Browsing by Subject "Física del estado sólido"

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    Electrostatic characterization of disordered 2D materials through force microscopy
    (Universidad de Murcia, 2026-01-15) Navarro Rodríguez, Mario; Palacios Lidón, Elisa; Sin departamento asociado; Escuela Internacional de Doctorado
    El estudio de materiales bidimensionales constituye uno de los campos más activos en la física y la ciencia de materiales contemporáneas, impulsado por su enorme potencial en aplicaciones optoelectrónicas, energéticas y biotecnológicas. Entre ellos, el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (RGO) destacan por su versatilidad y propiedades altamente sintonizables. Sin embargo, la comprensión detallada de sus mecanismos de transporte y de las interacciones electrónicas que emergen en presencia de desorden estructural sigue siendo un desafío. En este contexto, la caracterización a escala nanométrica resulta esencial para establecer la conexión entre morfología, propiedades eléctricas y comportamiento funcional. Para abordar este problema, en esta Tesis Doctoral se emplea la microscopía de fuerzas atómicas (AFM) como herramienta central combinando mediciones electrostáticas y ópticas para arrojar luz a esta problemática. El primer bloque de resultados aborda el proceso de reducción del GO y su evolución hacia RGO. Se desarrolla un método reproducible y controlado para obtener materiales con distintos grados de reducción, lo que permite estudiar de forma sistemática cómo la eliminación progresiva de grupos oxigenados transforma las propiedades del material. A partir de medidas electrostáticas se identifican magnitudes experimentales que distinguen inequívocamente entre GO y RGO, demostrando que pueden emplearse como indicadores equivalentes a magnitudes usadas tradicionalmente. Asimismo, se identifican estados intermedios de reducción, en los que coexisten regiones aislantes y conductoras dentro de una misma lámina, abriendo la posibilidad de emplearlas como plantillas para funcionalización selectiva. En el segundo bloque se desarrolla un modelo teórico para describir la evolución temporal de cargas en superficie, incorporando simultáneamente los efectos de conducción en volumen y superficie. Este marco permite explicar observaciones como el decaimiento no uniforme de la carga o la aparición de dinámicas dependientes de la escala espacial. El modelo es validado experimentalmente, demostrando que puede emplearse para caracterizar cuantitativamente la conductividad de superficie y volumen. El tercer bloque examina cómo la dinámica de carga influye directamente en la medida de altura aparente de materiales bidimensionales y en las medidas electrostáticas. Se demuestra que las diferencias de espesor observadas entre GO y RGO no se deben únicamente a efectos capilares, como se asumía tradicionalmente, sino también a procesos disipativos de origen electrónico, interpretados como disipación Joule en la nanoescala. Además, se demuestra que las dinámicas de carga inducidas por el sensor influyen significativamente en las medidas electrostáticas, pudiendo llevar a interpretaciones erróneas si no se consideran. Sin embargo, caracterizando adecuadamente estos efectos de conductividad superficial finita, es posible estimar la conductividad superficial de materiales 2D. Experimentos a temperatura variable muestran, además, que la conductividad superficial disminuye monótonamente con la temperatura, en concordancia con el comportamiento esperado para materiales electrónicos desordenados.En el último bloque se explora la funcionalización no covalente de GO y RGO con protoporfirina IX (PPIX). Los resultados muestran que la organización molecular y la respuesta óptica dependen fuertemente del grado de reducción del material: mientras que en GO la fluorescencia de PPIX se mantiene, aunque alterada respecto a la observada en solución, en RGO sin embargo, esta desaparece debido a una transferencia de electrones hacia la lámina. Simulaciones de dinámica molecular confirman que esta diferencia proviene de la distinta naturaleza de las interacciones entre molécula y superficie, que determinan la geometría de adsorción y la eficiencia en la transferencia de carga. En conjunto, esta tesis establece un marco experimental y conceptual para el estudio de materiales bidimensionales desordenados. Los resultados demuestran que las propiedades electrónicas de GO y RGO están estrechamente ligadas a su estructura local y a la dinámica de carga superficial, aportando herramientas y modelos que permiten cuantificar estos efectos con precisión.
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    Espectroscopía de fuerzas multidismensional para la caracterización en la nanoescala de las interacciones electrostáticas y de dispersión
    (Universidad de Murcia, 2019-01-10) Sánchez Lacasa, Jesús; Colchero Paetz, Jaime Virgilio; Escuela Internacional de Doctorado
    La interacción entre la punta y la muestra es el principio físico fundamental en el que se basa el funcionamiento del AFM. Es a través del análisis de esta interacción que el AFM puede acceder a las diferentes propiedades de las muestras en las que se emplea. Son muchas, y de muy diferente naturaleza, las contribuciones a la interacción total existente entre la punta y la muestra. Fuerzas elásticas, capilares, de dispersión, electrostáticas o magnéticas son algunas de las que suelen estar presentes en nuestros experimentos y contribuir a la interacción total efectiva entre la punta y la muestra. Todas ellas actúan de forma conjunta y, por lo tanto, es necesario y fundamental desarrollar técnicas experimentales que sean capaces de discernir entre las diferentes contribuciones. En este punto radica precisamente el objetivo de esta tesis: desarrollar una técnica experimental que, de forma cuantitativa, sea capaz de caracterizar dos de las contribuciones más interesantes a la interacción total entre la punta y la muestra: las interacciones electrostática y de dispersión. Una técnica así, que sea capaz de caracterizar las superficies a través de propiedades químicas como la diferencia de potencial de contacto (CPD), la constante de Hamaker o la constante dieléctrica, dotaría al AFM de una habilidad novedosa para caracterizar e identificar químicamente las muestras en las que se emplea. Sería imposible, sin embargo, conseguir este objetivo sin abordar previamente otras consideraciones de carácter más técnico o metodológico. Tener una visión acertada de los fenómenos físicos que ocurren entre la punta y la muestra será fundamental, tanto a la hora de proponer y desarrollar los experimentos, como a la hora de analizar cuantitativamente los resultados que estos arrojen. Una parte del esfuerzo dedicado a este trabajo consistirá en identificar fenómenos físicos como la formación de cuellos líquidos y entender cómo afectan estos a la interacción y a los datos que recogemos en las medidas de AFM, nos dará la capacidad de operar el AFM de manera más controlada y evitando también las no linealidades asociadas a las interacciones disipativas. Introducimos lo que llamamos el modo true non-contact. Un modo de medida, generalmente operado usando el cambio de frecuencia como señal de control, que se caracteriza por amplitudes pequeñas de oscilación a una distancia de la muestra suficiente como para prevenir la formación de cuello capilares entre la punta y la muestra. Sólo en este caso, las únicas contribuciones a la interación total del sistema punta-muestra son la electrostática y la de dispersión. Para el empleo de esta técnica de caracterización de las interacciones electrostática y de dispersión ha sido imprescindible el uso de una técnica previa llamada imágenes de interacción. Además, es necesario desarrollar un programa que se encargue de las particularidades del análisis de los datos obtenidos mediante esta técnica y su posterior procesado y representación para la obtención de resultados cuantitativos. Haciendo uso de esta nueva técnica de caracterización de la interacción entre la punta y la muestra, en este trabajo somos capaces de reconstruir de forma precisa la interacción electrostática y la de dispersión y obtener de ellas propiedades características de los materiales como el CPD. De la comparación de ambas interacciones conseguimos además evitar la dependencia con la geometría de la punta y calcular la constante de Hamaker y la posición real de la superficie con respecto a la punta. El desarrollo de esta técnica ha supuesto, de forma paralela, un avance en el entendimiento de la interacción entre la punta y la muestra en AFM que ha conducido a una reclasificación de los modos de medida que creemos que será importante tener en cuenta para avanzar en la obtención de resultados cualitativos con las técnicas de AFM. Aplicamos esta técnica en dos experimentos diferentes. En el primero aplicamos la técnica descrita anteriormente a diferentes muestras conductoras y calculamos tanto el CPD que las caracteriza como la constante de Hamaker, encontrando valores reproducibles y diferencias entre los distintos materiales lo suficientemente significativas como para distinguir entre ellos. En particular, encontramos que una representación conjunta de ambas propiedades proporciona una capacidad novedosa hasta ahora de clasificar e identificar materiales. De un segundo trabajo se concluye que no sólo la contaminación en la punta, si no a veces también en la muestra, es difícil de visualizar y de detectar, pero es, sin embargo, muy importante y determina significativamente los resultados de AFM y su interpretación, demostrando que es importante tener superficies bien definidas al aire y que la contaminación es un factor a tener en cuanta a la hora de interpretar los resultados. Además, este método permite una caracterización simple, efectiva e in situ del sistema punta-muestra sin necesidad de sacar ni la punta ni la muestra del montaje experimental del AFM.
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    Kalman filtering for orientation estimation using IMUs
    (Universidad de Murcia, 2020-07-30) Bernal Polo, Pablo; Martínez Barberá, Humberto; Facultades, Departamentos, Servicios y Escuelas::Escuelas::Escuela Internacional de Doctorado
    Navegación, control automático de vehículos, robótica, o realidad virtual. Todas son aplicaciones en las que el conocimiento sobre la orientación juega un papel importante. Hoy en día existen sensores livianos y de bajo coste que proporcionan información sobre la orientación de un sistema. Esta tesis se centra en obtener dicha orientación utilizando un tipo de esos sensores: las Unidades de Medición Inercial (IMUs en inglés). Este objetivo plantea los dos problemas principales abordados en este trabajo. El primero es el estudio de un método para estimar la orientación utilizando medidas vectoriales. El segundo objetivo es la calibración de IMUs en particular, y de sensores triaxiales en general, que emana del hecho de que las medidas de las IMUs generalmente son imprecisas e inexactas. El problema de la estimación de la orientación de un sólido rígido utilizando medidas de sensores ha sido ampliamente abordado. En 1982, se publicó un artículo pionero sobre estimación de orientación a través del filtrado de Kalman en el que la orientación se describía utilizando cuaterniones, en lugar de los descriptores de orientación clásicos, como los ángulos de Euler. Los cuaterniones tienen propiedades que los hacen ventajosos sobre el resto de descriptores de la orientación. Sin embargo, el filtro de Kalman no es directamente aplicable en este escenario, ya que solo los cuaterniones unitarios representan orientaciones. Clásicamente, este problema se resuelve definiendo una "actualización multiplicativa", y redefiniendo la matriz de covarianza usando un vector tridimensional. Recientemente, también se ha observado que es necesario realizar un "paso de corrección de la matriz de covarianza". Este estudio también se incluye en el marco del filtrado de Kalman con cuaterniones como descriptores de la orientación, pero introduce un nuevo punto de vista desde el cual las nociones de "actualización multiplicativa" y "paso de corrección de la matriz de covarianza" se conciben de forma natural. Aunque existen otros métodos utilizados para calibrar sensores triaxiales, un punto de partida frecuente es la definición de un problema de optimización. Este trabajo también utiliza esa estrategia, pero difiere de muchos otros al incorporar la temperatura en el modelo del sensor. Al final, se obtiene un algoritmo iterativo que solo necesita conocer el módulo del vector real asociado con cada medición del sensor para producir una calibración. El algoritmo es probado con medidas de sensores reales obtenidas utilizando un dispositivo electromecánico construido para este propósito. Los resultados obtenidos de las múltiples calibraciones nos permiten comprender mejor el comportamiento de las IMUs.