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En este trabajo se fabricaron dispositivos basados en silicio poroso nanoestructurado, con el fin de estudiar y caracterizar sus propiedades de transporte eléctrico, buscando acumular datos que permitan en un futuro desarrollar dispositivos para la industria electrónica y a su vez aportar conocimientos en el campo de semiconductores nanoestructurados. Se estudió específicamente el comportamiento temporal de la corriente, curvas corriente voltaje a distinta temperatura, corriente térmicamente estimulada y fotoconductividad. Se encontró que cuando se aplica una tensión constante sobre los dispositivos, la corriente evoluciona lentamente y en muchos casos no llega a un nuevo estado estacionario, es decir se mantiene en un estado transitorio. Además, se encontró un cambio en el comportamiento de esta corriente transitoria en función del campo eléctrico aplicado. En curvas IV se observaron efectos asociados a la memoria tal como histéresis, resistencia diferencial negativa y conmutaciones resistivas. Se presentó como posible explicación a los efectos observados, un mecanismo dominado por la existencia de trampas activas a temperatura ambiente en la superficie de los nanohilos del SP y en la interfaz Al/SP. Esta hipótesis se fortaleció con la evidencia de la existencia de trampas en el silicio poroso, las cuales fueron observadas con experimentos de corriente térmicamente estimulada. Se presentan resultados que muestran efectos no reportados para dispositivos basados en silicio, lo cuales confieren un potencial al silicio poroso como material para la aplicación en el desarrollo de memorias.

Fil:Fontenla, Juan Manuel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.

El sistema estudiado en esta Tesis consiste en un punto cuántico insertado en un anillo mesoscópico que se encuentra atravesado por un flujo magnético. Nuestro objetivo es presentar una descripción completa para este dispositivo y predecir la física de un posible experimento con estas características. Para estudiar este sistema, hemos propuesto un modelo que tiene en cuenta las condiciones experimentales en que se trabaja usualmente en la física de los puntos cuánticos y los sistemas mesoscópicos. En él hemos incluído correlaciones entre electrones, debido a que en los puntos cuánticos éstas son importantes. Para resolver el modelo, hemos desarrollado una metodología que nos permite encontrar las funciones de Green del sistema mediante aproximaciones adecuadas. Este sistema presenta corrientes persistentes como función de un potencial de puerta aplicado en el punto cuántico. Hemos calculado dichas corrientes así como también la carga en el punto. Se ha estudiado la influencia tanto de las interacciones entre electrones como de la hibridización del anillo con el punto. Hemos encontrado varios regímenes de comportamiento que describen diferentes fenómenos físicos involucrados. Estos regímenes abarcan desde el fenómeno de Bloqueo de Coulomb (en el límite de interacciones fuertes) a un régimen prácticamente no interactuante. Entre ambos límites, hemos encontrado un régimen en el cual se manifiesta el efecto Kondo. En el régimen en el que el Bloqueo de Coulomb y el efecto Kondo coexisten, la corriente escalea con la longitud del anillo (L) como 1/L^{1/2} en contraposición al escaleo usual en un anillo mesoscópico perfecto que es 1/L

En esta Tesis se investigan propiedades de transporte de carga eléctrica y de calor en dispositivos de escala mesoscópica. En particular, estudiamos sistemas mesoscópicos unidimensionales, los cuales no pueden ser entendidos dentro del marco de la teoría del líquido de Fermi, sino que pertenecen a otra clase de universalidad conocida como líquidos de Luttinger. En el Capítulo 1 se presenta la definición del concepto de sistema mesoscópico y la naturaleza de la resistencia (o conductancia) en este tipo de sistemas. También se describen los dispositivos experimentales que presentan comportamiento tipo Luttinger, como los cables cuánticos y los estados de borde de efecto Hall. En el Capítulo 2 se detallan de manera resumida las técnicas formales utilizadas para estudiar los problemas abordados: el formalismo de Keldysh de funciones de Green fuera del equilibrio, y la bosonización, que es un m étodo adecuado para estudiar los líquidos de Luttinger. Los Capítulos 3 y 4 reúnen las contribuciones originales de esta Tesis.

El estudio comparado entre el branquiostegito y las branquias de Chasmagnathus granulatus muestra que el primero es capaz de cumplir una importante función en el intercambio gaseoso durante la exposición al aire, pero no es apto para las funciones de regulación iónica. No se encontraron en el branquiostegito los tipos celulares asociados a estos procesos ni alta actividad de enzimas como la anhidrasa carbónica, necesarias para el transporte iónico. Se estudiaron algunas vías de regulación asociadas al transporte iónico en branquias posteriores sometidas a condiciones iso- e hipo-osmóticas. Se demostró que la dopamina tiene una función modulatoria del transporte de Na+ a través del epitelio branquial. En condiciones basales (osmolaridad hemolinfática normal), esta bioamina estimula transitoriamente el transporte de Na+ por activación de la Na+, K+ -ATPasa. Por otro lado, luego de un shock hipo-osmótico donde el transporte iónico se ve activado, con aumento de la actividad Na+, K+ -ATPasa, la dopamina actúa como un modulador negativo, reduciendo la amplitud de la respuesta al estímulo hipo-osmótico. En los estudios inmunohistoquímicos se observa que, cuando se transfieren individuos desde una condición hipo-osmótica a una iso- o hiper-osmótíca, la vía del cAMP-PKA, es inhibida en las branquias posteriores a través del aumento en la expresión de proteína G¡ (inhibidora de la adenilato ciclasa) en la membrana basolateral.

Se aborda el estudio de las propiedades de transporte iónico en electrolitos sólidos microestructurados. Inicialmente se presentan experimentos que permiten observar de manera preliminar y cualitativa el efecto de los cambios de la cristalinidad y concentración de litio sobre la conductividad iónica en polímeros semicristalinos. En el aspecto teórico, el trabajo de correlacionar las propiedades de transporte macroscópicas con la microestructura subyacente en electrolitos sólidos es una tarea complejaque generalmente requiere resolver un sistema de ecuaciones de electrodifusión no lineales, acopladas, con coeficientes variables. Se considera el transporte de múltiples especies iónicas por difusión y migración a través de electrolitos sólidos microestructurados en presencia de fuertes campos eléctricos. Se asumen relaciones constitutivas derivadas de potenciales de disipación y energía convexos que garantizan la consistencia termodinámica del sistema. La respuesta efectiva es determinada a partir de un análisis de convergencia multi-escala de las ecuaciones de campo correspondientes. La respuesta efectiva homogenizada involucra varios tensores efectivos pero todos ellos requieren la solución de sólo un problema de conductividad estándar sobre el elemento de volumen representativo. Se deriva, a modo de ejemplo, un modelo multiescala de un electrolito polimérico semicristalino con morfología esferulítica, aplicando la teoría desarrollada a una clase específica de microgeometrías bidimensionales para las cuales la respuesta efectiva puede ser calculada de manera exacta. Se deriva también un modelo más general en el que se considera una dispersión aleatoria de partículas y sus interfaces con el medio. En ambos casos se obtienen expresiones explícitas para los parámetros materiales efectivos. Dichos modelos son utilizados para explorar el efecto de la cristalinidad y el contenido de partículas sobre la respuesta efectiva. Las predicciones son consistentes con resultados experimentales recientes en sistemas de óxido de polietileno (PEO) dopado que sugieren que la fase cristalina y anisótropa, a lo largo de ciertas direcciones, podría presentar mejores propiedades de transporte iónicas que la fase amorfa, debido a la morfología de las cadenas poliméricas. Los resultados además son consistentes con observaciones que indican que la inclusión de partículas cerámicas mejora la conductividad y el número de transporte iónico a causa de los efectos de interface. En el caso de sistemas materiales no lineales la respuesta efectiva fue deducida de manera heurística a partir de un análisis de convergencia multi-escala de las ecuaciones de campo correspondientes. La respuesta efectiva homogenizada involucra un potencial efectivo por especie. Cada potencial es matemáticamente afín al de un conductor estándar no lineal. Una técnica de homogenización lineal de comparación es utilizada para generar las estimaciones de dichos potenciales no lineales en términos de las estimaciones disponibles correspondientes a los conductores lineales. A manera de ejemplo, se hace uso de las aproximaciones lineales de Maxwell-Garnet y del Medio Efectivo para generar estimaciones para sistemas bifásicos con disipaciones del tipo ley de la potencia. Fórmulas explícitas son presentadas para algunos casos límite. En el caso de respuestas del tipo umbral, las estimaciones presentan límites diluidos no analíticos y serían consistentes con campos localizados en caminos de mínima energía.

Estudiamos los canales aniónicos ORCC y CFTR y el canal de sodio ENaC en la línea BeWo derivada de trofoblasto humano. La actividad iónica fue estudiada con la técnica de patch clamp en las configuraciones de canal único (inside out y cellattached) y célula entera (whole cell). La expresión de las proteínas fue analizada con técnicas corrientes de biología molecular. Los tres objetivos fueron: 1) identificar y caracterizar la actividad de esos canales con la ayuda de agentes farmacológicos, 2) estudiar la expresión de las proteínas de los canales clonados; 3) analizar la participación de esos canales en la proliferación, y la migración celular por medio del modelo de cierre de la herida. Los principales resultados fueron: Las células BeWo tienen canales aniónicos y catiónicos funcionales que se expresan en la membrana. Las corrientes de Na+ por el canal ENaC sensible al amiloride y las corrientes transportadas por el ORCC y CFTR participan en la migración o proliferación celular. La aldosterona que estimula la metilación de ENaC juega un papel importante en el mecanismo por el cual el ENaC participa en la migración celular. En conclusión, fuimos capaces de aislar y caracterizar canales aniónicos y catiónicos en las células BeWo y establecer su papel en la migración y proliferación celular.

La formación de patrones de crecimiento (GPF), es decir, el crecimiento inestable de interfaces, es un fenómeno común en un amplio rango de problemas que van desde la física a la biología. Estos fenómenos producen geometrías complejas de carácter dendrítico o fractal y eventualmente caos, y han sido intensamente estudiadas en el contexto de los fenómenos de crecimiento fuera del estado de equilibrio. Un ejemplo paradigmático de GPF es la Electrodeposición en Celda Delgada (ECD). La ECD consiste en dos portaobjetos de vidrio que encierran dos electrodos paralelos y un electrolito (por ej. sulfato de cobre en agua destilada); la aplicación de una diferencia de potencial entre electrodos produce un depósito ramificado por reducción del ion metálico. Variando los parámetros de control, tales como la orientación de la celda respecto a la gravedad, la concentración de la solución, la diferencia de potencial aplicada o el espesor de la celda, se obtiene una amplia variedad de patrones de crecimiento que van desde morfologías fractales hasta morfologías densamente ramificadas. El crecimiento dendrítico es acompañado por un complejo proceso fisicoquímico hidrodinámico de transporte iónico. Este es principalmente gobernado por la difusión, migración y convección. A su vez, la convección está producida por las fuerzas de Coulomb debidas a cargas eléctricas locales y por la gravedad debida a gradientes de concentración que llevan a gradientes de densidad. En este trabajo se estudia la naturaleza de la ECD a través de mediciones experimentales, un nuevo modelo macroscópico y su simulación numérica. El modelo se basa en primeros principios y utiliza las ecuaciones de Nernst-Planck para el transporte iónico, la de Poisson para el potencial eléctrico, la de Navier-Stokes para el fluido y un nuevo modelo de crecimiento estocástico basado en Modelo de Ruptura de Dieléctrico/Dielectric Breakdown Model (DBM) para el crecimiento del depósito. Las ecuaciones se escriben en función de un conjunto de números adimensionales, en particular, los números de Grashof eléctricos y gravitatorios, que revelan la relativa importancia de la electroconvección versus la gravitoconvección en ECD. El sistema de ecuaciones en derivadas parciales altamente no lineal se resuelve en una grilla uniforme usando diferencias finitas y un método iterativo fuertemente implícito. Los principales resultados obtenidos son. En una ECD en una celda en posición horizontal, el modelo predice la evolución de dos rollos convectivos en la zona cercana a los electrodos: su nacimiento, crecimiento, expansión, colisión y unión en un solo rollo que termina ocupando toda la celda. En una ECD en posición vertical, con el cátodo encima del ánodo, el modelo predice que la gravedad induce rollos de concentración que permanecen pegados a los dedos en crecimiento; la falta de desprendimiento de rollos lleva a una estratificación global de densidades. En contraste, en una ECD en posición vertical pero con el cátodo debajo del ánodo, el modelo predice el desprendimiento de rollos de ambos electrodos en forma de plumas, que se expanden unas hacia las otras, mezclándose, invadiendo toda la celda y generando un régimen global inestable. En presencia de crecimiento ramificado, el modelo predice la existencia de un anillo vorticoso en la punta de la dendrita producido por fuerzas eléctricas locales, interactuando con los frentes de concentración y rollos convectivos, del cual emerge un fluido complejo con movimiento helicoidal así como también el nacimiento y muerte de vórtices y dendritas, y su mutua interacción. Las estructuras hidrodinámicas y su evolución espacio temporal se observan experimentalmente lo cual sugiere que el transporte iónico subyacente al crecimiento de las dendritas está remarcablemente bien capturado por el modelo macroscópico introducido.

En este trabajo se investigó la influencia de los distintos modos de transporte iónico (difusión, migración y convección) sobre el crecimiento y la morfología de depósitos metálicos ramificados. El estudio experimental se realizó principalmente por observación videomicroscópica, empleando análisis de imágenes combinado con distintas técnicas, como Schlieren y trazado por partículas, para revelar los gradientes de concentración y los movimientos convectivos. Los experimentos se realizaron galvanostáticamente en celdas planas de pequeño espesor. Se emplearon diversas condiciones experimentales tratando de establecer separadamente la influencia de los modos de transporte más importantes, que son la migración, la convección causada por gradientes de densidad (gravitoconvección) y la causada por el campo eléctrico (electroconvección). Dichas condiciones incluyen cambios de viscosidad, modificación del espesor de la celda y variaciones de concentración del electrolito y de la corriente aplicada. Para analizar los cambios morfológicos se contabilizó el número de ramas y se realizó la medición del área aparente del depósito en las imágenes de video. Los resultados muestran una interrelación compleja entre los modos de transporte, y en general no es posible separar completamente el efecto de cada uno de ellos. Se observa que la migración causa depósitos más uniformes, con ramas muy próximas que crecen a la misma velocidad, mientras que la convecciónprovoca depósitos más desordenados, donde algunas ramas crecen rápidamente consumiendo la solución y provocando la detención de las demás. En estos casos, la presencia de altos campos eléctricos causa depósitos con mayor ramificación; sin embargo, no es posible separar claramente la migración de la electroconvección. En el análisis teórico se aplico un modelo macroscópico general considerando todos los modos de transporte mencionados: las ecuaciones de Nernst-Planck para el transporte iónico, la ecuación de Poisson para el potencial eléctrico y las ecuaciones de Navier-Stockes para el fluido. El análisis dimensional muestra que los números adimensionales de Migración, Poisson y Grashof son relevantes en el estudio del modo de transporte dominante. Se encontró que las predicciones del modelopropuesto concuerdan con los resultados experimentales. Por otra parte, se estudió la formación de contactos entre discos metálicos a través del crecimiento de depósitos en condiciones de electroquímica bipolar. Se investigó experimentalmente la influencia de distintos factores sobre el tiempo de formación y la morfología del contacto. Se encontró que en el período previo al comienzo del depósito el transporte es dominado por la migración, y durante el crecimiento aumenta la influencia de la convección. Asimismo, se estudió mediante simulaciones numéricas la distorsión del campo eléctrico y su efecto sobre el depósito. La influencia del transporte es similar al caso monopolar, aunque la migración tiene aquí un efecto más importante sobre el proceso. Se emplearon también campos eléctricos pulsados, hallándose que se modifica la morfología del depósito, resultando másfino y menos ramificado a altas frecuencias.