dynamics of several processes that occur when N2 molecules collide with a W (100) surface. The N2/w system constitutes one of the most emblemathic benchmark system in the surface science field. Quasi-classical molecular dynamics are performed making use of a potential energy surface based on density functional theory calculations that include non-local interactions such as van der Waals forces. Among the reactive processes studied, we focus on the characterization of the dissoviative and non-dissociative adsorption, non-reactive scattering and Eley-Rideal recombination. The non-adiabaticity of the dynamics was accounted for by introducing energy disspation channels to surface phonons and electron-hole pair excitations in the simulations.

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Anharmonic effects in thermoelectric and 2D materials.

ASEGUINOLAZA AGUIRRECHE UNAI

Zuzendariak:
BERGARA JAUREGUI, AITOR;
ERREA LOPE, ION
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

Estudio teórico de los efectos anarmónicos en materiales termoeléctricos y bidimensionales. En el caso de los materiales termoeléctricos SnSe y SnS, hemos visto que los efectos anarmónicos producen transiciones de fase de segundo orden donde la estructura cristalina se simetriza a altas temperaturas. En la fase de alta simetría, estos materiales tienen una conductividad térmica muy reducida, lo que los lleva a ser materiales termoeléctricos muy eficientes. Hemos estudiado también una monocapa de SnSe, donde hemos visto que la transición de segundo orden lleva el sistema a una fase sin centro de inversión. Ésto lo convierte en un material ferroeléctrico. Por último, hemos estudiado la estabilidad mecánica del grafeno y hemos visto que los efectos anarmónicos son clave para entender su estabilidad. También hemos visto que los efectos anarmónicos hacen posible la transmisión del sonido en el grafeno.

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Structure and Function in Single-Chain Nanoparticles

DE LA CUESTA LEONE, JULEN

Zuzendariak:
POMPOSO ALONSO, JOSE ADOLFO
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021
Laburpena:

Esta tesis profundiza en la comprensión de las nanopartículas poliméricas unimoleculares (SCNPs, por sus siglas en inglés) como nano-objetos blandos complejos con aplicaciones potenciales en varios campos, especialmente catálisis y detección. En particular, este trabajo cubre diferentes aspectos relacionados con la estructura y propiedades de las SCNPs como: i) el desarrollo de un modelo teórico de SCNPs elásticas que permita comprender el comportamiento de estas nanopartículas en solución y sobre superficies; ii) el diseño de SCNPs como nanoreactores avanzados para la síntesis de un polímero intrínsecamente conductor como el poli(etilendioxitiofeno) (PEDOT); iii) el diseño de SCNPs altamente fluorescentes por fotoactivación de copolímeros que contienen grupos funcionales diazo y un fluoróforo de emisión inducida por agregación (AIE) decorado con grupos azida; y iv) la síntesis de SCNPs que contienen fluoróforos ortogonales para autoreportar compactación intra-molecular y, cuando está presente o es inducida externamente, agregación inter-molecular. El Capítulo 1, como capítulo introductorio, resume varios conceptos relevantes para la comprensión de los resultados reportados en los Capítulos 3-6. El Capítulo 2 explica las técnicas e instrumentos utilizados en la caracterización de polímeros, SCNPs y productos utilizados o sintetizados en la tesis. El Capítulo 3 presenta un nuevo modelo para el cálculo del tamaño, la masa molar aparente y el factor de contracción de las SCNP elásticas en función de la longitud de la cadena del polímero, la fracción de monómero reactivo y la calidad del disolvente. El modelo se utiliza para estimar el tamaño de las SCNPs en diferentes superficies. En el Capítulo 4 se reporta la síntesis de SCNPs enzimo-miméticas, solubles en agua, compuestas por copolímeros de poli(oligo(etilenglicol)-metil-éter metacrilato-co-2-acetoacetoxietil metacrilato) [poli(OEGMA-co-AEMA)], por coordinación con iones ferrosos (Fe2+). Estas SCNPs se utilizan -por primera vez- como catalizadores para la síntesis de dispersiones de polímero intrínsecamente conductor PEDOT: PSS mediante polimerización oxidativa. El Capítulo 5 muestra la síntesis y caracterización de SCNPs fluorescentes mediante la fotoactivación de copolímeros de poli(metil metacrilato-co-2-acetoacetoxietil metacrilato) [poli (MMA-co-AEMA)] funcionalizados con grupos funcionales diazo. La emisión de fluorescencia se produce mediante la adición de un fluoróforo de emisión inducida por agregación (AIE) con grupos azida. El entrecruzamiento en las SCNPs se logra mediante la activación de los grupos azida y diazo al irradiarlos con luz ultravioleta. El Capítulo 6 presenta una ruta para la síntesis y caracterización de SCNPs de poli(MMA-co-AEMA) fluorescentes basada en la reacción de síntesis de dehidropiridinas de Hantzsch. El empleo de fluoróforos ortogonales permite reportar tanto el plegado, como la agregación de estas SCNPs. La compactación intramolecular que da lugar a las SCNPs se identifica mediante la formación de ésteres de Hantzsch fluorescentes, mientras que la detección de agregación intermolecular se produce a través de la incorporación de luminóforos AIE con fluorescencia en longitudes de onda desplazadas al rojo. Las principales conclusiones de la tesis se recogen en el Capítulo 7.

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Functionalization of particles by atomic layer deposition for energy storage applications

GARCIA GARCIA, SARAI

Zuzendariak:
BLAZQUEZ MARTIN,JOSE ALBERTO;
MATO , KNEZ
Aipamenak:
Cum Laude
Indistriako Tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

Los materiales en forma de pequeñas partículas son uno de los principales ingredientes en diversos procesos y aplicaciones industriales, gracias a sus relevantes propiedades con relación a su combinación de pequeño tamaño de partícula y a su gran área superficial. La funcionalización de dichas partículas, formando las conocidas ¿core-shell¿ modifica las partículas mejorando considerablemente su comportamiento y aportándoles valor añadido. El empleo de la tecnología de deposición de capa atómica (Atomic Layer Deposition, ALD) para la encapsulación de partículas mediante un recubrimiento, permite una mayor precisión en el control del espesor y la composición de la película depositada en comparación con otras técnicas de recubrimiento. Cabe destacar, la aplicación de la tecnología ALD para la fabricación y/o recubrimiento de componentes de sistemas de almacenamiento de energía, ofreciendo grandes avances tecnológicos. Las baterías de iones de litio son actualmente el tipo de batería más común en una amplia variedad de aplicaciones, dominando el mercado de la electrónica portátil y la electrificación del transporte y proporcionando una larga vida útil y alta densidad de energía. Sin embargo, la capacidad específica de este tipo de baterías es limitada y los materiales catódicos empleados selectos y difíciles de conseguir. Todos ello, ha llevado a los investigadores a buscar otros tipos de sistemas de baterías alternativas. Actualmente, las baterías de litio-azufre se han convertido en una alternativa prometedora debido al fácil manejo y extraordinarias propiedades del azufre como material catódico. Concretamente, el azufre muestra una densidad de energía teórica de 2600 Wh·kg-1, mucho mayor que la de las baterías de litio convencionales cuya densidad de energía teórica es de aproximadamente 300 Wh·kg-1. Sin embargo, las baterías de litio-azufre presentar varios inconvenientes que afectan su viabilidad y conducen a los investigadores a encontrar soluciones emergentes para el desarrollo de estas baterías con alta densidad de energía y estabilidad a largo plazo. En este caso, el empleo de la tecnología ALD mencionada anteriormente, puede aportar numerosos beneficios en el comportamiento de las baterías de litio-azufre. El objetivo de esta tesis se basa en el estudio y comprensión de la generación de recubrimientos mediante ALD en materiales en forma de partículas, prestando especial atención a materiales aptos para dispositivos de almacenamiento de energía. Para ello, se han recubierto partículas de tamaño micrométrico y nanométrico con óxidos metálicos, mostrando resultados prometedores y nuevas funcionalidades que no se habían observado con anterioridad. Mientras que en la primera parte de la tesis se hace un estudio inicial sobre el recubrimiento de partículas de óxido de hierro mediante ALD, para la formación de las mencionadas ¿core-shell¿ y su uso en diferentes aplicaciones, en la segunda parte de la tesis, se recubren materiales catódicos de baterías litio-azufre mejorando la capacidad y vida útil de este tipo de dispositivos de almacenamiento de energía.

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Light scattering from high refractive index nanostructures: Theory and applications

OLMOS TRIGO JORGE

Zuzendariak:
SAENZ GUTIERREZ, JUAN JOSE;
TCHOULKOV SAVKIN, EVGUENI VLADIMIROVICH
Aipamenak:
Nazioarteko tesia

Theory of spin-orbit interactions in electronic transport and light scattering at the mesoscale.

SANZ FERNANDEZ, CRISTINA

Zuzendariak:
BERGERET SBARBARO, F.SEBASTIAN;
SAENZ GUTIERREZ, JUAN JOSE
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021
Laburpena:

En esta Tesis, estudiamos los fundamentos teóricos de las interacciones de espín-órbita en dos de las ramas más prometedoras de la física de hoy en día, la espintrónica y la nanofotónica. Nos enfocamos en entender las posibles analogías entre ambas ramas y en la búsqueda de un posible lenguaje y modelo común para describir las interacciones de espín-órbita. El punto de partida común son las interacciones de espín-órbita que aparecen en problemas de dispersión tanto de electrones como de radiación electromagnética en impurezas aisladas. A partir de este estudio inicial, pasamos a profundizar en las interacciones en ambas ramas por separado. En la parte de nanofotónica, la accesibilidad de los experimentos de dispersión de impurezas aisladas y la falta de estudio básico en las interacciones de espín-órbita en luz, hacen que hoy en día siga siendo un campo con intensa investigación. Concretamente, estudiamos los efectos de la interacción entre el momento dipolar eléctrico y magnético en la dispersión de onda plana de una partícula dieléctrica con índice de refracción alto. Como consecuencia de la transferencia entre el momento angular de espín y orbital, demostramos la aparición de errores de localización divergentes en la detección de campo lejano. En la rama de espintrónica, en cambio, el concepto de acoplo de espín-órbita y sus consecuencias están bien establecidos. Los estudios hoy en día, por tanto, se basan en transporte electrónico, en los que los efectos de espín-órbita de dispersión con impurezas han de sumarse a los del acoplo espín-órbita intrínseco o los del desorden. Concretamente, en esta tesis nos enfocamos en dispositivos híbridos, con regiones con acoplo espín-órbita adyacentes a regiones sin tal acoplo. En este sentido, ofrecemos la descripción de sistemas híbridos en los que las ecuaciones de difusión de espín y carga han de resolverse con ayuda de condiciones de frontera. Gracias al estudio teórico desarrollado en esta tesis en ambas ramas de la física, hemos tenido la oportunidad de contribuir con diferentes publicaciones que forman parte de esta Tesis por compendio de artículos.

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Dynamical aspects of quantum transport in nano-electronics.

SCHAEVERBEKE , QUENTIN PAUL EMILE

Zuzendariak:
FREDERIKSEN , THOMAS
Aipamenak:
Cum Laude
Tesia Tutorekidetzan
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

English The study of light¿matter interaction has drawn through the years more and more interest. With the improvement of the techniques used for building electromagnetic cavities, it is now possible to couple cavities with nanocircuits merging the fields of quantum optics and nanoelectronics. Not only that, but some experiments also reported the possibility to use a scanning tunneling microscope as a plasmonic cavity coupled with electronic transport. In this thesis a theoretical framework is proposed, based on mesoscopic quantum electrodynamics, for studying the coupling between electronic transport in a molecular junction and the electromagnetic field of a cavity. This thesis focuses on the sequential tunneling regime for the electrons and use density matrix approach. This allows to derive the master equation as well as a computational scheme to compute electronic current and the photon statistic when it is not possible to obtain analytical results. First, a single¿level model for the molecule in the junction is studied. Indeed the electronic current induces a fluctuation of the charge on the molecule that couples with the electromagnetic field in the cavity. The investigations on this system are done in the experimentally relevant limit of large damping rate for the cavity mode and arbitrary strong light¿matter coupling strength. This model shows the equivalence between the electron¿photon coupling for a single level and the electron¿ phonon coupling that has long been studied in nanoelectronics known as the Franck¿Condon principle. The current¿voltage characteristics show steps, each separated by the energy of a photon, as the electron tunneling dissipate some energy in the cavity mode. In this work a formula has been derived for the electronic current taking into account the damping of the cavity. This allows to show that the width of the current¿s steps are controlled by rather than the temperature. The single-level junction shows interesting light¿emission regimes. At large bias voltage this theory predicts strong photon bunching of the order /¿¿ where ¿¿ is the electronic tunneling rate. However, at the first inelastic threshold the theory predicts current¿driven non¿classical light emission from the single¿level junction. Finally the investigation of the effect of a strong external drive of the cavity on the electronic current shows a quantization of the current that is linked to the Franck¿Condon effect. Finally the theory is applied to a double¿level model for the molecular junction inspired by quantum optics. In this scenario, the cavity mode couples to the electronic transition between the two states of the molecule. The effect of the charge fluctuations for each single electronic level is neglected. Therefore the coupling is a dipolar coupling in this case. The focus is mainly on the weak coupling regime. The electronic current shows the Rabi splitting due to the hybridization of the cavity mode and the molecule. Electronic tunneling can occur into these hybridized states and is responsible for light emission in the cavity in a single tunneling process. Light antibunching is seen in the weak coupling regime since our model predicts that only single photon emission is possible during a tunneling event in this case. Though the intermediate coupling regime is only briefly treated, the strong coupling regime is shown to be similar to two independent single level. SPANISH El estudio de las interacciones entre luz y materia ha atraído un interés creciente a lo largo de los años. La mejora de las técnicas de fabricación de las cavidades electromagnéticas permite hoy conjugar las cavidades con nanocircuitos, combinando así los campos de la óptica cuántica y de la nanoelectrónica. Se añade a eso la posibilidad de usar un microscopio con efecto túnel a modo de cavidad plasmónica combinada con el transporte electrónico que fue demostrado en numerosas experiencias. Esa tesis propone un cuadro teórico basado en la electrodinámica mesoscópica, permitiendo el estudio de la combinación del transporte electrónico dentro de una unión molecular con el campo electromagnético de una cavidad. El foco se centra en el régimen túnel secuencial de los electrones, a cual está apto el uso de la matriz densidad para los cálculos. Ese régimen permite establecer ecuaciones claves que rigen el desarrollo temporal de la matriz densidad, tal como un esquema de cálculo numérico de la corriente electrónica y de la estadística de los fotones en la cavidad cuando no es posible obtener un resultado analítico. Primero se estudia un modelo de un solo nivel electrónico para la molécula. En efecto, la existencia de una corriente electrónica significa que la carga en la molécula fluctúa y esa fluctuación se combina con el campo electromagnético de la cavidad. El estudio de ese sistema se hace en el limite, experimentalmente pertinente, del ratio alto de la amortiguación del modo de la cavidad y del acoplo luz¿materia arbitrariamente alto. Ese modelo demuestra la equivalencia del acoplo electrón¿ fotón para un nivel electrónico y el acoplo electrón¿fonón que se ha estudiado desde hace mucho tiempo en el campo de la nanoelectrónica bajo el nombre del principio de Franck¿Condon. La característica corriente¿ tensión del circuito hace aparecer una evolución de escalones, cada uno separado por la energía de un fotón. Eso corresponde a una disipación de energía por parte de los electrones al modo de la cavidad durante el proceso de transporte. En ese trabajo se derivó una ecuación para la corriente electrónica que toma en cuenta el efecto de la amortiguación de la cavidad. Esto demuestra que la anchura de los saltos en la corriente está controlada por más que por la temperatura. El modelo de un solo nivel muestra también regímenes inesperados de emisión de luz. En el límite de voltaje alto entre los electrodos de la unión molecular, la teoría predice una agrupación («bunching») de los fotones emitidos dentro de la cavidad. La correlación entre dos fotones emitidos alcanza un valor del orden de /¿¿ donde ¿¿ es el ratio de tunelamiento de los electrones. Sin embargo, en el primer umbral de transferencia inelástica esa teoría predice una emisión de luz no-clásica provocada por la corriente electrónica. Por fin, el estudio del impacto de una fuerte excitación externa del modo de la cavidad muestra también una cuantización de la corriente relacionada al efecto Franck¿Condon. Finalmente, la teoría desarrollada en esta tesis está aplicada también a una unión molecular de dos niveles electrónicos inspirada de la óptica cuántica. En ese escenario el modo de la cavidad está acoplado con la transición electrónica entre dos orbitales moleculares. El efecto de fluctuaciones de carga en cada orbital no se tiene en cuenta. Entonces en ese marco el acoplo es solo dipolar. Se centra la atención principalmente en el régimen del acoplo débil. La corriente electrónica muestra la huella de oscilaciones de Rabi como resultado de la hibridación del modo de la cavidad con la molécula. El transporte de electrones se puede ocurrir mediante estos estados híbridos. Entonces el traslado de un único electrón es responsable de la emisión de un fotón en la cavidad. Se observa el desagrupamiento («anti-bunching») de la luz emitida. Aunque el régimen de acoplo intermedio es solamente tratado en breve, el régimen de acoplo fuerte muestra que es muy similar a la combinación de dos niveles electrónicos independientes acoplado al modo de la cavidad.

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Charges, Spins and Heat Transport in Superconducting nanostructures with generic spin fieds

BAUMARD , JULIE ISABELLE

Zuzendariak:
BERGERET SBARBARO, F.SEBASTIAN
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Tesia Tutorekidetzan
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

The interplay between superconductivity and spin-dependent fields is known to lead to striking phenomena, like critical field enhancement, magnetoelectric effects and the appearance of Yu-Shiba-Rusinov bound states at magnetic impurities. In this thesis, we investigate these effects in low dimensional systems. We first demonstrate that the combination of both spin-orbit and Zeeman fields in superconducting one-dimensional systems leads to the appearance of an inhomogeneous phase at low magnetic field and high critical temperature. We show that the ground state corresponds to a zero-current state where the current stemming from spin-orbit coupling, called anomalous charge current, is exactly compensated by the current coming from the wave-vector of the superconducting order parameter. We also discuss how it is possible to predict the appearance of the anomalous current from symmetry arguments based on the SU(2)-covariant formalism. In a second part, we consider a type-II superconducting thin film in contact with a Néel skyrmion. The skyrmion induces spontaneous currents in the superconducting layer, which under the right condition generate a superconducting vortex in the absence of external magnetic fields. We compute the magnetic field and current distributions in the superconducting layer in the presence of the Néel skyrmion. In the last part of this thesis, we focus on the appearance of Yu-Shiba-Rusinov states in the superconducting crystal ß-Bi2Pd. We propose effective models in order to explain recent experimental results showing a double spatial oscillation of the local density of states at Shiba energy. We demonstrate that the minimal condition to reproduce this double oscillation is the presence of two superconducting channels connected via a hopping term or via a magnetic impurity. These effective models can be easily generalized to describe the spectrum of multiband superconductors with magnetic impurities.

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Equilibrium and transport properties of hybrid junctions between superconductors and spin active materials

BUJNOWSKI , BOGUSZ

Zuzendariak:
BERCIOUX , DARIO
Aipamenak:
Tesia Tutorekidetzan
Kalifikazioa:
Bikain
Urtea:
2019
Laburpena:

En esta tesis investigamos la evolución del estado singlete de un material superconductor convencional debido a campos dependientes del espín a su alrededor.

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Computational investigations of single-chain nanoparticles: novel synthesis routes, complex flow behavior and reversible gel formation.

FORMANEK , MAUD

Zuzendariak:
MORENO SEGURADO, ANGEL JOSE
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

Las llamadas nanopartículas unicadena ("single-chain nanoparticles", SCNPs) se obtienen mediante enlazamiento puramente intramolecular de precursores poliméricos. Hay un interés creciente en estos sistemas debido a sus prometedoras aplicaciones en catálisis, biomedicina, sensores, nanocompuestos, etc. El conocimiento de su estructura y dinámica, que controlan en gran parte su respuesta al entorno, es aún escaso. Esta tesis supone un importante avance en dicho conocimiento al investigar tres problemas de interés fundamental y práctico aún inexplorados. Mediante técnicas de simulación computacional se estudia y demuestra: 1) La posibilidad de controlar la topología (en particular la compacidad) de las SCNPs usando anillos como precursores en disoluciones concentradas de anillos inertes (con interacciones puramente estéricas). 2) La respuesta de las SCNPs al flujo de cizalla, cubriendo todo el intervalo desde alta dilución hasta disolución concentrada. Las SCNPs muestran una respuesta independiente de su topología concreta, únicamente ligada a su arquitectura de tipo red polimérica. A diferencia del caso simple de cadenas lineales, la respuesta es diferente a ambos lados de la concentración de solapamiento, este efecto estando ligado a las interacciones topológicas que evitan la concatenación de los anillos presentes en su arquitectura. 3) La competición entre enlaces intra- e intermoleculares en disoluciones de SCNPs con enlaces reversibles, y la obtención de geles reversibles basados en SCNPs, con redes estables altamente dinámicas y evitando la separación de fases a concentraciones de interés.

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Nanoscale engineering omniphobic surfaces

FENERO BISQUER MARTA

Zuzendariak:
MATO , KNEZ;
PALENZUELA CONDE, JESUS
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021
Laburpena:

Las superficies expuestas al ambiente presentan una gran tendencia a atraer suciedad. Teniendo en cuenta que son éstas las que definen la mayor parte de las propiedades de los materiales, tanto la presencia como la acumulación de suciedad suponen un impacto negativo en numerosas aplicaciones ya que pueden generar importantes riesgos para la seguridad y la salud, así como, afectar negativamente al rendimiento, requiriendo costosas operaciones de mantenimiento. En los últimos años, la industria ha mostrado un gran interés en el desarrollo de soluciones capaces de preservar limpias las superficies. Tradicionalmente, las superficies repelentes se han obtenido mediante el efecto de la superhidrofobicidad. Sin embargo, su ineficacia para repeler líquidos de baja energía superficial y la fragilidad de ciertas micro/nanoestructuras necesarias pueden limitar su aplicación. En este contexto, el desarrollo de recubrimientos omnifóbicos de baja adhesión puede aportar numerosos beneficios en distintas aplicaciones de sectores muy diversos. Esta tesis persigue desarrollar nuevas estrategias para la obtención de superficies repelentes, focalizando el trabajo en alcanzar soluciones robustas con buenas prestaciones de durabilidad que sean capaces de responder a varias fuentes de contaminación simultáneamente. Para ello, el potencial que ofrece la nanotecnología se utiliza desde dos aproximaciones diferentes: a través de la estructuración superficial y mediante la incorporación de nanoobjetos como vectores para introducir nuevas funcionalidades, siendo el objetivo final desarrollar superficies omnifóbicas con propiedades diseñadas a medida que den respuesta a las necesidades de la industria.

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Magnetism at the nanoscale: Electron spin resonance

REINA GALVEZ, JOSE

Zuzendariak:
DELGADO ACOSTA, FERNANDO;
LORENTE PALACIOS, NICOLAS
Aipamenak:
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain
Urtea:
2021
Laburpena:

Scanning tunneling microscope (STM) lleva revolucionando el campo de la materia condensada desde hace unos años. Esta técnica ofrece tanto una gran resolución espacial como energética, permitiendo la manipulación atómica gracias a un control de la punta subatómico. Sin embargo, desde 2015, una nueva técnica con mayor resolución energética e igual espacial apareció: electron spin resonance (ESR). La gran diferencia con STM viene de modular la diferencia de potencial entre la punta y el subtrato a través de un voltaje alterno AC. Cuando la frecuencia de este campo eléctrico coincide con la separación enérgica (frecuencia de Larmor) entre dos estados de un momento magnético localizado en una superficie aislante, la corriente sufre un cambio brusco. De esta forma, el espín del momento magnético empieza a precesar. Algunas de las aplicaciones más interesantes que ofrece esta técnica han sido la identificación de distintos isotopos de Ti y Fe, así como obtener información de átomos con electrones tipo f como el Ho. También, recientemente, se está intentado hacer manipulación coherente entre átomos magnéticos. De esta forma, se podrían realizar operaciones cuánticas que tendrían un gran impacto en el campo de la información cuántica. Sin embargo, un marco teórico de predicción todavía no ha sido totalmente encontrado. La gran dificultad recae en como puede afectar un campo eléctrico alterno al espín atómico. Las propuestas han sido varias: desde excitaciones de fonones en la superficie hasta desplazamientos del átomo magnético, entre otras. El objetivo de esta tesis es arrojar un poco de luz en este asunto y obtener un modelo teórico que pueda predecir y simular experimentos. Inicialmente aplicaremos Density Functional Theory (DFT) para intentar sacar algunas primeras conclusiones de como el sistema magnético (Fe sobre MgO/Ag(001)) reacciona ante un campo eléctrico. Para ello, primero, debemos seguir un procedimiento estándar de relajación de los sistemas bulk del MgO y Ag. Extrayendo los parámetros de red correspondientes y construyendo la superficie MgO/Ag en la que colocaremos el átomo magnético sobre un O. La exposición a un campo eléctrico estático nos permite ver que cambios hay en la PDOS y en el planar average potential (PAP). Las conclusiones resultan inmediatas: el campo eléctrico afecta mucho más el PAP, lo que implica que se está modulando la barrera de potencial. Es interesante apreciar que en otros sistemas como Cu2N/Cu o ClCu/Cu no se tiene una respuesta tan alta con el campo eléctrico. Con la conclusión anterior, empezamos a aplicar ciertos modelos teóricos que podrían permitir simular los experimentos. El primero es el llamado cotunneling. Inicialmente se parte de un Hamiltoniano total que contiene el Hamiltoniano del entorno, el del sistema central o impureza magnética (modelo de Anderson generalizado) y la conexión entre ambos, llamado tunneling. Dicho Hamiltioniano resulta demasiado complejo de tratar por lo que se aplica teoría de perturbaciones a segundo orden en el término tuneling. El objetivo detrás de esta aproximación es conseguir escribir el llamado Hamiltoniano de cotunneling, cuya forma permite usar la teoría Bloch-Redfield. Dicha teoría aplica un lenguaje de matrices de densidad muy práctico para problemas de sistemas abiertos pero, además, es fácilmente extensible al regimen con dependencia temporal. Teniendo en cuenta ciertas consideraciones, el producto final de mezclar cotunneling con dependencia temporal nos lleva a una ecuación de los elementos de la matriz de densidad reducida que presenta un nuevo parámetro. Este parámetro resulta estar asociado a la precesión del espín y se le llama frecuencia de Rabi. Los resultados del modelo de cotunneling muestran que la frecuencia de Rabi es el pilar fundamental de la teoría. Sin este parámetro, no es posible inducir resonancia ya que la altura del pico que aparece en la corriente es directamente proporcional al cuadrado de la Rabi. Aunque los cálculos con la teoría son bastante satisfactorios, los valores de la frecuencia de Rabi resultan ser un factor 10-20 más grandes que los experimentales. Un rápido vistazo al modelo y las ecuaciones empleadas nos dice que hemos tendido a sobresimplificar demasiado los cálculos. Varias estrategias pueden ejecutarse para mejorar estos pero, sin duda, la más destacable es como usar Wannier para conocer mejor la hibridación entre el sistema y el entorno. Sin embargo, esto es algo que escapa del contenido de la tesis. La siguiente teoría que empleamos, en un intento de mejorar los resultados de cotunneling, es la de Floquet combinada con funciones de Green fuera del equilibrio. La teoría de Floquet estudia la estabilidad de sistema de ecuaciones diferenciales periódicos y permite reescribirlos como uno algebraico mediante el uso del teorema de Floquet. En nuestro caso, partimos de un Hamiltoniano total parecido al del cotunneling y aplicamos funciones de Green junto con operadores Hubbard. Así, llegamos a una ecuación diferencial en los elementos reducidos de la matrix de la densidad que cumple la forma requerida para aplicar Floquet. De esta forma, podemos transformar dicho sistema de ecuaciones en uno algebraico, resolverlo y calcular la corriente. La forma en la que definimos el Hamiltoniano del sistema nos permite introducir interacciones entre espines y simular otros experimentos ESR más recientes. De las ecuaciones master de Floquet que derivamos podemos calcular todos los parámetros que afectan a la señal ESR tales como los tiempos de vida, de decoherencia o la frecuencia de Rabi de forma natural. En cualquier caso, en el momento de escribir la tesis, este último modelo aún no ha sido totalmente explorado. Por tanto, tenemos margen de mejora de cara a los resultados. Sin embargo, cabe destacar que estos resultan ser bastante satisfactorios.

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Design of ancestral enzymes for engineering nanobiomaterials.

BARANDIARAN LARREA, LEYRE

Zuzendariak:
DE SANCHO SANCHEZ, DAVID;
PEREZ JIMENEZ, RAUL
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2019
Laburpena:

La mejora de las enzimas para su uso industrial, donde las condiciones no son las naturales de las enzimas, es fundamental si queremos que operen de una forma eficiente. En esta tesis utilizamos una técnica llamada Reconstrucción Ancestral de Secuencia (ASR) para mejorar diferentes aspectos se las enzimas de forma simultánea. Hemos reconstruido una Xylanasa y dos monooxigenasas líticas de polisacáridos (LPMO) con el fin de degradar biomasa. Tanto la Xylanasa ancestral como las dos LPMO, todas del precámbrico, mejoran su actividad en cuanto a termo estabilidad, resistencia a pH e incluso son más promiscuas. Confirmando así que la técnica ASR es una alternativa eficiente y de bajo coste para la mejora enzimática. En esta tesis, también confirmo que las enzimas ancestrales pueden utilizarse para obtener nanomateriales a partir de biomasa. La Xylanasa ancestral y una de las LPMO ayudan a una Endoglucanasa ancestral ,que se reconstruyó en una tesis anterior en nuestro laboratorio, a aislar nanocelulosa de sustrato que llamamos ¿no ideales¿ dado que son sustratos de residuos lignocelulósicos. La segunda LPMO se ha reconstruido para aislar nanoquitina a partir de la quitina, de esta forma confirmamos que las enzimas ancestrales son una alternativa eficiente y sostenible en la producción de naobiomateriales a partir de residuos. Además el poder oxidativo de las LMPOs oxidan de forma natural la nanocelulosa y la nanoquitina. El proceso de oxidación de estos nanomateriales implica el uso de productos químicos como TEMPO que comprometerían la biocompatibilidad de los nanomateriales obtenidos. El uso de las enzimas ancestrales en su producción permite obtener nanomateriales ¿a la carte¿ de forma totalmente sostenible.

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Synthesis and characterization of cyclic polysthers with controlled orientation of the dipolar moment along the chain contour.

OCHS , JORDAN ROBERT MARIE

Zuzendariak:
BARROSO BUJANS, FABIENNE
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

En esta tesis, se estudia la síntesis de poli (glicidil fenil éter) cíclico. Se emplearon diferentes sistemas de iniciación para generar precursores lineales con características moleculares controladas y microestructuras dipolares controladas. Usando estos precursores lineales, se obtuvieron las cadenas cíclicas correspondientes mediante la técnica de ¿ring closure¿. Se realizó una optimización cuidadosa de las condiciones de síntesis para generar cadenas cíclicas puras. Los polímeros obtenidos se caracterizaron por NMR, SEC, MALDI-ToF MS. Finalmente, se estudió la microestructura dipolar de los diferentes polímeros sintetizados utilizando espectroscopía dieléctrica de banda ancha. Esta técnica permitió probar las características topológicas de las cadenas de polímeros y dio resultados sobre la dinámica de los anillos para cadenas con pesos moleculares por debajo del enredo.

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Electronic and transport properties of 2D Dirac materials: graphene and topological insulators.

KRETZ , BERNHARD GUNTER

Zuzendariak:
GARCIA LEKUE, ARANTZAZU
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

This thesis presents a set of contributions to the field of 2D Dirac materials, which have emerged as promising candidates for future nanoelectronics. The electronic and transport properties of various graphene-based nanostructures and surfaces of topological insulators reported in this work, provide further insight into the functionalities of this class of materials. For the characterization of the materials reported in this thesis, we applied DFT and a NEGF approach. Most graphene-based electronic devices, require the formation of contacts between the 2D material and metal electrodes. Within this context, it is crucial to design graphene-metal interfaces with low contact resistances. In this work, we analyzed the structural evolution and transport properties of various metal-graphene contacts with and without functionalization or contamination of the graphene edge, with special focus on their influence on the contact resistance. For metal-graphene edge contacts, we found a strong metal dependence of the stability on graphene edge contaminants. In general, we found the contact resistance to increase upon graphene edge contamination, although the strength of the relative increment dependent significantly on the metal and edge contamination. Nevertheless, our study provides valuable insight into the mechanisms responsible for device-to-device variations of metal-graphene contacts in experiments. Further, we studied the electronic and transport properties of a novel type of graphene nanoribbon (GNR) and the nanoporous graphene (NPG) derived from it. Our characterization of the electronic properties of the NPG revealed that, like the ribbon, it is a semiconductor. Furthermore, it inherits uniquely localized states from ribbon, which form a 1D band dispersing in the direction perpendicular to the ribbon's backbone. Moreover, we found states localized in the vacuum region of the ribbon. Within the NPG, these states interact with each other, forming bonding and anti-bonding pore states. STM experiments have confirmed the existence of these pore states and demonstrated the uniform growth of the NPG over a larger area. Due to its semiconducting behavior, this NPG offers high potential for many electronic applications (e.g., FETs), as well as for molecular sensing and sieving applications. Due to their extraordinary properties, topological insulators (TIs) have been proposed for a wide range of applications, especially for spintronics. With the aim of spintronic applications, the challenge in this field is to find a TI with a surface state protected against magnetic perturbations. Within this context, we investigate the influence of chemical disorder on the structural and magnetic properties of a Co adsorbed on the surface of a given ternary TI surface. In combination with experiments, we could demonstrate that Co tends to adsorbed away from the high-symmetry position whenever it is surrounded by different species of the TI's surface atoms. This adsorption behavior leads to a reduced hybridization between Co and the TI's surface state and, consequently, the surface state is still protected by time-reversal symmetry. Similar results can be expected for other ternary TI's with chemical disorder in the surface layer.

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Study of geometrical frustration and thermal activation in arrays of magnetic nanostructures

PANCALDI , MATTEO

Zuzendariak:
VAVASSORI , PAOLO
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

La tesis trata de nanoescructuras magnéticas, definidas por la disminución de sus tres dimensiones hasta cientos de nanómetros y formadas por materiales magnéticos. La introducción de interacciones en un conjunto de nanoestructuras magnéticas puede dar lugar a propiedades emergentes. Una de estas propiedades se conoce como frustración, es decir, la inhabilidad de un sistema físico de minimizar simultáneamente la energía de todas sus interacciones. En el año 2006, una nueva clase de metamateriales fue creada para estudiar sistemáticamente la frustración: los sistemas de hielo de espín artificial, que son básicamente un conjunto de nanoestructuras magnéticas en interacción. Para estudiar el efecto de la temperatura en estos sistemas, se ha desarrollado un esquema de simulación a multi-escala capaz de combinar simulaciones micromagnéticas estocásticas (cientos de nanómetros, decenas de microsegundos) con el método de Monte Carlo cinético al fin de considerar el comportamiento del sistema en su totalidad (decenas de micrómetros, cientos de segundos). Los resultados derivados de este método de simulación han sido comparados con datos de la literatura con el fin de verificar la validez de nuestra estrategia. Además de este esquema de simulación, nos basamos en nuestro conocimiento en magnetismo y plasmónica para idear una técnica no estándar de calentamiento de sistemas de hielo de espín artificiales: calentamiento termoplasmónico de nanoestructuras magnéticas. Trabajando con nanoestructuras alargadas de multicapa, se llegó a realizar una forma de calentamiento selectivo y local a través de la manipulación de un haz de luz con determinada longitud de onda. A pesar de no estar directamente relacionado con la frustración, pudimos demonstrar que la competición entre interacciones magnetostáticas también puede ser aprovechada para explorar el paisaje energético de nanoestructuras magnéticas, más allá de lo que se podría obtener con el solo uso de campos magnéticos homogéneos.

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Nanomechanics of pathogenic attachment: uropathogenic escherichia coli and human immunodeficiency virus.

ALONSO CABALLERO, ALVARO

Zuzendariak:
PEREZ JIMENEZ, RAUL
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2017
Laburpena:

En esta tesis doctoral el objetivo ha sido estudiar la nanomecánica de proteínas de superficie celular involucradas en la adhesión de patógenos a células humanas. Concretamente se han estudiado las proteínas que utiliza Escherichia coli uropatogénica para unirse al tracto urinario, y el receptor CD4 de los linfocitos T que es empleado por el Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH) para unirse e infectar a estas células del sistema inmune. Ambos procesos infecciosos han sido estudiados en profundidad desde diversos campos del conocimiento como la Medicina, la Biología, la Química y la Física, empleando diversas técnicas que han aportado información útil para el desarrollo de tratamientos médicos. Sin embargo, y pese a todos los avances logrados, estas enfermedades aún hoy suponen un desafío para la comunidad científica y médica. Las infecciones del tracto urinario son muy comunes y recurrentes entre la población. Aunque en muchos casos se resuelvan de manera favorable, el problema de la resistencia a antibióticos es cada vez mayor y ya hoy supone un problema grave de salud pública. Las cepas patogénicas están adquiriendo resistencia a cada vez más antibióticos, y tratamientos que antes funcionaban han dejado de hacerlo. Complicaciones derivadas de una infección del tracto urinario pueden desembocar en graves problemas de salud que en última instancia pueden provocar la muerte. En el caso del VIH los avances científicos han permitido transformar una enfermedad mortal en una enfermedad crónica, mejorando sensiblemente la calidad de vida de las personas que viven con la infección. No obstante a día de hoy no existe una cura para esta enfermedad de distribución mundial, de la que cada año alrededor de un millón de personas se contagia. La enorme capacidad del virus para eludir al sistema inmune y para, de hecho, utilizar y destruir a las mismas células que deberían combatirlo lo convierten en un desafío para la Medicina. Si bien estos dos patógenos son diferentes existen paralelismos entre ambos que además son exportables a otros casos. Independientemente de la etiología de cada caso, todo proceso infeccioso comienza por el reconocimiento y la adhesión del patógeno a la superficie de la célula que infecta. Para esto las bacterias y los virus utilizan moléculas expuestas tanto en sus propias superficies como en las de las células a las que se unen, siendo mayoritariamente proteínas las moléculas que median el anclaje específico entre los actores involucrados. Una vez superado este primer escollo del proceso infectivo el patógeno puede proceder con su ciclo de vida y expandirse, infectando nuevas células usando mecanismos similares y, en consecuencia, deteriorando la salud del huésped. Tanto en el caso de E. coli uropatogénica como en el del VIH, el patógeno debe unirse a sus células diana de manera específica y superar obstáculos que se oponen a su adhesión física, tales como condiciones químicas adversas o la respuesta del sistema inmune. Entre estas dificultades se encuentran las fuerzas mecánicas, un ámbito muy inexplorado pero a la vez crucial tanto para el éxito como para el fracaso de una infección. El diseño y el uso de medicamentos que alteren mecánicamente a las proteínas empleadas durante la adhesión patogénica podría suponer un avance ante los desafíos que tiene que afrontar la Medicina moderna. A la luz de esta nueva aproximación orientada a alterar mecánicamente proteínas involucradas en enfermedades humanas nace el campo de la Mecanomedicina o Mecanofarmacología, una nueva forma de estudiar y de tratar patologías donde un componente mecánico juega un papel importante. Debido a que las fuerzas mecánicas intervienen en este proceso, creemos que la adhesión patogénica constituye un ámbito de acción apropiado para el desarrollo de este nuevo campo. El estudio desde este nuevo punto de vista cobra sentido cuando se atiende a las peculiaridades de la infección del tracto urinario. En su ruta de ascenso desde la uretra, E. coli debe avanzar por el tracto urinario y permanecer unida al epitelio en contra del flujo de orina. En ausencia de mecanismos de adhesión sería expulsada durante la micción y por ello, de entre un arsenal de factores, dispone de estructuras filamentosas denominadas pili o fimbrias que le sirven para unirse de manera específica a las células del epitelio urinario. Existen distintos tipos de fimbrias pero las empleadas por este organismo en el tracto urinario inferior son las denominadas de tipo I. Estos filamentos poseen diversas propiedades biomecánicas que le otorgan a la bacteria una adaptación extraordinaria para poder prosperar y resistir en este nicho tan adverso de la anatomía humana. Una cualidad muy interesante de estas estructuras, que pueden llegar a medir varias micras de longitud, es el modo en el que están organizadas y ensambladas. Estos filamentos están compuestos de cientos de proteínas dispuestas linealmente, en el que cada unidad de proteína está conectada a la siguiente mediante interacciones débiles de tipo hidrofóbico y puentes de hidrógeno. De manera que estas largas cadenas de proteínas conectadas, empleadas como anclajes que deben resistir estrés mecánico, mantienen su integridad mediante interacciones en apariencia débiles pero que se han demostrado como unas de las más resistentes de la naturaleza. Ante el creciente problema de resistencia a antibióticos, atacar los pili podría suponer una alternativa válida para impedir la adhesión bacteriana en primer lugar. En este sentido comprender las propiedades nanomecánicas de las proteínas que componen el pilus así como el proceso de biogénesis de este puede ser el comienzo para diseñar nuevos tratamientos que alteren la estabilidad mecánica de estos filamentos, o bien el proceso de ensamblaje y secreción del pilus en la superficie de la bacteria. En el caso del VIH la adhesión se produce preferencialmente a los linfocitos T del sistema inmune, y para esto utiliza un receptor propio de la membrana del linfocito denominado CD4. La partícula vírica expone en su superficie un complejo proteico formado de dos glicoproteínas que median tanto la adhesión como la posterior fusión del virus con la célula. Una de estas proteínas se une de manera específica pero no covalente a CD4, estableciendo el anclaje en la superficie de la célula. Posteriormente esta misma glicoproteína reconoce a un segundo receptor de membrana en la célula y tras su unión se desencadena el proceso que conduce a la fusión del virus con la célula. Los esfuerzos realizados para encontrar una vacuna efectiva contra el VIH han sido frustrados debido a la naturaleza del virus. El VIH dispone de una serie de ventajas que le permiten eludir al sistema inmune, tales como la glicosilación de las dos únicas proteínas que expone en su superficie así como de su alta tasa de mutación, lo que se traduce en la rápida generación de variantes de estas proteínas. Esto convierte a la lucha del sistema inmune contra este patógeno en una carrera de fondo en la que el virus es siempre más rápido. Además la habilidad para integrarse en el genoma de las células y permanecer escondido en estas lo hace indetectable hasta que vuelve a reaparecer para infectar nuevas células. La interacción con el receptor CD4 es clave y es la primera que conduce a una infección exitosa. El posterior proceso de unión a un segundo receptor en la membrana del linfocito supone el acercamiento del virus a la membrana mientras está unido a CD4, lo que implicaría que CD4 debería ser una molécula flexible que permitiera esta aproximación. Diversos cambios estructurales y químicos ocurren en las moléculas involucradas en la infección, y las fuerzas mecánicas de nuevo no están exentas en este proceso. Una partícula vírica unida al receptor CD4 está sometida a movimiento Browniano, de manera que el virus podría ejercer fuerzas en CD4 que le permitirían estirar a esta molécula para así acercarse al segundo receptor de membrana. Obviamente el rango de fuerzas en las que esto se podría producir tiene que ser muy bajo, de lo contrario el virus podría separarse de CD4 y alejarse de la superficie celular. En este sentido un delicado equilibrio de fuerzas podría inducir la extensión y la contracción mecánicamente inducida de CD4, pero sin comprometer la unión del virus. Aunque las fuerzas aquí tengan un papel menos conspicuo que en el caso de la infección del tracto urinario, también pueden ser decisivas y por lo tanto soluciones a la infección por el VIH pueden ser encontradas desde un abordaje mecanofarmacológico. Comprender la nanomecánica de CD4 así como el efecto de ciertos factores que se conoce que afectan a esta molécula, podría ser el primer paso para diseñar terapias orientadas a combatir al VIH desde el primer paso de la infección. Bloquear el proceso de infección en este punto supondría evitar la infección por completo. Aunque no supusiera una cura definitiva para aquellas personas que padecen la infección, limitaría su propagación en estos pacientes y además podría ser utilizado como medida profiláctica para prevenir nuevas infecciones. Conociendo este contexto nuestro planteamiento ha sido abordar estos dos procesos de adhesión desde un punto de vista mecánico, explorando cómo las fuerzas y ciertas modificaciones químicas afectan mecánicamente a las proteínas involucradas. Para ello en esta tesis se ha empleado la espectroscopia de fuerza atómica para aplicar fuerzas a moléculas únicas y así poder determinar su comportamiento mecánico bajo diferentes condiciones. En primer lugar nuestro objetivo fue determinar la estabilidad mecánica de las proteínas que componen el pilus tipo I de E. coli uropatogénica. Se diseñaron proteínas quiméricas en las que se preservó la interacción nativa que mantiene a cada proteína del pilus unida a su predecesora mediante la creación de permutantes circulares. La espectroscopia de fuerza en este caso nos permite aplicar fuerzas y explorar la resistencia mecánica de estas proteínas y de sus interacciones recreando la misma geometría que tendría lugar en el proceso in vivo cuando una bacteria es empujada por el flujo de orina y el pilus anclado al epitelio es estirado longitudinalmente. Nuestros experimentos de fuerza han demostrado la altísima resistencia mecánica de estas proteínas, cuyos valores van desde los 500 pN para la proteína que está más representada en el pilus tipo I, hasta los 100 pN en la última proteína del pilus que media la adhesión al epitelio urinario. De manera muy significativa observamos que la estabilidad mecánica de estas proteínas es jerárquica y está relacionada con la arquitectura del pilus, siendo las proteínas más débiles a medida que se aproxima el final del pilus. Además detectamos el efecto mecánico que tiene un puente disulfuro muy conservado en estas proteínas, cuya presencia incrementa sustancialmente la estabilidad de estas proteínas. Esta parte de la investigación verificó la enorme estabilidad mecánica de estas proteínas, de lo resistente que es la interacción no covalente entre proteínas del pilus y de lo importante que es la presencia del puente disulfuro en cada una de ellas para garantizar la integridad mecánica de cada una de las proteínas. En la segunda parte de esta investigación decidimos estudiar el proceso de biogénesis del pilus tipo I. Estudiamos el plegamiento y maduración de una de las proteínas del pilus tipo I a nivel de molécula única y en presencia de los factores que la ayudan en este proceso. La espectroscopia de fuerza en este caso es útil para recrear las condiciones de desplegamiento y estiramiento que tiene la proteína cuando está siendo exportada al periplasma bacteriano, compartimento desde donde estas proteínas son incorporadas y secretadas durante el ensamblaje del pilus. Nuestros primeros hallazgos en presencia de la chaperona que ayuda a estas proteínas a plegarse y a ser incorporadas en el pilus, demostraron que ésta solo actuaba sobre aquellas proteínas que presentaran su puente disulfuro ya formado, discriminando a aquellas que carecen de este enlace. Teniendo en cuenta la diferencia en la estabilidad mecánica de estas proteínas dependiendo de si poseen o no el puente disulfuro formado, este mecanismo de selección por parte de la chaperona garantizaría la incorporación al pilus de únicamente proteínas que presentaran el puente disulfuro y que por lo tanto tuvieran una alta resistencia mecánica. El siguiente descubrimiento que hicimos fue que, en presencia de la enzima oxidorreductasa que induce precisamente la formación del puente disulfuro, el plegamiento de esta proteína fue incluso mayor que con la chaperona. Este dato arroja una nueva perspectiva al proceso de biogénesis del pilus pues hasta ahora se creía que la chaperona era la única encargada de plegar a las proteínas del pilus y que la oxidorreductasa solo inducía la formación del puente disulfuro. De nuestra investigación concluimos que la oxidorreductasa se encarga de ambas cosas y que entrega a la chaperona proteínas prácticamente plegadas y listas para su incorporación en un pilus de nueva generación. En este escenario la chaperona se encargaría de estabilizar el plegamiento de las proteínas que la oxidorreductasa le proporciona, evitaría procesos de agregamiento o polimerización temprana en el periplasma y escoltaría a las proteínas del pilus hasta la plataforma de ensamblaje del pilus tipo I en la membrana externa bacteriana. Desde una perspectiva farmacológica, atacar la integridad estructural del pilus o atacar a los factores encargados de la maduración de sus proteínas podrían ser el camino para combatir las infecciones del tracto urinario ocasionadas por E. coli. En la segunda parte de esta tesis decidimos explorar la nanomecánica de los dos primeros dominios del receptor CD4, CD4D1D2. Obtener información sobre las fuerzas a las que despliegan estos dos dominios supone un primer avance para comprender si es factible que el VIH pueda inducir su extensión mecánica. Es por esto que caracterizamos el desplegamiento de estos dos dominios aplicando rangos de fuerzas y velocidades de estiramiento que fueran representativos del contexto fisiológico en el que se produce la infección. Una partícula vírica unida a CD4 puede ejercer fuerza sobre este pero en ningún caso puede alcanzar los niveles de estrés mecánico a los que se tienen que enfrentar por ejemplo las proteínas del pilus bacteriano. Cuando sometimos a CD4D1D2 a los diferentes protocolos de aplicación de fuerza observamos siempre una jerarquía en el orden de desplegamiento de estos dos dominios, desplegando siempre primero el domino D2 seguido a continuación del dominio D1. Sorprendentemente las fuerzas de desplegamiento de D2 son mayores que las de D1, y sin embargo despliega primero al contrario de lo esperable. Esta característica se reprodujo en cualquiera de las condiciones testadas y la justificamos en base a la estructura de estos dos dominios, que comparten una hebra ß. Esto supone que cuando se les somete a fuerza el dominio D2 despliega y deja desprotegido al dominio D1, cuya estabilidad mecánica se ve comprometida una vez la fuerza es transmitida a través de este elemento estructural compartido. El desarrollo de un modelo matemático que relaciona física de polímeros con grado de infectividad por VIH nos permitió extrapolar, en base a unos experimentos previos que utilizaron variantes de distinta longitud de CD4, que la posibilidad de que algunos dominios de CD4 se desplieguen durante la unión del virus es factible. A mayor longitud de CD4 mayor es la infectividad por VIH, lo que se relaciona con la flexibilidad de CD4 y con la capacidad del virus de explorar áreas más grandes de la superficie celular en busca del coreceptor que necesita para perpetrar la infección de la célula. Nuestro siguiente paso fue estudiar el efecto que un anticuerpo denominado Ibalizumab, conocido por su potente efecto inhibidor de la infección por VIH, sobre la nanomecánica de CD4D1D2. La mayor parte de los contactos intermoleculares que se establecen entre este anticuerpo y CD4 se localizan en el dominio D2, y se ha demostrado que las interacciones proteína-proteína pueden tener un efecto positivo en la estabilidad mecánica de las moléculas involucradas. Dado que el origen del efecto inhibitorio de Ibalizumab no ha sido hallado nosotros hemos planteado la posibilidad de que este anticuerpo pueda volver rígido a CD4 tras su unión, reduciendo su flexibilidad y quizás impidiendo que CD4 pueda ser extendido mecánicamente por la partícula vírica. Descubrimos que efectivamente Ibalizumab altera la nanomecánica de CD4 y que las fuerzas requeridas para su desplegamiento son mayores, sugiriendo que este efecto estabilizador puede ser el responsable de la inhibición de la infección y apoyando nuestra hipótesis de que el desplegamiento de CD4 facilita los siguientes eventos previos a la fusión del virus a la célula. Finalmente quisimos estudiar el efecto que la oxidorreductasa tioredoxina puede tener en la regulación de los puentes disulfuros de CD4. Esta y otras enzimas encargadas de la regulación tiol-disulfuro son secretadas por la célula y afectan al estado de oxidación de los puentes disulfuro de CD4 y otras proteínas. De hecho las reducciones de puentes disulfuro del dominio D2 de CD4 y de las proteínas superficiales del VIH han sido señaladas como prerrequisitos necesarios para la consecución de la infección. Estos enlaces covalentes limitan la extensión mecánica de los dominios de CD4, y sólo la reducción química de estos por enzimas podría permitir mayores extensiones de CD4. Nuestros experimentos de fuerza sobre CD4D1D2 en presencia de tioredoxina demostraron que los puentes disulfuros de estos dos dominios solo son reducidos después de haber sido estirados mecánicamente. En ambos dominios estos enlaces están ocultos en el interior hidrofóbico de sus estructuras, de manera que solo después del desplegamiento de cada dominio se hacen accesibles para la tioredoxina. Dado que la reducción del puente disulfuro de al menos del dominio D2 parece necesaria para que se produzca la infección, nosotros planteamos que la partícula del VIH puede inducir el desplegamiento mecánico de algunos dominios de CD4 y este hecho puede hacer que la tioredoxina pueda acceder a los puentes disulfuros de estos dominios, reduciéndolos, y permitiendo que el virus pueda extender incluso más a CD4, mejorando sus oportunidades de encontrar al coreceptor de membrana. Con este conjunto de factores vemos el comportamiento del receptor CD4 como el de un amortiguador, que se expande y se contrae debido a los movimientos del virus que tiene unido en su extremo. El VIH tendría la ventaja de, permaneciendo unido, ejercer fuerzas bajas que desplieguen y plieguen a los dominios de CD4 mientras se produce el encuentro con el coreceptor de membrana que finalmente conduce a la fusión del virus. Junto con los cambios químicos que tienen lugar en CD4, esto puede facilitar su flexibilidad e incrementar las probabilidades de encontrar a su coreceptor. A la luz de los datos de estas investigaciones proponemos a la investigación mecanofarmacológica como una estrategia de futuro para tratar enfermedades cuyo origen yace en el malfuncionamiento de un componente mecánico. En esta tesis se ha estudiado el proceso de adhesión de patógenos y creemos que esta parte de la infección donde las fuerzas mecánicas juegan un papel relevante puede ser atacada mecánicamente. En el caso de la infección del tracto urinario debilitar sus estructuras de adhesión o deteriorando las propiedades biomecánicas de estas puede ser el camino para combatir esta enfermedad. En el caso de la adhesión del VIH, hacer más estable al receptor CD4 e impedir su extensión mecanoquímica puede ser el punto de partida para estudiar si esta opción tiene relevancia a nivel fisiológico y puede convertirse en un nuevo tratamiento efectivo para prevenir la infección, tanto de nuevas células como de nuevos individuos.

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Nonequilibrium dynamics and molecular mobility in polymer glasses: from bulk to 3-D confinement

GUTIERREZ PEREZ DE EULATE, NATALIA

Zuzendariak:
CANGIALOSI , DANIELE
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

El objetivo general de éste trabajo es alcanzar una comprensión profunda de los procesos cinéticos y termodinámicos que influyen en la transición vítrea de materiales amorfos basados en polímeros. La ciencia en el estado vítreo sigue siendo un campo de investigación continua, donde numerosas teorías intentan explicar el origen de la movilidad molecular y la conexión con el fenómeno conocido como la transición vítrea. En la actualidad, numerosos estudios se han focalizado en el confinamiento de materiales poliméricos amorfos, donde el efecto del confinamiento a escala nanométrica ha resultado presentar desviaciones de la temperatura de transición vítrea (Tg) cuando es comparada con al material en estado ¿bulk¿. Para la realización de dicho estudio, se han preparado varios sistemas de polímeros confinados en una y tres dimensiones (1-D, películas delgadas y 3-D, nanoesferas). El presente trabajo pretende extender las investigaciones realizadas en el estudio de la dinámica vítrea de polímeros amorfos en estado ¿bulk¿ y confinados a nivel nanométrico, a través de técnicas calorimétricas.

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Theoretical study of the linear and nonlinear optical response of plasmonic tunneling gaps

AGUIRREGABIRIA ACHUTEGUI, GARIKOITZ

Zuzendariak:
AIZPURUA IRIAZABAL, FRANCISCO JAVIER;
ESTEBAN LLORENTE, RUBEN
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

En esta tesis estudiamos la respuesta óptica de sistemas plasmónicos con gaps nanométricos y subnanométricos. Nos concentramos en tres factores que influyen en dicha respuesta. El cambio en la respuesta óptica debido a la presencia de superficies planas en la zona del gap. El rol que juega el tuneleo de electrones a frecuencias ópticas una vez que la distancia del gap se reduce por debajo de los 0.5 nm. El posible uso del efecto túnel en gaps plasmónicos para producir efectos ópticos no-lineales. Encontramos que la presencia de superficies planas en el gap conlleva un cambio en la estructura modal de dímeros plasmónicos en comparación con la obtenida para un dímero con terminaciones esféricas. Por otro lado observamos que el tuneleo de electrones también afecta de forma diferente a sistemas con superficies planas en el gap en comparación con las terminaciones esféricas. Pero afecta igual a modos plasmónicos magnéticos y eléctricos. Finalmente, estudiando la respuesta no lineal observamos que las corrientes túnel no-lineales que se establecen entre las partículas plasmónicas contribullen fuertemente a la respuesta óptica no-linear llegando, en algunos casos, a aumentar la emisión a frecuencias armónicas varios ordenes de magnitud.

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Theoretical studies on molecular adsorption and the effect of strain on core-level spectroscopy in different metal surfaces.

BRION RIOS, ANTON XOSE

Zuzendariak:
CABRERA SAN FELIX, MARIA JOSE;
SANCHEZ PORTAL, DANIEL
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

El objetivo de esta tesis es el estudio de la adsorción molecular en distintas superficies. Basandonos en cálculos hechos en base a la teoría del funcional de la densidad (DFT) hemos estudiado la adsorción molecular en distintas superficies metálicas. El capítulo 1 contiene los fundamentos teóricos de la metodología utilizada. El capítulo 2 se centra en la adsorción del NO en Cu[110] y O(2x1)/Cu[110]. El capítulo 3 estudia en profundidad la adsorción de distintas ftalocianinas sobre Ag[111]. Demostramos que la adsorción está controlada por el marco orgánico de la molécula y que el centro metálico afecta a las propiedades moleculares y puede modificar la interacción con el substrato. En el capítulo 4 se investigó la adsorción de dióxido de carbono sobre TiOPc, señalando la geometría de adsorción más probable y la posibilidad de multiple móleculas adsorbidas en un único TiOPc. El capítulo 5 se centra en el corrimiento de las energías de enlace de los electrones internos de la superficie (Pt 4f y Rh 3d ) en superficies escalonadas vecinas a la dirección [111] de Pt y Rh. Dicho corrimiento está provocado principalmente por el cambio de la compresión de la capa atómica superficial con el tamaño de la terraza del escalón. En el capítulo 6 investigamos la adsorción de CO en las distintas superficies escalonadas de Pt y el cambio en las energías de enlace del electrón C 1s en función del sitio de adsorción en las distintas superficies.

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Spin-dependent and non-adiabatic phenomena related to the electron-phonon interaction in nanostructures with strong relativistic corrections.

GARCIA GOIRICELAYA, PEIO

Zuzendariak:
EIGUREN GOYENECHEA, ASIER;
GARCIA DE GURTUBAY GALLIGO, IDOIA
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

En esta tesis se estudian fenómenos no adiabáticos y dependientes del espín del electrón relacionados con la interacción electrón-fonón en nanoestructuras con fuertes correcciones relativistas. Se han realizado cálculos de primeros principios de estructura electrónica y dinámica vibracional basados en la teoría del densidad del funcional, que permiten abordar el cálculo de la interacción electrón-fonón a partir de la teoría de muchos cuerpos basada en funciones de Green. En la primera parte de este trabajo se analiza el papel que juega el espín del electrón y el acoplo espín-órbita en la interacción electrón-fonón. Se ha aplicado a la monocapa de Tl sobre la superficie de Si(111). Se concluye que la polarización del espín inducida por el acoplo espín-órbita entra de una manera decisiva modulando e incluso suprimiendo la interacción electrón-fonón en el material. En la segunda parte se estudia la emergencia de efectos no adiabáticos relacionados con la interacción electrón-fonón y regulados por la polarización del espín electrónico tanto para electrones como para fonones. Se ha investigado la monocapa de MoS2 en función del dopaje electrónico. Se concluye que los efectos no adiabáticos modifican dramáticamente la dispersión de fonones y electrones con la aparición de múltiples cuasi-partículas definidas en el plano complejo de energía. En el caso de los fonones ópticos en el límite de longitud de onda larga se propone un nuevo mecanismo físico capaz de entenderse por medio de sencillos modelos como el de Einstein. En el caso de los electrones se reproducen y explican experimentos de espectroscopía de fotoemisión recientemente medidos, identificando tres cuasipartículas, una de las cuales tiene una vida media muy larga a pesar de la fuerte interacción electrón-fonón.

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Magneto-optical ellipsometry and magnetometry of thin films and multilayers

ARREGI URIBEETXEBARRIA, JON ANDER

Zuzendariak:
BERGER , ANDREAS
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

El objetivo principal de esta tesis ha sido desarrollar el campo de la elipsometría magneto-óptica aplicada a la metrología de películas delgadas y sistemas multicapa de carácter magnético. Para ello, se ha utilizado la técnica generalized magneto-optical ellipsometry (GME). Dicha herramienta puede caracterizar el tensor dieléctrico completo de tales sistemas, que a su vez permite determinar en gran detalle la configuración tridimensional de la magnetización, así como extraer los parámetros ópticos y magneto-ópticos. En la primera parte de la tesis, se introduce la técnica aplicada a procesos de inversión de la magnetización en sistemas de láminas delgadas y se estudia su optimización. En la segunda parte se investigan sistemas de láminas magnéticas que muestran propiedades dieléctricas anisotrópicas. Por un lado, se demuestra la influencia del estado de deformación en las propiedades ópticas y magneto-ópticas en láminas delgadas epitaxiales. Por otro lado, se encuentra que las propiedades dieléctricas de láminas de permalloy (Ni80Fe20) con patrones unidimensionales dependen directamente de su profundidad topográfica. En ambos casos, profundizamos en la figura de la anisotropía magneto-óptica, un efecto comúnmente ignorado y que sin embargo puede llevar a cometer errores en la interpretación de experimentos magneto-ópticos. Finalmente, se ha aplicado la técnica GME al estudio de multicapas de Co/Ag/Co en los que el grosor de la capa intermedia de Ag varía continuamente entre 0.3-3 nanómetros. Este detallado estudio ha permitido hallar un nuevo tipo de acoplamiento magnético anómalo entre las capas ferromagnéticas de Co que tiene su origen en la interacción de Dzyaloshinskii-Moriya.

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Non-adiabatic processes in the radiation damage of materials from first principles

ULLAH , RAFI

Zuzendariak:
ARTACHO CORTES, EMILIO;
SANCHEZ PORTAL, DANIEL
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2018
Laburpena:

El paso rápido de iones a través de un sistema de materia condensada constituye un problema cuánntico de muchos cuerpos dependiente del tiempo. La complejidad del problema hace que sea extremadamente difícil encontrar una descripción exacta del mismo. Para resolver el problema se han aplicado varios modelos que siendo cuantitativamente precisos proporcionan un grado de éxito variable. En primer lugar, describimos el problema general de la interacción radiación-materia, sus antecedentes, la bibliografía en el campo de la interacción radiación materia, y campos asociados tales como el estudio del consiguiente daño por radiación. Cuando un ión de movimiento rápido penetra a través de un sólido, pierde energía a través de diferentes mecanismos tales como excitaciones electrónicas en el objetivo, ionización del proyectil, movimiento y desplazamiento de los iones objetivo, emisión de radiación y reacciones químicas o nucleares. Estos mecanismos son extremadamente complicados y la importancia de cada proceso varía dependiendo del material objetivo, del tipo de proyectil, y especialmente del rango de energía. Sin embargo, la pérdida de energía asociada a excitaciones electrónicas, caracterizada como el poder de parada (stopping power) electrónico, es con diferencia el mecanismo más dominante e importante. Los primeros modelos de poder de parada debidos a Bohr, Bethe y Bloch presentaban una validez limitada para iones ligeros en régimen de alta velocidad.

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Superconductivity in the Presence of Spin-Dependent Fields

ROUCO MARTIN, MIKEL

Zuzendariak:
ARNAU PINO, ANDRES;
BERGERET SBARBARO, F.SEBASTIAN;
TOKATLY , ILYA
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021

Topological materials from a symmetry perspective

ROBREDO MAGRO IÑIGO

Zuzendariak:
BERGARA JAUREGUI, AITOR;
GARCIA VERGNIORY, MAIA
Laburpena:

Esta tesis doctoral se ubica dentro del reciente campo de física topológica, un área que ha cobrado interés dentro de la física de la materia condensada. Se hace especial hincapié en la conexión entre simetría y topología. Primero, describimos el formalismo de Química Cuántica Topológica, que es capaz de predecir y diagnosticar propiedades topológicas con base en las simetrías del sistema y en cómo transforman las funciones de Bloch en la Zona de Brillouin. Después, aplicamos el formalismo a un material aislante concreto, PbTe, del que se predijo que podía tener estado anómalos en la superficie en 1986. Se encuentra que el modelo es topológico, pero que la topología del material es fuertemente dependiente del parámetro de red del material real. Se hace también un análisis detallado de la topología de CoS2, una pirita ferromagnética que ha sido estudiada durante décadas. Se encuentran nodos de Weyl y líneas nodales, con sus respectivos estados de superficie, `drumhead¿ en la proyección de las líneas nodales, y arcos de Fermi que conectan la proyección de los nodos de Weyl. Completamos el estudio con una comparativa entre nuestros cálculos y medidas experimentales. Por último, encontramos un término de viscosidad nuevo, puramente tridimensional, y lo calculamos en un modelo magnético quiral, con posibles aplicaciones en materiales reales.

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Functional materials synthesis by surface-supported chemistry

MOHAMMED , MOHAMMED SABRI GAMAL

Zuzendariak:
GARCIA DE OTEYZA FELDERMANN, DIMAS
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021
Laburpena:

La química orgánica es un campo de investigación extremadamente maduro cuyos continuos avances han ido permitiendo la generación de materiales cada vez más refinados, caracterizados por fascinantes propiedades físicas y químicas. La aplicación de tales compuestos orgánicos nanoestructurados ha ido generando importantes impulsos al campo de la nanociencia. En los últimos 15 años se está desarrollando una nueva alternativa a la química convencional: la síntesis en superficies (¿on-surface synthesis¿, OSS) bajo condiciones de ultra alto vacío. Este nuevo planteamiento ha abierto nuevas puertas para la formación de nanoestructuras de carbono que no están al alcance de los métodos convencionales. Su aplicación para la síntesis de materiales orgánicos de baja dimensionalidad y con precisión atómica está mostrando un crecimiento en auge y tiene un enorme potencial para aplicaciones que incluyen nuevas tecnologías cuánticas. En esta tesis, este novedoso enfoque se aplica al crecimiento de diferentes tipos de materiales, seguido de una caracterización integral de las propiedades estructurales, químicas y electrónicas de los productos intermedios y finales. Para tal fin se ha utilizado principalmente la microscopía túnel de barrido a baja temperatura (4,3 K) en varios modos de medición, complementados con cálculos teóricos (DFT y métodos de partículas de sonda). En concreto se han estudiado los siguientes sistemas: (i) Química metal-orgánica, en la que se muestra la manera de controlar la estructura de enlace de tiolatos de oro y su estereoespecíficidad variando los parámetros de reacción en la superficie (recubrimiento y temperatura del sustrato). (ii) Química basada en pirenos. Usando moléculas de pireno funcionalizadas con alquinos, se investiga el efecto de los complejos metal-orgánicos descritos anteriormente en las reacciones de acoplamiento de alquinos. Los complejos metal-orgánicos no solo modifican el resultado de la reacción, sino que también reducen el umbral de la temperatura de activación, siendo por tanto un excelente ejemplo de síntesis en superficie de segundo orden (es decir, OSS del catalizador para dirigir nuevas reacciones de OSS). De otro lado, también se han utilizado pirenos funcionalizados con dos tipos de grupos funcionales distintos, como son los alquinos y átomos de Br. La presencia de ambos grupos funcionales permite nuevo abanico de reacciones que incluyen el tanto el acoplamiento de alquinos o el acoplamiento cruzado. El análisis de los productos resultantes y su abundancia tras tratamientos de calentamiento muestran una dominancia del acoplamiento de Glaser (acoplamiento de alquinos con pérdida de hidrógeno) como reacción inicial. Sin embargo, al utilizar un precursor no halogenado se observa una prevalencia de un acoplamiento sin pérdida de hidrógeno y una total ausencia de acoplamiento Glaser, evidenciando el papel crítico del Br en la reactividad de alquinos. Es importante destacar también que una comparación sistemática de las propiedades electrónicas de las diferentes estructuras de los productos ha permitido trazar importantes relaciones entre la estructura y las propiedades de los diversos tipos de acoplamientos entre pirenos. (iii) Química basada en aceno. Se ha estudiado la síntesis de acenos de gran tamaño, en concreto de heptaceno sobre Ag(001), a partir de precursores moleculares de tetrahidroheptaceno con y sin funcionalización adicional por átomos de Br. Se ha encontrado una variedad de productos intermedios que a menudo resultan de eventos de migración de hidrógeno. Sin embargo, el heptaceno es el producto final de los dos precursores y muestra un orbital LUMO completamente cargado. Centrándonos en los intermedios, se observa cómo dos átomos de carbono con hibridación sp3 en el segundo anillo de dihidroheptaceno son suficientes para causar el auto-desacoplamiento electrónico de la molécula y el sustrato. Se han investigado asimismo las señales magnéticas, evidenciadas en resonancias Kondo, asociadas a determinados escenarios de carga. Finalmente, utilizando precursores basados en acenos se ha explorado el impacto del sustrato en las reacciones de acoplamiento. En concreto se han utilizado superficies de Au(111) y Au(110), así como precursores de antraceno funcionalizados con halógenos y metilos. Sobre Au(111), una superficie atómicamente plana, se encuentran cinco tipos de productos covalentes, siendo el ¿starphene¿ con simetría de eje ternario el producto dominante. Por contra, sobre la superficie reconstruida de Au(110) 2×1, su simetría uniaxial promueve la formación de polímeros lineales no benzenoides. Esta tesis contribuye al campo de la ciencia de superficies, mostrando la posibilidad de sintetizar una variedad de nanomateriales novedosos basados en carbono mediante la síntesis en superficie, así como mediante la caracterización detallada sus propiedades. La comprensión de las propiedades físico-químicas de estos materiales avanzados es un paso de gran relevancia hacia sus futuras aplicaciones. ---- The mature research field of conventional solution-based chemistry has allowed for a continuous generation of increasingly refined materials with amazing physical and chemical properties. This has contributed to great advances in the field of organic nanomaterials. The development of the recently revealed surface-supported synthesis under ultrahigh vacuum conditions has opened new doors for the formation of defect-free low-dimensional carbon nanostructures that are not achievable by conventional means. This new field, typically termed on-surface synthesis (OSS), is lately showing a booming growth that resonates with almost all the requirements for promising quantum size materials with tunable physicochemical properties. In this thesis, this novel approach is applied for the growth of a variety of materials, followed by a comprehensive characterization of the structural, chemical and electronic properties of the intermediates and end-products. This is achieved mainly by scanning tunneling microscopy operating at low temperature (4.3 K) in various measurement modes, assisted by theoretical calculations (DFT and probe particle methods). In particular, the following systems have been studied: (i) Metal-organic chemistry, in which the stereospecific coupling motif of gold thiolates is found to be controllable by varying the on-surface reaction parameters (i.e. coverage and substrate temperature). (ii) Pyrene-based chemistry. With alkyne-functionalized pyrene molecules, the impact of the presence of metal-organic complexes on alkyne coupling reactions is investigated. The complexes do not only modify the reaction outcome, but also reduce its activation temperature threshold, becoming an excellent example of second-order on-surface synthesis (i.e. OSS of catalyst to steer following OSS reactions). Secondly, pyrenes are used that are functionalized with alkynes and also Br atoms, allowing for alkyne homo- and cross-coupling reactions. The resulting products and their relative abundance are explored thoroughly after different annealing steps, revealing a dominant Glaser-coupling product upon heating. The absence of the latter when using non-halogenated precursor evidenced the role of Br in this coupling reaction. Importantly, a systematic comparison of the electronic properties of the different product structures has allowed drawing important structure-property relations with regard to the various inter-pyrene coupling motifs. (iii) Acene-based chemistry. The synthesis of higher acenes is studied, in particular heptacene on Ag(001), starting from tetrahydroheptacene molecular precursors with and without additional functionalization by Br atoms. A variety of stable reaction intermediates is found, often resulting from hydrogen migration events. However, heptacene is the end-product from the two precursors and displays a fully charged LUMO orbital. Focusing on the intermediates, two sp3-hybridized carbon atoms present at the second ring of dihydroheptacene are shown as sufficient self-decoupling factors. Magnetic Kondo fingerprints associated to specific charging scenarios are investigated. Finally, the impact of the surface structure on coupling reactions with acene-based precursors is then explored. More specifically, Au(111) and Au(110) surfaces, as well as anthracene precursors functionalized with halogen and methyls are used with this aim. On Au(111), the atomically flat surface, five covalent coupling motifs are found, with the 3-fold symmetric starphene showing the highest occurrence upon annealing. In contrast, on Au(110), being a 2×1 reconstructed surface, the uniaxial symmetry of the surface promotes the formation of mainly linear non-benzenoid polymers along the grooves of this substrate. This thesis contributes to the surface science field by showing the possibility to synthesize a variety of novel carbon-based nanomaterials using on-surface synthesis methods. The second main contribution is the detailed characterization of the produced materials using surface-sensitive techniques assisted by theoretical calculations. A deep understanding of the physicochemical properties of these materials is a crucial step forward towards their ultimately progressing applications.

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Dynamics and structural features of biomolecules in aqueous environments - The cases of water and ice

MELILLO , JORGE HUMBERTO

Zuzendariak:
BITTNER , ALEXANDER;
CERVENY MURCIA, SILVINA
Aipamenak:
Nazioarteko tesia

Substrate-enhanced and subsurface infrared near-field spectroscopy of organic layers

MESTER , LARS

Zuzendariak:
HILLENBRAND , RAINER
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021
Laburpena:

La nano-espectroscopía infrarroja, basada en espectroscopía de transformada de Fourier de campo cercano (nano-FTIR), es una herramienta potente que permite la identificación química de materiales con una resolución espacial nanométrica. Sin embargo, hay muchas preguntas abiertas y desafíos relacionados con la técnica nano-FTIR. Por un lado, detectar una capa molecular de espesor nanométrico depositada sobre un sustrato estándar utilizado en espectroscopía infrarroja (como CaF2) es complicado debido a las débiles señales de nano-FTIR. Por otro lado, la capacidad de la utilización de la técnica nano-FTIR para analizar materiales subsuperficiales es un terreno que ha sido poco explorado. En esta tesis se demuestra, en primer lugar, que hay un aumento significativo en la señal al colocar la capa molecular sobre sustratos altamente reflectantes como el silicio o el oro.Además, se observa que hay un aumento en la señal al explotar el mecanismo de acoplamiento entre la punta y los polaritones del sustrato, y por iluminar la punta con polaritones de superficie. El aumento en la señal es alrededor de dos órdenes de magnitud sobre un sustrato de cuarzo fonón-polaritónico, en comparación a la señal obtenida sobre el sustrato de CaF2. En segundo lugar, se presenta la espectroscopía nano-FTIR de capas orgánicas subsuperficiales, en la que se observa que los espectros nano-FTIR de capas superficiales delgadas difieren de los espectros de las capas subsuperficiales del mismo material orgánico. Asimismo, se estudia la correlación de las diferentes características de los picos obtenidos por nano-FTIR, y se establece una metodología simple y robusta capaz de distinguir capas superficiales de capas subsuperficiales. Los resultados obtenidos son fundamentalmente importantes para impulsar la espectroscopía nano-FTIR hacia la detección rutinaria de monocapas y moléculas individuales y, además, para la interpretación de los espectros nano-FTIR de muestras multicapa, en particular para evitar que los cambios en los picos espectrales inducidos por la geometría se expliquen mediante efectos químicos. --- Infrared nanospectroscopy based on Fourier transform infrared near-field spectroscopy (nano-FTIR) is an emerging nanoanalytical tool with large application potential for label-free chemical characterization of organic and inorganic composite surfaces. However, there are many open questions and challenges related to nano-FTIR. On the one hand, the detection of thin organic layers is still challenged by weak nano-FTIR signals, when the organic layer is placed on standard substrates such as CaF2. On the other hand, the potential capability of nano-FTIR for subsurface material analysis is still largely unexplored terrain. In this thesis, it is first demonstrated that a significant enhancement of the nano-FTIR signal from a thin organic layer is obtained by placing the organic layer on highly reflecting substrates such as silicon or gold. An even further signal enhancement is demonstrated by exploiting polariton-resonant tip-substrate coupling and surface polariton illumination of the nano-FTIIR probing tip. A signal enhancement of up to nearly two orders of magnitude is achieved on a polaritonic quartz substrate, as compared to the standard IR substrate CaF2. Secondly, it is demonstrated that nano-FTIR spectroscopy of subsurface organic layers is possible, revealing that nano-FTIR spectra from thin surface layers differ from that of subsurface layers of the same material. Furthermore, various peak characteristics are studied and a simple and robust method for distinguishing surface from subsurface layers is established, without the need of theoretical modelling. The obtained results are critically important for boosting the sensitivity of nano-FTIR to ultra-thin organic layers and for interpreting nano-FTIR spectra of multilayer samples, particularly to avoid that geometry-induced spectral peak shifts are explained by chemical effects.

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Self-assembly and optical properties of gold nanoparticle superlattices for surface-enhanced Raman spectroscopy.

CHARCONNET , MATHIAS JEAN ADDI

Zuzendariak:
LIZ MARZAN, LUIS MANUEL;
SEIFERT , ANDREAS
Kalifikazioa:
Bikain
Urtea:
2021
Laburpena:

Esta tesis se centra en la fabricación y la caracterización óptica de clústeres de nanopartículas ordenados periódicamente, es decir super-redes plasmonicas, de cara a su uso como sustratos para espectroscopia Raman amplificada por superficies (SERS). Dichas super-redes presentan resonancias plasmónicas con unas propiedades ópticas sobresalientes, que surgen del acoplamiento entre los modos plasmónicos de los clústeres y el orden de difracción en el plano de la red. Por otra parte, se ha demostrado que este fenómeno puede ser aprovechado en la fabricación de sensores basados en espectroscopia Raman amplificada por superficies, obteniendo un incremento de la señal cuando la longitud de onda del plasmón de superficie coincide con la longitud de onda de la excitación Raman. En este sentido, la comprensión de los fenómenos de acoplamiento en las redes de clústeres de nanopartículas resulta crucial para optimizar del los sustratos plasmónicos de cara a sus aplicaciones en detección. Particularmente, un mayor control en los procesos de fabricación de sustratos plasmonicos es imprescindible para mejorar la reproducibilidad de dicha tecnología, al mismo tiempo que se aumenta su sensibilidad. En este contexto, el reto principal de esta tesis ha sido fabricar super-redes plasmonicas altamente ordenadas y estudiar sus propriedades ópticas, con el fin de optimizar sus capacidades de amplificación SERS.

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Spin-and Valley-Dependent Transport in Hybrid System and 2D Dirac Materials.

ZHANG , XIANPENG

Zuzendariak:
BERGERET SBARBARO, F.SEBASTIAN;
CAZALILLA GUTIERREZ, MIGUEL ANGEL
Aipamenak:
Cum Laude
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2020
Laburpena:

In this thesis, we aim to study the spin- and valley-dependent transport in hybrid system and twodimensional Dirac materials. In the first part, I study some spin-dependent and phase-coherent phenomena in hybrid structures. First, I present a full microscopic theory of the spin Hall magnetoresistance (SMR) in non-magnetic metal/magnetic insulator heterostructures. As examples, we apply it into both paramagnetic and ferromagnetic SMR, specifically Platinum/Gd3Ga5O12 (Pt/GGG) and Platinum/Europium sulfide (Pt/EuS), respectively. Furthermore, if non-magnetic metal is replaced by nanowire in proximity to superconductor below the critical temperature, we can study the interplay of magnetic and superconducting proximity effects. In the second part, I explore the possible mechanisms responsible for the classical versions of spin and valley Hall effects, and proposed the schemes for experimental detection of these effects by nonlocal resistance measurements. The understanding of the magnetic properties of nonlocal resistance is significant for the recent controversy about the physical origin of nonlocal resistance measured in Hall bar devices made of graphene decorated with absorbates, where the presence of large nonlocal resistance and the absence of Hanle oscillation, that is, an oscillation of the nonlocal resistance with in-plane magnetic field, suggest the possibility of the new origin of nonlocal resistance insensitive to magnetic field. (to be no

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Elaboration de Nanparticules de silicates de calcium hydratés en milleux fluides supercritiques.

MUSUMECI VALENTINA

Zuzendariak:
AYMONIER , CYRIL;
SANCHEZ DOLADO, JORGE
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Tesia Tutorekidetzan
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021

Density Functional Theory for Steady-State Thermoelectric Transport with Applications to Strongly Correlated Systems

SOBRINO COLL, NAHUAL CARLOS

Zuzendariak:
D'AGOSTA , ROBERTO;
KURTH , STEFAN
Aipamenak:
Nazioarteko tesia

Classical dynamics of gas-surface scattering: fundamentals and applications.

RODRIGUEZ FERNANDEZ, ALBERTO

Zuzendariak:
BONNET , LAURENT;
DIEZ MUIÑO, RICARDO
Aipamenak:
Cum Laude
Nazioarteko tesia
Tesia Tutorekidetzan
Kalifikazioa:
Bikain - Cum Laude
Urtea:
2021
Laburpena:

This thesis manuscript is devoted to the theoretical study of several reactive and non-reactive processes that take place at the gas-solid interface. Two classical trajec- tory methods, different and complementary, were used to simulate the dynamics of these processes. The first one relies on large sets of classical paths obtained by nu- merically solving Hamilton equations on a previously constructed potential energy surface (PES). Classical paths are then assigned statistical weights based on two semiclassical corrections: Gaussian binning and the adiabaticity correction. This approach, in a quantum spirit, was applied to the scattering of H2 on a Pd(111) sur- face. First, the study focused on collisions where H2 is initially in the rovibrational ground state. Then, rotationally excited states were considered. On this occasion, a variation of the adiabaticity correction based on firmer semiclassical grounds was introduced. In both cases, the predictions of the sticking and state-resolved reflec- tion probabilities were found to be in remarkably good agreement with those ob- tained through exact quantum time-dependent calculations, contrary to standard quasi-classical trajectory predictions. The classical approach in a quantum spirit could thus be very useful for future studies. The second method used in this work, known as Ab-Initio Molecular Dynamics (AIMD), calculates the inter-nuclear forces from density functional theory and uses them to classically move the nuclei. Contrary to the previous approach, AIMD does not require the very demanding construction of a PES. The price to pay, however, is that the numerical cost of each trajectory is much higher than with the previ- ous method. AIMD allowed us to study the dissociation process of H2 on W(110) surfaces. The functional we use includes a van der Waals term which provokes an increase of the far distance attraction that is compensated by a stronger repul- sion at short distances. The combination of both effects appreciably decreases the value of the dissociation probability, bringing it closer to the experimental result when a clean surface is used. When oxygen atoms are previously adsorbed on the surface, the dissociation probability drops considerably. This effect increases with the amount of oxygen on the surface. An ordered phase of O adsorbates on the W surface is used to explain the nonexistent sticking probability for coverages ¿ > 0.35 ML observed experimentally. We show that the oxygen atoms push the H2 molecules away from the narrow bottlenecks that open the paths to dissociation in the absence of oxygen atoms. This effectively eliminates any chance of dissociation in the surface for high coverages. At lower coverages, our calculations demonstrate that the dissociation dynamics resemble those in the clean surface just in very spe- cific surface regions.

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