Resumen de Nanocalorimetric studies of size effects in magnetic oxides and formation kinetics in silicides
Manel Molina Ruiz
Els avenços en Nanociència i en Nanotecnologia han permès el continu desenvolupament de noves tècniques adaptades a petites mostres. En aquest context, la calorimetria és una tècnica adient per a mesurar propietats termodinàmiques i processos energètics, com transicions de fase, a través de la calor absorbida o alliberada pel sistema. Aprofitant els avenços en tècniques de microfabricació una nova família de nanocalorímetres ha emergit. Basats en cel·les calorimètriques ultralleugeres i construïts sobre membranes primes dielèctriques, aquests dispositius han manifestat tenir una millorada sensibilitat respecte als calorímetres convencionals, assolint valors menors de 1 nJ K-1 mm-2. Aquesta tècnica ha permès a diversos grups de recerca explorar nous fenòmens físics inaccessibles fins al moment. Aquest treball de recerca tracta sobre el desenvolupament i l’optimització d’aquesta tècnica: la nanocalorimetria. Incrementem el rang dinàmic d’aplicabilitat des de ritmes d’escalfament ultra ràpids fins a pràcticament isoterms, i mostrem la seva utilitat en l’estudi de diferents transicions de fase a la nanoescala. En el primer Capítol, una introducció general estableix la necessitat de desenvolupar noves tècniques de caracterització per tal de donar servei a la comunitat científica, i a més proporciona una perspectiva històrica sobre el desenvolupament dels calorímetres. A continuació, el Capítol 2 proporciona una descripció sobre el procés de microfabricació dels nanocalorímetres, i sobre disseny i fabricació de muntatges experimentals específics per dur a terme experiments nanocalorimetric des de 80 fins a 1200 K en condicions adiabàtiques. El Capítol 3 presenta les eines nanocalorimètriques emprades durant la Tesi i les millores que hi hem implementat. Els dos avenços més importants que hem assolit són: (i) L’increment dels ritmes d’escalfament, on la combinació dels mètodes polsat i de compensació de potència ens ha permès cobrir els rangs des de 0.1 fins a 106 K/s. A més, un profund estudi del càlcul de la capacitat calorífica i l’anàlisi del soroll del senyal ens ha fet obtenir una metodologia que millora qualitativament els resultats obtinguts a partir del tractament de dades. (ii) El desenvolupament d’una nova tècnica quasi-estàtica que combina les millors característiques de les tècniques DC, com el brutal augment del senyal obtingut de la nanocalorimetria adiabàtica, i les possibilitats de fer estadística que aporta la calorimetria AC. Aquesta nova tècnica ha estat anomenada nanocalorimetria d’escalfament micro-polsat, i permet mesurar transicions de fase de segon ordre amb molta sensibilitat (menys de 75 pJ K-1 mm-2 Hz-1/2), amb millors perfils de temperatura a la zona de mesura (menys de 1 K de gradient tèrmic) que fent servir mètodes polsats. Estudiem a consciència l’efecte de la mida en dos sistemes físics diferents. Al Capítol 4 presentem com la microestructura influència la interacció antiferromagnètica en capes primes de CoO. Estudiem els efectes de mida en mostres des de 1 fins a 20 nm de gruix, i la influència de les mides dels grans i les intercares des de una perspectiva termodinàmica en mostres de 20 nm de gruix. Relacionem les propietats termodinàmiques amb les magnètiques mitjançant un estudi nanocalorimetric, estructural i magnètic. Al Capítol 5 analitzem la cinètica de formació del Pd2Si a partir de bicapes de silici i pal·ladi. Mirem d’entendre la cinètica de reacció al llarg d’un ampli rang de ritmes d’escalfament que abasta sis ordres de magnitud. Per aconseguir aquesta fita, combinem calorimetria convencional i nanocalorimetria. Aquest estudi és complementat per la caracterització estructural de les mostres. També fem servir un model cinètic per a obtenir els paràmetres cinètics més rellevants mitjançant l’ajustament de les corbes calorimètriques.
