Nanoparticle structures obtained using photovoltaic tweezers and their applications in photonic devices
- Autores: Juan Francisco Muñoz Martínez
- Directores de la Tesis: Mercedes Carrascosa Rico (codir. tes.), Ángel Manuel Alcázar Velasco (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Perla Wahnón Benarroch (presid.), Ángel Méndez Jaque (secret.), Guillermo Martin Fusch (voc.), Manuel Ignacio Marqués Ponce (voc.), Lisa Miccio (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Aeroespacial por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
This thesis is focused on an optoelectronic technique for particle manipulation called “photovoltaic tweezers”. This technique takes advantage of the high photovoltaic electric field developed by iron-doped lithium niobate (LiNbO3:Fe) crystals when they are properly illuminated to trap and arrange nano- and microparticles on these crystals surface. In particular, the patterning capabilities of a new configuration that uses z-cut LiNbO3:Fe crystals have been investigated. Contrary to the substrates typically used to manipulate particles using photovoltaic tweezers (x- and y-cut), in z-cut configuration the polar axis of the material is normal to the crystal surface, which makes isotropic and arbitrary 2D particle patterning possible. According to its structure, this thesis can be divided in three parts.
In the first one, theoretical calculations of the photovoltaic charge transport in z-cut crystals have been performed using a finite element software. Time evolution of the photovoltaic electric field and the influence of different factors that affect particle trapping have been studied.
In the second one, experimental patterns of both electrically neutral and charged nanoparticles have been obtained. The main features of different particle microstructures are analysed and explained using the dielectro- and electrophoretic potentials obtained thanks to the theoretical calculations.
Finally, some of the patterns shown in the previous section have been used as different optical instruments: diffractive optical elements and integrated spectrometers. The performance of these instruments has been analysed.
In conclusion, this thesis is a thorough study of how arbitrary 2D nanoparticle patterns can be obtained using photovoltaic tweezers and it shows some of the potential applications of this patterning technique. This work provides a sound basis for the theoretical and experimental development of photovoltaic tweezers and lays the groundwork for further pattern optimisation.
Esta tesis se centra en una técnica optoelectrónica de manipulación de partículas llamada «pinzas fotovoltaicas». Esta técnica se emplea para atrapar y estructurar nano- y micropartículas sobre la superficie de cristales de niobato de litio dopado con hierro (LiNbO3:Fe) gracias a los enormes campos eléctricos generados por este material cuando es iluminado de forma apropiada. En particular, se han investigado las características de una novedosa configuración basada en cristales de LiNbO3:Fe corte-z. Al contrario que en los sustratos tradicionalmente usados para manipular partículas mediante pinzas fotovoltaicas (corte-x y corte-y), en la configuración corte-z el eje óptico del material es perpendicular a la superficie del cristal, lo que hace posible obtener patrones de nanopartículas bidimensionales y arbitrarios. Según su estructura, esta tesis puede dividirse en tres partes.
En la primera se han llevado a cabo cálculos teóricos del transporte de carga fotovoltaico en cristales corte-z mediante un programa de elementos finitos. Se ha estudiado la evolución temporal del campo eléctrico fotovoltaico y la influencia de distintos parámetros que afectan al proceso de atrapamiento de las partículas.
En la segunda se han obtenido patrones experimentales de nanopartículas neutras y cargadas eléctricamente. Las características más importantes de las distintas microestructuras de partículas han sido analizadas y explicadas usando los potenciales dielectro- y electroforéticos obtenidos mediante los cálculos teóricos previos.
Finalmente, algunos de los patrones obtenidos en la parte anterior se han usado como instrumentos ópticos: elementos difractivos y espectrómetros integrados. Estos dispositivos han sido empleados y caracterizados.
En conclusión, esta tesis es un estudio en detalle de cómo pueden obtenerse patrones bidimensionales arbitrarios de nanopartículas usando las pinzas fotovoltaicas, mostrando algunas de sus aplicaciones potenciales. Este trabajo sienta una sólida base teórica y experimental para la técnica, y puede servir de punto de partida para continuar optimizando y mejorando la calidad de los patrones obtenidos mediante pinzas fotovoltaicas.
