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Tesis > TEMA

Física [ 418 tesis ]

Física del Estado Sólido [ 10 tesis ]

Hernando, Jorge A.. "Transiciones orden - desorden en cristales con multipolos reorientables" (1984) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En la presente tesis se propone un modelo electrostático para el estudio de las transiciones orden-desorden que tienen lugar en algunos cristales que poseen moléculas reorientables. En el capitulo I tras una breve recopilación de algunos hechos y teorías fundamentales en el campo de los fenómenos críticos, se analiza el rango de validez de la teoría de campo promedio. Para ello se mencionan dos posibles enfoques: el fenomenológico y el riguroso. El enfoque fenomenológico se basa en un análisis comparativo de la energia global del sistema y de las correlaciones y da lugar al denominado criterio de Ginzburg. El enfoque riguroso se basa en los análisis rigurosos hechos en sistemas donde el potencial de interacción es débil y de rango infinito (potencial de Kac). El resultado que se obtiene es que en el límite de interacciones con un rango infinito, la teoría de campo promedio es exacta. La consecuencia a extraer es clara: el rango de validez de la teoría de campo promedio para un sistema de moléculas que interactúan electrostáticamente va a ser mayor cuanto menor sea el orden de los momentos multipolares interactuantes. En el capitulo II se formula el modelo que constituye la base de esta Tesis. El sistema que se considera es, a nivel formal, una estructura cristalina de complejidad arbitraria en cuyos sitios se ubican moléculas que se describen con un número (en principio infinito) de multipolos puntuales reorientables que interactúan electrostáticamente. La aproximación de campo promedio se formula estableciendo que a) la probabilidad de encontrar en una cierta orientación a los multipolos ubicados en sitios equivalentes de la red está descrita por una única función de distribución (que solo varía al pasar a un sitio no equivalente), b) la interacción entre los multipolos está dada por su orientación promedio y c) la función de distribución se calcula minimizando la energía libre del sistema. El tratamiento formal general se detiene esencialmente en el principio variacional por dificultades técnicas relacionadas con el cálculo de las integrales necesarias y el desarrollo continua con ejemplos específicos que se consideran en los capítulos siguientes. En el capitulo III se consideran cristales tridimensionales. Primero se analiza un cristal formado por cargas y dipolos y, después de mostrar que la inclusión de la polarizabilidad no altera formalmente a las ecuaciones, se resuelve el problema variacional de este caso particular. Se aplica la solución encontrada a varios sistemas sencillos (cristal tetragonal con o sin campo externo, con o sin polarizabilidad) y se ve que a pesar de la sencillez de este modelo se encuentran los aspectos fundamentales de una transición ferroeléctrica (o antiferroeléctrica) -paraeléctrica. Tras una consideración de las limitaciones del modelo de dipolo puntual se concluye que el factor fundamental que falta tener en cuenta es el momento cuadrupolar. La inclusión de este momento permite considerar los efectos del entorno inmediatos de la molécula así como la forma y tamaño de ésta. También se concluye que los cristales a los que se puede aplicar este modelo deben ser cristales donde no se produzcan superposiciones de las nubes electrónicas debido a las reorientaciones maleculares. La última sección discute una posible ampliación del modelo de dipolo puntual (la molécula se describe por medio de un ramillete de dipolos) que consigue los efectos buscados a costa de complicar el análisis numérico de las ecuaciones resultantes. En el capítulo IV se consideran sistemas bidimensionales formados por cuadrupolos puntuales. Se encuentra una fuerte interrelación entre el tipo de transición de fase resultante y la simetría tanto de la red cristalina como de los cuadrupolos allí ubicados. Finalmente se aplica este modelo a un sistema de interés actual tanto desde el punto teórico como experimental: una monocapa de N2 adsorbida en grafito. Tras una breve reseña de los principales resultados experimentales y teóricos, se muestran los resultados de aplicar el modelo desarrollado. Los resultados son satisfactorios y la última parte de la sección incluye una breve discusión de porqué la aproximación de cuadrupolo puntual es razonable en la molécula N2. El capítulo V constituye una recopilación in extenso de las conclusiones de este trabajo y los apéndices incluyen detalles técnicos que no fueron incluídos en el cuerpo principal de la Tesis.

Weht, Ruben Oscar. "Aplicación de la teoría funcional de la densidad al cálculo de propiedades electrónicas en superconductores de alta temperatura crítica" (1995) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Luppo, María Inés. "Influencia de los defectos microestructurales sobre el fenómeno de fragilización por hidrógeno en aceros" (1997) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Con el nombre de fragilización por hidrógeno (FPH) se describen los efectos nocivos del hidrógeno sobre las propiedades físicas y mecánicas de los materiales. A pesar de las intensas investigaciones, la fragilización por hidrogeno no esta aun completamente entendida. Sin embargo, se ha establecido que el efecto de atrapamiento por los defectos de la red, contribuye directamente a todos los mecanismos de fragilización. En este trabajo estudiamos los efectos de la variación de la microestructura sobre la FPH en un acero de bajo carbono (ASTM A516 G60) y un acero inoxidable austenitico (AISI 304), ambos de gran uso en medios hidrogenados. En el caso del acero al carbono, cambiamos la microestructura presente en las uniones soldadas de este material (estructura martensitica) por medio de un revenido a baja temperatura, 453 K, y a alta temperatura, 753 K. Evaluamos la modificación de las trampas para el hidrogeno (los defectos del material) mediante la técnica de la microimpresión de hidrogeno, la técnica de la permeación de hidrogeno y ensayos de fisuración. Los resultados mostraron que en el acero de bajo carbono, las interfases entre listones de martensita son los principales sitios de atrapamiento para el hidrogeno en la martensita sin revenir. Estos sitios van perdiendo su poder de atrapamiento a medida que aumenta la temperatura de revenido. Este hecho, visualizado mediante la técnica de la microimpresión de hidrogeno, coincide con el aumento de la difusividad de hidrogeno y la disminución de la FPH. En el revenido a baja temperatura, la disminución del poder de atrapamiento de las interfases entre listones fue atribuida al relevado de tensiones por reordenamiento de dislocaciones producido por el crecimiento de los carburos. Este hecho, puesto en evidencia a través de la técnica de la permeación de hidrogeno, permitió además obtener la cinética de precipitación de carburos. En cambio, para el revenido a alta temperatura, la reducción del atrapamiento fue atribuida a la disminución de la densidad de dislocaciones. En lo que respecta al acero inoxidable, la microestructura estudiada fueron uniones soldadas formadas por austenita y distintos contenidos de ferrita delta. Estudiamos la influencia de esta ultima fase sobre la distribución de hidrogeno en la microestructura por medio de la técnica de la microimpresión de hidrogeno. Evaluamos el danio causado por el hidrogeno a través de ensayos de fisuración y de tracción. La técnica de la microimpresión de hidrogeno puso en evidencia que las interfaces ferrita-austenita actúan como trampas para el hidrogeno. La presencia de ferrita hace que el material sea más susceptible frente al hidrogeno, a mayor cantidad de ferrita es mayor la FPH, pero fundamentalmente modifica la forma en que el hidrogeno dania al material: la austenita ya no se fractura fragilmente sino que lo hace de manera dúctil, acompañando la fractura frágil de la ferrita. Las técnicas empleadas en el presente trabajo demostraron, de manera clara y precisa, el rol fundamental que juegan las trampas en la FPH de los materiales.

Abstract:
Hydrogen embrittlement (HE) is the deleterious effects of hydrogen on the physical and mechanical properties of materials. Despite intense investigation, hydrogen embrittlement is not completely understood yet. However, it has been established that the trapping effect by lattice defects, contributes directly to all embrittlement mechanisms. In this work the effects on the HE due to variation of the microstructure were studied on a low carbon steel (ASTM A516 G60) and an austenitic stainless steel (AISI 304), both of great use in hydrogenated environments. In the case of the low carbon steel, the microstructure presents in welded unions of this material (martensitic structure) was changed by means of tempering at low temperature, 453 K, and at high temperature, 723 K. The hydrogen traps modifications was evaluated by means the hydrogen microprint technique, hydrogen permeation test and hydrogen embrittlement tests. The results showed that in the low carbon steel, the laths interfaces of martensite are the main hydrogen trapping sites in the fresh-martensite. The trapping power of these sites decrease as the tempering temperature increases. This fact, visualised by means of the hydrogen microprint technique, is in coincidence with the increase of the hydrogen diffusivity and the decrease of the HE. In the low temperature tempering, the decrease in trapping power of the laths interfaces was attributed to stress relaxation by dislocation rearrangements produced by carbides precipitation. This fact, put in evidence through the hydrogen permeation tests, allowed also to obtain carbides precipitation kinetics. On the other hand, in the high temperature tempering, the reduction of the trapping was attributed to the decrease in the dislocations density. For the stainless steel, the microstructure tested were welded unions consisting of austenite with different contents of delta ferrite. The influence of this last phase on the hydrogen distribution in the microstructure was studied by means the hydrogen microprint technique. The damage caused by the hydrogen was evaluated through bending tests and tensile tests. The interfaces ferrite-austenite result as hydrogen traps, put in evidence by means the hydrogen microprint technique. The presence of ferrite increases the susceptibility to hydrogen, the more quantity of ferrite the more HE, but basically it modify the form in which the hydrogen damages the material: the austenite changes from its normal fragile fracture to ductile fracture, accompanying the ferrite fragile fracture. The techniques employed in this work demonstrated, in a clear and precise way, the role of traps in HE.

Guevara, Alejandro Javier. "Estabilidad y propiedades electrónicas de agregados de metales de transición" (1998) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Durante los últimos años ha habido un gran interés en el estudio de pequeños agregados (clusters) metálicos. En particular, los clusters de metales de transición (MT) son muy atractivos por su magnetismo y reactividad química en conección con los procesos catalíticos. En esta tesis mostramos que es posible estudiar propiedades electrónicas de pequeños agregados de MT teniendo como punto de partida parámetros del estado sólido. Proponemos primero un porencial modelo semiempírico para simular propiedades de materiales y clusters de MT. La parte atractiva del potencial se obtiene a partir de un Hamiltoniano de uniones fuertes que tiene en cuenta la simetría de los orbitales d y conduce a una dependencia con la potencia 2/3 de la coordinación efectiva (o segundo momento de la densidad local de estados) en lugar de la dependencia usual de la raíz cuadrada. Para el uso de este modelo de potencial en materiales especificos, se deben ajustar cuatro parámetros con datos experimentales del volumen. Presentamos dos tipos de parametrización y calculamos propiedades del volumen, defectos, superficies, y de clusters, comparando con experimentos, cálculos ab initio, y la aproximación usual del segundo momento. En una segunda etapa mostramos que nuevamente el uso de parámetros del volumen con un buen tratamiento de las superficies da las herramientas necesarias para cálculos de estructura electrónica de clusters de MT, en el marco de un Hamiltoniano Hubbard parametrizado en la aproximación de Hartree-Fock irrestricta. El Hamiltoniano modelo tiene en cuenta el ”spillover” electrónico que se produce en la superficie del cluster. Hacemos los cálculos para clusters fcc y bcc de hasta 260 átomos haciendo uso de propiedades de simetría. Obtenemos momentos magnéticos (por átomo y capa) y potenciales de ionización para clusters de Ni, de Co y de Fe. También calculamos las propiedades magnéticas de clusters mixtos, específicamente clusters de Co recubiertos de Ag. Mostramos como el momento magnético total de estos sistemas presenta un amplio rango de posibles valores dependiendo de la distibución de los átomos de Ag en la superficie. Esto último podría tener importantes consecuencias en la magnetorresistencia de sistemas granulares. Comparamos con cálculos ab initio (FP-LAPW) periódicos hechos para algunas estructuras particulares.

Abstract:
During the last decade there has been great interest in the study of small metallic clusters. In particular, transition-metal (TM) clusters are very attractive because of their magnetic and chemical reactivity in connection with catalytic processes. In this thesis we show that it is possible to study the properties of small TM clusters by taking as starting point parameters from the bulk state. We propose first a semiempirical model potential to simulate properties of fcc TM materials and clusters. The attractive part of the potential is obtained from a tight-binding Hamiltonian that takes into account the symmetry of the d orbitals and leads to a 2/3 power dependence on the effective coordination (or second moment of the local density of states) instead of the usual square-root dependence. In order to use this potential for specific materials, four parameters are adjusted with bulk experimental data. We present two different parametrizations and calculate hulk. defect, surface, and cluster properties comparing with experiment, ab initio calculations. and the usual second-moment approximation. In a second step we show that. again. the use of bulk parameters with a good treatment of the surfaces gives the necessary tools for electronic structure calculations of TM clusters within a parametrized Hubbard Hamiltonian in the unrestricted Hartree-Fock approximation. The model Hamiltonian takes into account electron spillover on the cluster surface. We perform calculations for fcc and bcc clusters of up to 260 atoms making use of symmetry properties. We obtain magnetic moments per atom and shell. and ionization potentials for Ni, Co and Fe clusters. We also calculate the magnetic properties of mixed clusters, specifically, Co clusters covered by Ag atoms. We show that the total magnetic moment of these systems presents a wide range of possible values depending on the distribution of Ag atoms on the surface. This last finding could have important consequences for the Giant Magnetoresistance Effect of granular systems. We compare with 3D FP-LAPW calculations done for some particular structures.

Larotonda, Miguel Antonio. "Láser de ND:YAG con Mode-Locking por lente de Kerr bombeado por diodos" (2002) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En los últimos años se han hecho progresos significativos en el estudio y desarrollo de láseres de estado sólido. La mayoría de los avances se basan en el desarrollo de nuevos materiales láser, fuentes de excitación óptica más eficientes y más potentes, y nuevos conceptos en geometría de cristales y diseños de láseres. El presente trabajo está dirigido al diseño, análisis y caracterización de sistemas láser de estado totalmente sólido con Mode-Locking pasivo por efecto Kerr (KLM). Se entiende por un sistema de estado totalmente sólido a un láser de estado sólido excitado por medio de un láser semiconductor o diodo láser. Tales sistemas combinan la robustez y practicidad de los materiales en estado sólido como medios activos con las ventajas de los láseres semiconductores con fuentes de bombeo frente a otros sistemas tradicionales (precio, potencia disponible, diseño compacto). En particular, en esta Tesis se estudia un láser de Nd:YAG como fuente de pulsos de picosegundos y se obtiene por primera vez KLM en láser de Nd:YAG bombeado por diodos. Se establecen las pautas para el diseño de la cavidad del láser pulsado, al maximizar los efectos no lineales que producen los pulsos. Asimismo, se plantea y discute un modelo simple que reproduce las características principales del sistema, teniendo en cuenta sólo la potencia y duración de los pulsos como variables. También se estudian regímenes de funcionamiento anómalo de varios pulsos por tránsito, y el fenómeno de auto-modulación de amplitud como generador de los mismos. Finalmente, se desarrolla una forma de cuantificar el efecto de modulación de amplitud no lineal, de manera de poder incluir este efecto en diseños o estudios de cavidades para láser KLM. De esta forma, se agregan herramientas para el estudio y diseño de láseres de ancho de banda angosto.

Abstract:
In recent years, significant progress has been achieved on the study and development of all-solid-state lasers. Most of this improvement is based on the development of new laser materials (new concepts in crystal geometry), optical pumping sources with improved efficiency and power, and new concepts on laser cavity design. This work is devoted to the design, study and characterization of Kerr-Lens mode locking (KLM) in all-solid-state laser systems. For all-solid-state system is intended a diode-pumped solid state (ion) laser. Such systems combine the robustness and practical features of solid state materials as active media with the advantages of semiconductor laser pumping, compared with traditional pumping systems (price, available power, compact design). In particular, in this Thesis, a Nd:YAG laser as a picosecond pulse source is studied and KLM is obtained for the first time in diode-pumped Nd:YAG laser. A specific outline for the pulsed laser cavity design is established, maximizing the non-linear effects that generate the pulses. Also, a simple model that reproduces the main features of the system is stated and discussed. Anomalous regimes of many pulses per round-trip, and the self-amplitude modulation phenomenon as its generator are studied as well. Finally, in order to be able to include this effect in designing or studying KLM laser cavities, a way of quantifying this non-linear amplitude modulation effect is developed. In this manner, we improve the ability of understanding narrow bandwidth pulsed laser systems.

Urdaníz, María Corina. "Interacciones magnéticas en nanoestructuras de metales de transición depositadas sobre sustratos no metálicos" (2014-03-27) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En este trabajo de tesis, a partir de cálculos de primeros principios, realizamos un estudio sistemático de la interacción magnética entre átomos de metales de transición 3d (Cr,Mn, Fe, y Co) al depositar cadenas de losmismos sobre unamonocapamolecular de nitruro de cobre (Cu2N) crecida sobre Cu(001). Nos propusimos reconocer el tipo de interacción magnética que subyace al magnetismo de estas cadenas y analizar, a su vez, como las propiedades magnéticas dependen del sitio de depósito de las mismas. Se comprobó que el efecto del sustrato, que es fuertemente covalente, es muy importante, obteniéndose que distintas geometrías de adsorción dan distinto estado fundamental magnético para una misma cadena y una misma distancia interatómica. Nuestros cálculos indican que en una de las geometrías, la interacción magnética más importante entre los átomos 3d es la de superintercambio. En esta configuración, el estado fundamental como función del llenado de la banda d, pasa de ser no magnético a ser ferromagnético, para finalmente ser antiferromagnético al final de la serie 3d. Posteriormente, y debido a la importancia de la interacción sp-d en la determinación de las interacciones magnéticas en estos sistemas, realizamos los cálculos reemplazando la monocapa de Cu2N por dióxido de cobre (Cu2O ). Estudiamos la dependencia de ls interacción magnética de tipo superintercambio entre los átomos de metal de transición (MT) de las cadenas, con el átomo mediador: nitrógeno (N) u oxígeno (O), según corresponda. Analizamos estos sistemas estudiando primero cadenas libres diatómicas del tipo MT-N y MT-O. Obtuvimos que el comportamiento de estas cadenas es muy similar a lo que se obtiene cuando las cadenas son depositadas sobre una monocapa de Cu2O. Con el objetivo de comprender la naturaleza de esta interacción, introdujimos un Hamiltoniano modelo de tipo superintercambio. Estimamos los parámetros necesarios que determinan la energía de intercambio utilizando la información procedente de las bandas obtenidas de los cálculos ab initio para las cadenas diatómicas MT-N y MT-O. Demostramos que un simple conjunto de parámetros y el uso de supuestos físicamente razonables podrían explicar las tendencias magnéticas observadas. Debido a su importancia para la espintrónica, se obtuvo además , la energía de anisotropía magnética de impurezas y cadenas de átomos de Cr, Mn y Fe depositadas sobre Cu2N/Cu(001). Determinamos los ejes fáciles de magnetización para todas las geometrías de adsorción. Finalmente, se presenta una discusión sobre cómo se modificarían las características de las interacciones mencionadas en función del ancho de capa de nitruro de cobre, considerando cadenas atómicas depositadas sobre bicapas y tricapas del nitruro.

Abstract:
In this thesis, we performed ab initio calculations, to do a systematic study of the magnetic interactions among 3d transition metal (TM) atoms (Cr, Mn, Fe and Co) building chains deposited on a molecular Cu2N monolayer, grown on Cu(001). The goal behind this study has been to recognize the type of magnetic interactions that underlie the magnetism of these chains, and also to analyze how the magnetic properties depend on the site of adsorption of the TM atoms. We find that the effect of the substrate, which is strongly covalent, is extremely important, obtaining that different adsorption geometries give rise to differentmagnetic ground states for the same chain and the same interatomic distances. Our calculations indicate that in one of the studied adsorption geometries, the more importantmagnetic interaction among the 3d atoms is superexchange-like. For this configuration, we find that the magnetic ground state as a function of increasing ’d’ filling, goes from non magnetic to ferromagnetic and finally to antiferromagnetic, at the end of the 3d series. Due to the importance of the sp-d interaction in determining the magnetic behavior of these systems, we performed calculations replacing the Cu2N monolayer by a copper oxide (Cu2O) monolayer and studied the dependence of the superexchange like magnetic interaction with the mediating atom: nitrogen (N) or oxygen (O). We started by studying unsupported diatomic chains of the TM-N and TM-O type, and obtained that the behavior of these chains is very similar to the one they show when deposited on the Cu2O monolayer. In order to understand the nature of this interaction, we introduced a superexchange model Hamiltonian and estimated the necessary parameters that determine the exchange energy using the information coming from the ab initio obtained bands for the unsupported diatomic chains. We demonstrated that a simple set of parameters and the application of physically reasonable assumptions are able to explain the observed magnetic trends. Due to its importance for spintronics, we also obtained themagnetic anisotropy energy of impurities and chains of Cr, Mn and Fe deposited on Cu2N/Cu(001).We determined the easy axis of magnetization for all adsorption geometries. Finally, a discussion is presented on how the characteristics of the interactions can be modified when the width of the underlying covalent substrate is increased.

Patterson, Germán A.. "Estudio de la dinámica de los sistemas memristivos : efecto del ruido y la temperatura en el fenómeno de la conmutación resistiva" (2014-12-19) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El objetivo de esta Tesis es el de estudiar el efecto del ruido eléctrico y la temperatura en sistemas memristivos. Este tipo de sistemas presenta el fenómeno conocido como conmutación resistiva (CR), en el cual se basan las memorias electrónicas ReRAM. Básicamente, la CR se caracteriza por el cambio abrupto de la resistencia eléctrica del material ante la presencia de un campo eléctrico externo. Se comienza por estudiar la influencia del ruido, tanto interno como externo, con un modelo memristivo sencillo. Según este modelo, solo el ruido interno produce un efecto beneficioso, esto es, aumenta el contraste resistivo. Luego, se presentan resultados de experimentos en una muestra del tipo manganita donde el ruido externo aumenta el contraste resistivo. Utilizando otro modelo que se encuentra en la literatura, se reproducen cualitativamente los resultados observados. A partir de este estudio, se encuentran las características generales que un modelo de la dinámica de la CR debe cumplir para que el ruido agregado externamente mejore el contraste resistivo tal como resulta en los experimentos. A continuación, se estudia el efecto combinado del ruido y la temperatura sobre la dinámica de la manganita. Se realizan experimentos a distintas temperaturas encontrando que el ruido aumenta el contraste en todo el rango considerado. Se logran reproducir los resultados experimentales, combinando un modelo que describe la CR con uno que da cuenta del cambio resistivo con la temperatura. Se estudian, también, tiempos de relajación luego de excitar la muestra. Asociando dicha relajación a la difusión de vacancias de oxígeno, se estiman el coeficiente de difusión y la energía de activación, obteniéndose valores consistentes a los encontrados en la literatura. Finalmente, en esta Tesis se demuestra que el ruido produce un efecto beneficioso en el fenómeno de la CR. Este resultado puede ser relevante en el área de los sistemas de almacenamiento y procesamiento de información, donde los altísimos niveles de integración electrónica hacen que la presencia del ruido no pueda ser soslayada.

Abstract:
The objective of this Thesis is to study the effect of electrical noise and temperature on memristive systems. These systems exhibit the phenomenon of resistive switching (RS), which ReRam electronic memories are based on. Basically, RS is characterized by an abrupt change of the resistance under the presence of an external electric field. We begin by studying the influence of both internal and external noise using a simple memristive model. In this model, only internal noise produces a beneficial effect, that is, leads to an increase in the resistive contrast. Then, results of experiments performed on a manganite sample are presented, showing that external noise does indeed increase the resistive contrast. These results are qualitatively reproduced by using another model found in the literature. From this study, some general characteristics are found for a model aimed at describing the RS phenomenon in the presence of noise. Further on, we study the influence of both noise and temperature on the dynamics of the manganite sample. Experiments are performed at different temperatures, and noise is found to increase the resistive contrast in the full temperature range. Experimental results are succesfully reproduced by combining a model that describes RS with another model that accounts for the change of the resistance with temperature. Relaxation times after pulsing are studied. Relating the relaxation process to oxygen-vacancy diffusion, the estimated activation energies and diffusion coefficients are found consistent with published results. Finally, in this Thesis it is shown that noise has a beneficial effect on the phenomenon of RS. This finding may prove relevant in the area of memory devices and data processing, where the high levels of electronic integration render the presence of noise unavoidable.

Ríos Rubiano, Carlos Alberto. "Interacción dinámica rápida de partículas y campos electromagnéticos con superficies metálicas" (2015-03-13) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tesis se expone la investigación desarrollada durante la realización del doctorado, la cual abarca el estudio de las superficies metálicas a través de su interacción tanto con fotones - campos electromagnéticos - como con partículas - átomos neutros. En lo referente a la interacción con campos electromagnéticos, la labor se centró en el estudio de las transiciones electrónicas desde la banda de valencia del metal producidas por la incidencia rasante de pulsos láser ultra-cortos, con duraciones del orden de los femto- o atto-segundos. Mientras que en el caso de la interacción con partículas, la investigación estuvo focalizada en la difracción de átomos rápidos, con energías del orden de los keV , por incidencia rasante sobre la superficie cristalina (GIFAD, por sus siglas en inglés). En ambos casos la finalidad del trabajo es estudiar la in uencia del potencial superficial, cuya precisa y detallada representación resulta crucial para la correcta descripción de recientes resultados experimentales en ambas líneas . En los primeros capítulos de la tesis se estudia la fotoemisión electrónica desde la banda de valencia de una superficie metálica debido a la incidencia rasante de pulsos láser ultra-cortos, poniendo especial énfasis en los efectos debidos a la estructura de bandas electrónica. Para ello se propone un método aproximado, dentro del marco de la formulación de onda distorsionada dependiente del tiempo, llamado aproximación Band-Structure-Based-Volkov (BSB-V). Dicho método incluye una representación realista del potencial superficial, dada por un modelo de pseudo-potencial unidimensional que tiene en cuenta efectos de la estructura de bandas del metal. La aproximación BSB-V propuesta se aplicó al cálculo de probabilidades doble diferenciales de fotoemisión -resueltas en energía y ángulo del electrón emitido- desde la banda de valencia de superficies de aluminio y berilio. Como resultado de esta investigación se encontró que en el caso del berilio la estructura de bandas electrónica ejerce una notable in uencia sobre las distribuciones de electrones emitidos, mientras que para el aluminio tales efectos juegan un papel menor. El método BSB-V nos permitió además analizar la contribución de los estados electrónicos superficiales (SESs, por sus siglas en inglés) parcialmente ocupados, hallándose que para la superficie de berilio estos estados producen modificaciones que podrían ser experimentalmente observables en los espectros de emisión electrónica. Por otra parte, con la motivación de determinar los efectos debidos a la orientación cristalográfica del material se evaluaron las distribuciones electrónicas para dos diferentes caras del aluminio - Al(111) y Al(100) - observándose que las diferencias entre los espectros correspondientes dependen fuertemente de los parámetros del pulso. Los resultados de la aproximación BSB-V fueron también contrastados con valores derivados a través de la resolución numérica de la ecuación de Schrëodinger dependiente del tiempo (TDSE), encontrándose una excelente concordancia, lo que brinda confiabilidad al modelo propuesto. También se analizó el rol desempeñado por el potencial inducido dentro del modelo BSB-V. Dicho potencial describe la respuesta electrónica dinámica del material al campo eléctrico externo, la cual, dependiendo de las características del pulso, puede alterar marcadamente los espectros de emisión electrónica. En particular, sus efectos se tornan visiblemente evidentes para pulsos con frecuencia portadora cercana a la del plasmón superficial, donde aparecen contribuciones resonantes, y para pulsos con baja frecuencia, en el rango infrarrojo, en donde el comportamiento del material se asemeja al correspondiente caso estático. Por otra parte, dado que recientemente se publicaron resultados experimentales de emisión fotoelectrónica desde una superficie de magnesio , obtenidos con la técnica de espectroscopía de atto-segundos, se calcularon distribuciones fotoelectrónicas para esta superficie considerando pulsos con diferentes duraciones y frecuencias, trazando así un camino para avanzar con el desarrollo de la descripción teórica del problema. En la segunda parte de la tesis se investiga la difracción de átomos rápidos de helio que inciden en forma rasante sobre una superficie de Ag(110). En este caso los resultados fueron comparados con datos experimentales del grupo de P. Roncin (Universitè Paris-Sud, Francia), con el que se trabajó en colaboración, siendo los patrones de difracción experimentales una herramienta extremadamente sensible para probar el modelo de potencial superficial. En este caso la interacción proyectil-superficie fue representada con un modelo ab-initio derivado en el marco de la teoría de funcional densidad (DFT), mientas que el proceso de colisión elástica, característico de la difracción, fue descripto por medio de la aproximación Superficial Eikonal (SE). La aproximación SE es un método de onda distorsionada que tiene en cuenta la interferencia cuántica entre las contribuciones procedentes de diferentes trayectorias del proyectil, las cuales son evaluadas a partir de la dinámica clásica considerando la completa corrugación del potencial superficial. A partir del buen acuerdo observado entre las distribuciones de momento teóricas y experimentales correspondientes a incidencia a lo largo de diferentes direcciones cristalográficas se concluyó que el modelo de potencial propuesto brinda una adecuada descripción de la interacción superficial en el rango de energías perpendiculares a la superficie del orden de los cientos de meV . Dado que en los procesos de GIFAD desde superficies metálicas las transiciones inelásticas son consideradas una fuente importante de decoherencia, se estudió también la energía perdida por los átomos de helio axialmente dispersados desde la superficie de Ag(110) con el fin de investigar la influencia de los procesos disipativos en los patrones de difracción. Las distribuciones finales de momento del proyectil fueron evaluadas dentro de un formalismo semi-clásico que incluye efectos disipativos debido a excitaciones electrón-hueco por medio de una fuerza de fricción dependiente de la densidad electrónica local. Para incidencia a lo largo de una dirección de bajo índice cristalográfico, con una dada energía de impacto, el modelo predice la presencia de marcadas estructuras en el espectro de pérdida de energía, las cuales proporcionan información detallada acerca de la dependencia de la pérdida de energía con la trayectoria del proyectil. Sin embargo, estas estructuras desaparecen completamente cuando se toma en cuenta la dispersión experimental del haz incidente, dando lugar a una distribución de pérdida de energía suave, en buen acuerdo con los datos experimentales disponibles . Además, nuestros resultados sugieren que los procesos inelásticos producen un fondo casi constante en la distribución de momento transversal de los proyectiles dispersados, excepto en los extremos del espectro, donde aparecen máximos asociados al denominado rainbow clásico. Finalmente concluimos que los patrones de difracción experimentales son bien reproducidos a partir de la adición de las contribuciones elásticas e inelásticas.

Abstract:
In this thesis we expose the research developed during the doctoral studies, which involves the investigation of metal surfaces through its interaction with both, photons - electromagnetic fields - and particles - neutral atoms. With regard to the interaction with electromagnetic fields, the work focuses on the study of electronic transitions from the valence band of the metal produced by grazing incidence of ultra-short laser pulses, with durations of the order of femto- or atto-seconds. Concerning the interaction with particles, the investigation is centered on the diffraction of fast atoms, with energies of the order of keV s, by grazing incidence on crystal surfaces (GIFAD). In both cases the purpose is to study the in uence of the surface potential, whose precise and detailed representation is crucial for the proper description of recent experimental results on both lines . In the first chapters of the thesis we study the photoelectron emission from the valence band of a metal surface due to grazing incidence of ultra-short laser pulses, with special emphasis on the in uence of the electronic band structure. With such an aim we developed an approximate method within the framework of the time-dependent distorted wave formalism, named Band-Structure-Based-Volkov (BSB-V). The proposed approach includes a realistic representation of the surface potential, given by a one-dimensional pseudo-potential model , which takes into account effects of the band structure of the metal. The BSB-V approach was applied to calculate double differential photoemission probabilities -resolved in energy and angle of the emitted electron- from the valence band of aluminum and beryllium surfaces. As a result of this investigation it was found that in the case of beryllium, the electronic band structure has a remarkable in uence on the distribution of the emitted electrons, whereas for aluminum such effects play a minor role. The BSB-V method allowed us to analyze the contribution of partially occupied surface electronic states (SESs), observing that for the beryllium surface, these states produce modifications that might be experimentally observable in the electron emission spectra. On the other hand, in order to determine the in uence of the crystallographic orientation of the material, electronic distributions for two different faces of the aluminum -Al(111) and Al(100)- were evaluated, concluding that the differences between the corresponding spectra depend strongly on the pulse parameters. BSB-V results were also contrasted with values derived by means of the numerical solution of the time dependent Schrëodinger equation (TDSE), finding an excellent agreement, which confirms the reliability of the proposed model. We also investigate the role played by the induced potential within the BSB-V approach. This potential describes the dynamic response of the material to the external electric field. Depending on the characteristics of the pulse, the induced potential can markedly modify the electron emission spectra. These effects become more evident for pulses with carrier frequencies close to the surface plasmon one, where resonant contributions appear, and for low-frequency pulses, in the infrared range, where the induced field tends to the static limit. Furthermore, since experimental data of photoelectron emission from a magnesium surface, obtained with the attoseconds spectroscopy technique, were recently reported , we present electron distributions for this surface, derived within the BSB-V approximation by considering pulses with different durations and frequencies. Such a research represents a step forward to the complete understanding of the problem. In the second part of the thesis, diffraction patterns of fast helium atoms grazing scattered off a Ag(110) surface are investigated. Our theoretical results were compared with experimental data of the group of P. Roncin (Universitè Paris-Sud, Francia), with whom we worked in collaboration. Since GIFAD patterns are extremely sensitive to the surface interaction, we use experimental momentum distributions of GIFAD to evaluate the performance of a surface potential model derived from ab-initio calculations obtained from Density Functional Theory (DFT). To deal with the elastic collision process involved in the diffraction phenomenon we use a semi-classical method, named Surface Eikonal (SE) approximation. The SE approach is a distorted wave theory that takes into account the quantum interference among transition amplitudes corresponding to different projectile trajectories, which are evaluated from classical dynamics including the complete corrugation of the surface potential. The good agreement between experimental and theoretical projectile distributions allows us to conclude that the proposed potential model provides an adequate description of the surface interaction in the range of energies associated with the initial motion perpendicular to the surface of the order of the hundreds of meV s. In addition, in order to analyze the in uence of dissipative processes in diffraction patterns we study the energy lost by helium atoms axially scattered from a Ag(110) surface. Final projectile distributions were evaluated within a semi-classical formalism that includes dissipative effects due to electron-hole excitations by means of a friction force that depends on the local electron density. For incidence along a low index crystallographic direction with a given impact energy, the model predicts the presence of structures in the energy loss spectrum, which provide detailed information about the dependence on the projectile trajectory. However, these structures disappear completely when the experimental dispersion of the incident beam is taken into account, resulting in a smooth energy loss distribution, in good agreement with available experimental data . Moreover, our results suggest that inelastic processes produce a nearly constant background in the transverse momentum distribution of scattered projectiles, except around classical rainbow angles, where rainbow maxima are present. Finally, we conclude that experimental diffraction patterns are well reproduced from the addition of the elastic and inelastic contributions.

Schulman, Alejandro Raúl. "Memorias resistivas en interfases óxido-metal" (2015-03-25) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las memorias resistivas están entre los principales candidatos a ser utilizados como elementos en una nueva generación de memorias no volátiles. Esto se debe a su bajo consumo energético, una alta velocidad de lectura/escritura y a la posibilidad de lograr memorias de alta densidad compatibles con los procesos de la tecnología CMOS actual (por sus siglas en inglés: Complementary Metal–Oxide–Semiconductor). El funcionamiento de estas memorias se basa en la conmutación resistiva (CR), que consiste en el cambio controlado de la resistencia de una interfase metalóxido a través de estímulos eléctricos. Si bien hasta el presente no se ha podido determinar con certeza el mecanismo físico que controla la CR, se piensa que está basado en el movimiento de vacancias de oxígeno que formarían de manera reversible zonas de alta/baja conducción dentro del óxido. La presente tesis tiene como objetivo principal entender los mecanismos físicos que gobiernan a la CR y poner en evidencia algunos de los aspectos esenciales que pueden contribuir a lograr dispositivos útiles desde el punto de vista tecnológico. Para ello se han realizado estudios de las características principales de la CR para distintas interfases metal-óxido a distintas condiciones de temperatura. Se han utilizado Au, Pt y Ag como metales y los siguientes óxidos complejos YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) y La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). Se han elegido estos óxidos complejos debido a que presentan características similares, como ser materiales fuertemente correlacionados con una estructura cristalina tipo perovskita y una alta movilidad de oxígenos, lo que afecta muchas de sus propiedades físicas, ya que dependen fuertemente de la estequiometría. Nuestros resultados han demostrado la existencia de una CR bipolar en todos estos sistemas. Ésta es explicada satisfactoriamente a través de un modelo de difusión de vacancias de oxígeno asistidas por campo eléctrico. Se han caracterizado las interfases como dispositivos de memoria, estudiando sus mecanismos de conducción, encontrándose una conducción dominada por un mecanismo del tipo Poole-Frenkel para la muestra de YBCO y una conducción del tipo SCLC para el LSCO y el LSMO. Adicionalmente, se ha conseguido una alta durabilidad y repetitividad en el funcionamiento de estas junturas como dispositivos de memoria, gracias a la optimización en el protocolo utilizado para escribir/borrar, lográndose más de 103 conmutaciones consecutivas sin fallas en dispositivos bulk. También se ha estudiado el efecto de la acumulación de pulsos idénticos en las interfases obteniéndose una relación entre la amplitud de la CR y el número de pulsos aplicado a amplitud y temperatura fijas. Luego de someter la interfase a ciclos de fatiga eléctrica, se ha encontrado una similitud entre la evolución de la resistencia remanente en esta con la propagación de defectos en un metal sometido a pruebas de fatiga mecánica. Esta relación puede ser usada como base para generar un algoritmo de corrección de errores y para mejorar la efectividad y el consumo de energía de estos dispositivos de memoria. Finalmente, se han realizado estudios sobre la evolución temporal de cada estado de resistencia. Hemos demostrado que sigue una ley exponencial estirada con un exponente cercano a 0.5 y un tiempo característico dado, que depende tanto de la temperatura como de la potencia utilizada. Estos resultados implican que la evolución temporal no está dominada por un proceso estándar de difusión térmicamente activado. La difusión de vacancias de oxígeno ocurre en una superficie con una densidad de trampas que depende de la temperatura, donde dicha superficie correspondería físicamente a los bordes de grano del óxido.

Abstract:
Resistive Random Access Memories (RRAM) have attracted significant attention recently, as they are considered as one of the most promising candidates for the next generation of non-volatile memory devices. This is due to its low power consumption, fast switching speed and the ability to become a high density memory compatible with the conventional Complementary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) processes. The working principle of this kind of memories is the resistive switching (RS) phenomenon which is simply the controlled reversible change in the resistivity of a junction generated by an external electric field. It has been proposed that the RS is coupled with the migration of oxygen vacancies generating a reversible conduction path inside the oxide. Many experiments have been done to address the switching mechanism during the last decade without any conclusive answer of what is the physical mechanism beneath RS. The main goal of the present work is to understand the physical mechanism that controls the RS and to point out which are the key parameters that can help improve the performance of the memory devices from a technological point of view. In this dissertation we report on the studies of RS in different interfaces metal/oxide where we have utilized gold, silver and platinum as metal and as complex oxides: YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) and La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). These oxides have been chosen because all of them are strongly correlated compounds with physical properties strongly dependent of their oxygen stoichiometry. They also have a similar crystalline structure (perovskite type) and a high oxygen mobility. Our results show that bipolar RS on all these systems is satisfactorily explained by a model of electric assisted diffusion of oxygen vacancies. We also characterize the conduction mechanism of the junctions. We show that, while the behavior of the metal/LSCO and metal /LSMO interfaces are consistent with space charge limited conduction (SCLC), conduction in the metal/YBCO interface is consistent with Poole-Frenkel transport. Feasibility of memory devices based on the junctions under study has been tested. In particular, we present an algorithm that, while reaching high repeatability of resistance values in over 103 successful switching events, optimizes power consumption. We have also studied the effects of accumulating cyclic electrical pulses of increasing amplitude on the non-volatile resistance state of the junctions. We have found a relation between the RS amplitude and the number of applied pulses, at a fixed amplitude and temperature. This relation remains very similar to the Basquin equation used to describe the stress-fatigue lifetime curves in mechanical tests. This points out to the similarity between the physics of the RS and the propagation of defects in materials subjected to repeated mechanical stress. This relation can be used as the basis to build an error correction scheme. Finally, we have analyzed the time evolution of the remnant resistive state in the oxide-metal interfaces. The time relaxation can be described by a stretched exponential law that is characterized by a power exponent close to 0.5. We found that the characteristic time increases with increasing temperature and applied power which means that this is not a standard thermally activated process. The results are a clear evidence of the relation between RS and the diffusion of oxygen vacancies on a surface with a temperature-dependent density of trapping centers, which may correspond, physically, to the diffusion along grain boundaries.

Quinteros, Cynthia Paula. "Oxidos delgados para micro y nanoelectrónica: degradación, ruptura y aplicaciones tecnológicas" (2016-03-21) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El trabajo desarrollado en esta Tesis se focaliza en el estudio de mecanismos de transporte eléctrico involucrados en la degradación y eventual ruptura de películas dieléctricas (óxidos delgados). Éstos forman parte de una infinidad de dispositivos que son fabricados en vistas de posibles aplicaciones tecnológicas. El estudio de la degradación adquiere relevancia debido a que es preciso saber cómo se degrada cada componente y cómo ello incide en el comportamiento eléctrico general del dispositivo. Las estructuras estudiadas consisten en apilamientos metal/ óxido/ semiconductor (del inglés MIS) que pueden ser pensados como capacitores y que, en particular, constituyen la estructura básica para la construcción de transistores de efecto campo (MOSFET, según su sigla en inglés). A su vez, la misma estructura se encuentra presente en otro tipo de dispositivo con que se trabajó: las NROM (Nitride Read-Only Memories); que constituyen un tipo particular de las ampliamente difundidas memorias FLASH. Se trata de apilamientos fabricados a nivel comercial que se emplean actualmente como memorias no volátiles. Además, en la misma línea de analizar propiedades eléctricas de óxidos bajo distinto tipo de estímulos, se incursionó en el estudio de estructuras metal/ aislante/ metal (del inglés MIM). En ellas, la conmutación resistiva se muestra como una de las posibles aplicaciones de algunos de los mismos óxidos mencionados con anterioridad. Complementariamente, se analiza la factibilidad de su uso como mecanismo de memoria, en comparación con los mencionados NROM. El trabajo consistió en la caracterización eléctrica, comprensión de los mecanismos de conducción y/o conmutación así como el estudio bajo condiciones de degradación tales como radiación (de fotones , de iones pesados, protones y rayos X) y operación prolongada (procesos de estrés eléctrico). Si bien las distintas estructuras provienen de diversas colaboraciones con otros grupos de investigación, también se efectuaron algunas incursiones en los procesos de fabricación. Este trabajo comienza con la descripción de los efectos producidos por la incidencia de distintos tipos de radiación en estructuras MIS (metal/ aislante/ semiconductor), a partir de un análisis comparativo. Complementariamente, en los mismos apilamientos, se estudió la degradación debida a la aplicación prolongada de un voltaje. Luego se presenta un estudio orientado a comprender si la descarga producida por rayos X incidiendo en estructuras MOSFET condiciona la persistencia de las cargas atrapadas en las cercanías del dato perdido. A continuación, la incursión en estructuras de tipo MIM dio lugar a una serie de indagaciones vinculadas con el tópico de la conmutación resistiva. Se verá que muchas de las técnicas y aprendizajes adquiridos, durante los estudios precedentes, resultaron ventajosos al momento de encarar esta línea. Se puso de manifiesto la conmutación resistiva en muestras basadas en MgO y HfO2. En el primer caso, una conmutación entre estados muy disímiles (en orden de magnitud de la corriente) sugirió la propuesta de alternativas de fabricación. En el segundo, una amplia variedad de experimentos fueron empleados con la finalidad de comprender el comportamiento evidenciado por dicho material, que resultó destacarse por la particularidad de sus propiedades (autolimitación de corriente, ausencia de electroformado, resistencia al estrés eléctrico, etc.).

Abstract:
Studies carried out in this Thesis have been focused on thin film oxide degradation and breakdown mechanisms. Motivation arises from the fact that those films are part of a huge number of devices manufactured for possible technological applications. Degradation analysis becomes relevant since it is necessary to know the way in which each component is modified. Electrical behavior of degraded components is also of paramount importance. Analyzed structures consist of capacitive stacks composed of metal / insulator / semiconductor (MIS) which constitute the basic structure for transistor construction such as MIS - Field Effect technology. The same structure may be observed in the well-known memory technology: NROM devices, which consist of a variety of the so called FLASH memories. Within the same research framework of studying electrical properties of oxide films under different stimuli, resistive switching was dealt with. In this case, stack is somewhat different from that previously mentioned: semiconductor bottom contact is replaced by another metal contact (metal / insulator / metal or MIM). The main goal of this work is to improve the understanding of degradation and breakdown causes as well as the variety of techniques employed to reach that target (electrical characterization, stress measurements, radiation incidence). Although samples were provided by collaborators, some fabrication processes were carried out within the Thesis development. Firstly, radiation incidence on high k based MIS structures was comparatively analyzed from different radiation sources. Afterwards, a complementary degradation mechanism was studied in the same sample type: electrical stress. Since it was shown that radiation incidence is a cause of oxide degradation (producing trapped charge or modifying charge densities) a comprehensive study on simultaneous discharge of NROM based memories was carried out. As it was demonstrated, current technology of FLASH memories (i.e. NROM) seems not to be appropriate for hazard environments, so a different memory type was analyzed: ReRAM devices. Two high k based materials were tested during this work: MgO and HfO2. The first one presented an unusual switching ratio with a low rate of repetition; soft breakdown regime was identified to justify such behavior. The second one, remarkable for its properties (self current limitation, electroforming free, electrical stress hardness), showed that the complex fabrication process produced a more complex stack than the one usually employed.

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