Diseño de la absorción y emisión ópticas de nanomateriales en entornos fotónicos controlados

Abstract

El trabajo descrito en esta memoria es el resultado de cuatro años de investigación en el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla bajo la dirección del Prof. Hernán Míguez y el Dr. Juan F. Galisteo-López y versa sobre el control de la absorción y emisión ópticas de nanomateriales integrados en entornos fotónicos controlados Tras un revisión del estado del arte y una introducción general a las estructuras fotónicas empleadas en este estudio (Cap. 1), se describen en detalle cada una de las herramientas utilizadas en la realización de esta tesis (Cap. 2), desde la simulación hasta la caracterización de los distintos materiales estudiados. En primer lugar se describen los métodos teóricos y en segundo lugar se hace una descripción completa de los métodos experimentales, incluyendo tanto fabricación como caracterización óptica de las distintas estructuras realizadas. En el Cap. 3 se presenta una aproximación para modificar de forma controlada la absorción óptica de nanopartículas metálicas integradas en resonadores ópticos unidimensionales. Se detalla cómo incorporar nanopartículas metálicas de tamaño y forma arbitrarios en las estructuras fotónicas así como la caracterización óptica del conjunto y se explican teóricamente los resultados obtenidos. En el Cap. 4 se demuestra la posibilidad de emplear métodos de procesado en solución para controlar de forma determinista la emisión de nanoemisores integrándolos en el interior de resonadores ópticos unidimensionales. Se detalla cómo integrar nanoesferas emisoras con un control nanométrico de su posición en el interior de la estructura fotónica así como la caracterización óptica del conjunto y la reproducción teórica de las modificaciones obtenidas. Además, se diseñan, fabrican y caracterizan estructuras tipo resonador óptico que integran nanosheets y nanoemisores como material base para el desarrollo de nuevos sensores fluorescentes de humedad. En el Cap. 5 se presenta una aproximación para maximizar la potencia radiada por una monocapa de nanoemisores integrada en cristales fotónicos unidimensionales auto-soportados acoplados de manera conformal a superficies metálicas de distinta composición y geometría. Se demuestra la versatilidad de estas estructuras híbridas, dieléctricas-metálicas, mediante el diseño, fabricación y caracterización de sistemas emisores cuasi-monocromáticos, direccionales o auto-focalizados. En los Apen. A y Apen. B se presentan resultados derivados de algunas de las herramientas desarrolladas durante el transcurso de esta tesis. Estos resultados muestran el uso de estructuras híbridas metal-dieléctrico basadas en metales de bajo coste como espejos solares de alta reflectancia y el diseño y fabricación de módulos fotovoltaicos que combinan un concentrador solar luminiscente y cristales fotónicos unidimensionales, respectivamente. Por último, en el Apen. C se presenta la aproximación numérica, basada en el método de las diferencias finitas en el dominio del tiempo, mediante la cual se obtiene información sobre la potencia extraída a través de la superficie de estructuras tipo multicapa que integran fuentes de luz nanométricas.