Síntesis y procesado de materiales carbonosos para la fabricación de sistemas fotónicos

• Autores: Luz Carime Gil Herrera
• Directores de la Tesis: Ceferino López Fernández (dir. tes.), Alvaro Blanco Montes (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Agustin Mihi Cervello (presid.), Fabrice Leardini (secret.), Gorka Salas Hernández (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Materiales Avanzados y Nanotecnología por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de materiales
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Síntesis y Procesado de Materiales Carbonosos para la Fabricación de Sistemas Fotónicos Los materiales fotónicos diseñados para aumentar, suprimir o modificar la interacción radiación-materia, tiene una relevante importancia en campos tan diversos, tales como, optoelectrónica, almacenamiento de energía, sensores y más recientemente, en biomedicina o bioquímica o inclusive como modelo de estudio. Específicamente, los cristales coloidales fotónicos (CCF) despiertan un gran interés no solo por su potencial de generar materiales con un gap fotónico completo, sino también, por el reto que a nivel sintético supone su fabricación. El autoensamblamiento de esferas coloidales monodispersas es la estrategia que típicamente se usa para la obtención de cristales de alta calidad. Así, esferas poliméricas o de sílices son empleadas como bloques de construcción de un CCF; sin embargo, su baja estabilidad térmica y/o coloidal producen inconvenientes no solo en la obtención de estructuras ordenadas de calidad, sino que limitan el post procesamiento térmico que involucra el proceso. En este sentido las esferas carbonosas coloidales son prometedoras tanto por sus propiedades fisicoquímicas como por su relativa facilidad de fabricación. Por lo tanto, el principal objetivo de esta tesis es demostrar la viabilidad y utilidad de los materiales carbonosos para la fabricación de estructuras hibridas con aplicaciones en fotónica.

    La síntesis de esferas coloidales carbonosas monodispersas se lleva a cabo mediante el tratamiento hidrotermal de la glucosa usando como semilla el poliestireno (PS), dando como resultado esferas del tipo núcleo-corteza (PS@C). Las variables experimentales de síntesis fueron ajustadas de acuerdo al tamaño de esfera, determinado por el rango de la longitud de onda de interés (vis e IR cercano); y a la obtención de esferas monodispersas (σ < 5%). Posteriormente, el ordenamiento de las esferas carbonosas se realiza por autoensmablamiento mediante la técnica de deposición vertical produciendo ópalos carbonosos híbridos. Por otro lado, la pirolisis de los ópalos PS@C produce la descomposición del núcleo dejando ópalos carbonosos huecos, los cuales poseen un sistema poroso jerárquico, interesantes en diferentes aplicaciones de los materiales porosos. La respuesta óptica de las estructuras ordenadas fue estudiada, no solo en función de los tamaños núcleo-corteza, pero también en función de la porosidad desarrollada.

    La infiltración del ópalo con un material de alto índice de refracción (e.g. silicio) y la posterior eliminación del esqueleto carbonoso da lugar a un material con gap fotónico completo. Consecuentemente, se llevó a cabo la deposición de silicio mediante deposición química de vapor, el cual, requiere tanto de la compatibilidad del PS@C, como de la debida eliminación del esqueleto carbonosos. Tales procesos se realizan evitando en la medida de lo posible, el daño en la estructura y por tanto en su respuesta óptica. Así mismo, considerado la naturaleza química de la plantilla y su porosidad se lleva a cabo diferentes estrategias de deposición-eliminación resultando en múltiples estructuras de C-Si o de Si porosas con una respuesta óptica que confirma la alta calidad de las estructuras obtenidas.

    Finalmente, se demostró no solo la viabilidad de usar estructuras carbonosas como plantilla para la construcción de sistemas fotónicos, sino que las estructuras carbonosas como tal, pueden ser el punto de partida para la generación de múltiples arquitecturas hibridas de Si-C o de Si poroso.