Temario Curso Fronteras en Ciencia de Materiales II: Propiedades a la carta para nuevas tecnologías

0. Introducción a la Simulación de Materiales
E. Hernández

Han transcurrido ya más de 50 años desde que se publicaran los primeros artículos que sentaron las bases de lo que hoy conocemos como Simulación de Materiales, y que dieron pie a las técnicas de Dinámica Molecular (MD) y Monte Carlo (MC). Desde entonces hasta nuestros días la Simulación de Materiales se ha convertido en una herramienta esencial para el estudio teórico de materiales. En sus primeros tiempos, la simulación fue usada en combinación con modelos sencillos, tales como el modelo de esferas duras o el fluido de Lennard-Jones, modelos genéricos que no aspiraban a ser representaciones realistas de ningún material concreto. A pesar de su sencillez, estos modelos no permitían un tratamiento analítico. Hoy en día la simulación se emplea más frecuentemente en combinación con modelos mucho más sofisticados, que permiten una descripción más realista del sistema estudiado. Así pues la simulación ha pasado de ser una ayuda computacional en el campo de la mecánica estadística a una herramienta ampliamente utilizada en química-física, física de la materia condensada, biología, geología y ciencia de materiales. El objetivo de esta lección es presentar las ideas básicas de la simulación de materiales, desde los algoritmos esenciales a los modelos más frecuentemente utilizados, con la intención de ilustrar las muchas posibilidades que ofrece la simulación de materiales, y el amplio uso que se hace de las mismas en la investigación científica en este campo.

1. Materiales eléctricos y magnéticos. Acoplamientos

Nanoestructuras magnéticas. Efectos de tamaño y forma. Grabación magnética
O. Fesenko

La clase está estructurada en dos partes. La primera se dedicará a nanoestructuras magnéticas, describiendo los efectos de la reducción de dimensionalidad en las propiedades magnéticas: efectos de tamaño y forma en nanoestructuras, interacciones fundamentales, estados de imanación, etc. Se describirán brevemente los principios fundamentales de micromagnetismo que permiten resolver las configuraciones magnéticas y su evolución temporal.

En la segunda parte se hablará de uno de los temas de mayor repercusión tecnológica en el magnetismo actual, la grabación magnética. Se hará una introducción a los diferentes medios de grabación y al problema fundamental del límite superparamagnético. Se describirán también nuevas propuestas para la grabación magnética del futuro, incluyendo la interacción entre imanación y corrientes polarizadas de espín, y la descripción de osciladores espín-torque.

Dieléctricos y ferroeléctricos en microtecnologías. Nanociencia y nanotecnología de ferroeléctricos
M. Algueró

Se hará una breve revisión de la física de dieléctricos, introduciendo los conceptos de piezoelectricidad y ferroelectricidad. Se describirán dispositivos básicos en tecnologías cerámicas, como condensadores y dispositivos de transducción electromecánica, y se prestará atención fundamentalmente al desarrollo de las aplicaciones actuales que conllevan una miniaturización, incidiendo tanto en los cambios físicos como en el diseño y potencial de los dispositivos en la micro- y nano-escala. Se considerarán dieléctricos integrados (transistores de efecto de campo semiconductor-óxido-metal, memorias dinámicas de acceso aleatorio y memorias no volátiles ferroeléctricas) y piezoeléctricos integrados (sistemas microelectromecánicos), procesos de nanoestructuración en tecnologías cerámicas e integradas, y efectos de tamaño y funcionalidad en los límites últimos de la nanoescala.

Acoplamiento magnetoeléctrico y materiales multiferroicos.
H. Amorín

Definiremos qué es el efecto magnetoeléctrico y los mecanismos de acoplamiento en los que se basa. Introduciremos los materiales multiferroicos magnetoeléctricos, en los que se espera maximizar este efecto. En primer lugar, describiremos los materiales multiferroicos mono-fase, donde un solo material conjuga propiedades ferroeléctricas y magnéticas. Haremos una breve descripción de los materiales más relevantes y su clasificación en función del origen del acoplamiento magnetoeléctrico.

Entre los inconvenientes de los materiales multiferroicos mono-fase están las bajas temperaturas críticas y la debilidad del acoplamiento magnetoeléctrico. Presentaremos cuáles son las líneas de investigación activas para solucionar estos problemas, prestando especial atención a la alternativa con mayor repercusión en el diseño actual de dispositivos: la fabricación de materiales multiferroicos compuestos, que combinan dos materiales con distinto orden ferroico. Mostraremos los distintos tipos de estructuras en las que se basan, desde composites cerámicos hasta heteroestructuras epitaxiales, y sus mecanismos de acoplamiento. Indicaremos posibles aplicaciones y los retos que existen para su desarrollo.

Destacaremos el papel de los efectos de baja dimensionalidad, donde tanto la existencia de fronteras (superficies, intercaras), como el confinamiento dan lugar a nuevas propiedades y fenómenos físicos que constituyen una de las ramas más activas de investigación en el campo.

Espintrónica
S. Gallego

La espintrónica es una tecnología emergente que pretende combinar las ventajas de la electrónica tradicional de semiconductores con las de los dispositivos de grabación magnética, introduciendo importantes mejoras en las prestaciones y evitando el colapso predicho por la creciente miniaturización de los componentes electrónicos. Se trata además de un área singular, donde los avances tecnológicos van ligados al descubrimiento de nuevos fenómenos físicos.

En esta clase haremos un breve recorrido histórico sobre los orígenes y evolución de la espintrónica, desde la conducción dependiente de espín, a la magnetoresistencia y las uniones túnel magnéticas. Introduciremos algunos conceptos físicos esenciales y describiremos con detalle dispositivos representativos. Estableceremos las diferencias entre las distintas ramas de la espintrónica ligadas a diversos tipos de materiales (metales, semiconductores, óxidos,…), y mostraremos cómo la investigación en espintrónica ha dado lugar a la búsqueda de nuevos materiales de propiedades singulares (materiales magnéticos diluídos, half-metals, semiconductores magnéticos, etc.).

Finalmente, daremos una perspectiva general de las múltiples ramas de investigación hacia las que la espintrónica actual se diversifica, dependiendo tanto de las propiedades específicas de los materiales en los que se basa, como de los mecanismos utilizados para la manipulación de las corrientes de espín.

2. Materiales ópticos. La frontera fotónica

En este bloque temático se describirá una serie de fenómenos no intuitivos que aparecen cuando la luz interacciona con nuevos materiales (sistemas) que han aparecido en los últimos años. Dentro del curso fronteras en Ciencia de Materiales pretendemos introducir los fundamentos ópticos de la nanofotónica y nanoplasmónica, así como de los láseres de estado sólido cristalinos y presentar los principales fenómenos físicos/químicos subyacentes que tienen lugar y sus aplicaciones en cada caso.

Cada una de las tres clases se abordará con una breve introducción presentando los fundamentos básicos, preparación y caracterización de los materiales, aplicaciones y desarrollos actuales de la investigación y sus posibles líneas de avance. Se considerarán problemas abiertos así como aplicaciones presentes y futuras, planteando cuáles son las limitaciones actuales para resolverlos.

La luz y los materiales
C. Pecharromán

a. Scattering de luz por partículas metálicas. Plasmónica

  • Resonancia de Plasmón. Amplificación del campo eléctrico.
  • Sistemas reales. Coloides de oro, plata, nanocomposites de oro, plata, cobre. Otros metales., láminas, agujeros…
  • Aplicaciones: Detección, SERS, Propagación por láminas, aplicaciones no lineales, color, bioquímica, marcadores…

b. Materiales biisotrópicos o bianisotrópicos

  • ¿Qué pasa cuando n y m son diferentes de 1?.
  • Materiales invisibles, de propagación transversal y zurdos.
  • Metamateriales
  • Cloacking
  • Dispositivos: Aplicaciones en el rango de las MW y THz’s

Cristales fotónicos
A. Blanco

  • Fundamentos
  • Técnicas de fabricación (1D, 2D, 3D)
  • Técnicas de caracterización
  • Cristales fotónicos coloidales
  • Aplicaciones

3. Superficies y recubrimientos

Síntesis controlada de nuevas nanoestructuras sobre superficies
J.A. Martín Gago

El desarrollo de la nanotecnología requiere dominar nuevas estrategias para formar de forma controlada moléculas y nanoestructuras mediante autoensamblado ascendente (crecimiento tipo bottom-up). En esta clase veremos un nuevo campo de trabajo interdisciplinar, a caballo entre la química y la física, que ha llevado en los últimos años a diseñar nuevas estructuras moleculares de forma y dimensionalidad bien definidas.  Mediante la estrategia, conocida como síntesis sobre superficies, se ha conseguido fabricar y caracterizar nuevas moléculas, redes unidimensionales, nanocintas de carbono o materiales 2D de manera altamente controlada.


Recubrimientos funcionales

J.M. Albella 

La funcionalización superficial de materiales, bien sea mediante tratamientos con partículas energéticas (iones, fotones, especies químicas, etc) o mediante el depósito de capas delgadas, constituye actualmente uno de los métodos, ampliamente utilizados, para la modificación de las propiedades de superficie de los materiales.  En esta conferencia se da una revisión general de los distintos métodos de funcionalización, haciendo énfasis en las técnicas de  deposición de capas delgadas nanoestructuradas mediante técnicas de vacío (PVD y CVD). Se presenta también distintos ejemplos de aplicación en la tecnología más actual, tales como la protección metalúrgica, tribología, captación de energía solar, superficies auto-limpiables y biocidas, sensores magneto-plasmónicos, etc.

Materiales avanzados frente a la radiación
I. Montero

  • Recubrimientos aeroespaciales y espaciales: multipactor, solares selectivos, protectores del oxigeno atómico y de las descargas eléctricas, para las áreas tribológicas, para el control térmico, duros para aviones.
  • Recubrimientos biomiméticos. Deposición conjunta de apatitas con polímeros bioactivos. Uso de los recubrimientos como sistema de liberación fármacos Combinación de los recubrimientos con ingeniería de tejidos.
  • Recubrimientos Inteligentes: autoreparación de fisuras en recubrimientos polimericos, superficies autolimpiantes, monitores externos e internos, superficies activas y medicina regenerativa.
  • Otros recubrimientos: ópticos y optoelectrónicos, en arquitectura y de metamateriales.

4. Nuevos retos en Ciencia de Materiales

Superconductividad. Superconductores de alta temperatura. Aplicaciones
L. Bascones

Hace más de un siglo que se descubrió la superconductividad y sin embargo sigue siendo un campo muy activo de investigación, lleno de incógnitas y posibilidades. Durante la clase repasaré brevemente cómo se descubrió y las propiedades más importantes de los superconductores (resistividad nula y reacción ante los campos magnéticos). Contaré las ideas básicas de la teoría BCS que en los años 50 explicó lo que le ocurre a los electrones cuando el material se vuelve superconductor. Veremos que algunos superconductores y en especial los de alta temperatura, descubiertos en la década de los ochenta, se comportan de forma anómala y no cumplen algunas de las predicciones de la teoría BCS. Finalmente conoceremos algunas de las aplicaciones de los superconductores  en nuestra vida cotidiana, desde los encefalogramas a los trenes que levitan.

Más info: www.icmm.csic.es/superconductividad

Nanoelectrónica y computación cuántica. Sistemas bi-, uni- y cero-dimensionales
R. Aguado

Durante la última década, la progresiva miniaturización de los transistores nos ha llevado a plantearnos nuevos conceptos y sistemas de cara a proponer alternativas basadas en dispositivos de escalas nanométricas y con propiedades cuánticas. Este tipo de estudios se conocen bajo el nombre genérico de nanoelectrónica. En esta segunda parte, y después de una breve introducción a los conceptos básicos y propiedades de sistemas mesoscópicos y nanoelectrónica, repasaremos algunos de estos sistemas de gran interés en la actualidad. En particular, veremos los siguientes sistemas/conceptos:

  • Sistemas en dos dimensiones: el gas electrónico bidimensional. Grafeno (o cómo la electrónica basada en electrones relativistas podría sustituir al silicio).
  • Sistemas en una dimensión: Nanotubos de Carbono y nanohilos semiconductores. Optoelectrónica cuántica.
  • Sistemas en cero dimensiones: Puntos cuánticos como átomos artificales.
  • Computación cuántica en sistemas de estado sólido: Bits cuánticos de espín y circuitos cuánticos superconductores (óptica cuántica en un chip).

Materiales topológicos
M.C. Muñoz

  • Interacción espín-órbita. Definición, origen y posibles aplicaciones.
  • Scattering dependiente de espín. Efecto Hall anómalo y efecto espín-Hall.
  • Simetría de invariancia temporal. Aislantes topológicos.

Nanoestructuras de carbono: del grafeno a las nanocintas
L. Chico

Las formas alotrópicas del carbono de baja dimensión, tales como el grafeno, los fullerenos, nanotubos de carbono y nanocintas de grafeno han despertado un enorme interés en los últimos años. Los fullerenos fueron sintetizados en la década de los 80, en la que comenzó una enorme actividad investigadora en este campo a partir de la síntesis del C60 en 1985, realizada por los equipos liderados por Robert Curl, Richard Smalley y Harold Kroto, galardonados con el premio Nobel de Química en 1996. En la década de los 90 el interés se fue desplazando de los fullerenos a los nanotubos de carbono, observados por Sumio Iijima en imágenes de microscopía de transmisión electrónica en 1991.
Más recientemente, desde la obtención experimental del grafeno por Geim y Novoselov en 2004, receptores del premio Nobel de Física en 2010, el interés por esta forma bidimensional del carbono ha aumentado de forma vertiginosa. El grafeno tiene excelentes propiedades conductoras y una enorme resistencia mecánica, lo que hace que sea enormemente atractivo para aplicaciones. Además, los electrones en grafeno se comportan como partículas sin masa, lo que ha motivado el interés por el mismo desde el punto de vista básico.
A partir de las propiedades del grafeno, exploraremos las de otras formas cristalinas del carbono de baja dimensión, tales como los nanotubos de carbono y las nanocintas, con especial énfasis en las propiedades electrónicas.

Propiedades de materiales 2D
M.E. Dávila

El descubrimiento del grafeno en 2004, realizado por los científicos Novoselok y Geim, abrió el camino para descubrir la que ha llegado a ser familia de materiales 2D.

El grupo en el que se encuentra el grafeno, se denominó Xenes, estos materiales están en el punto de mira, desde hace casi 15 años, por su limitado espesor y extraordinarias propiedades. Donde X representa el nombre del elemento – en este grupo cada material está formado por un único elemento similar al grafeno que está constituido por átomos de C- y «ene» proviene de la terminología empleada en formulación química propia de los carbonos con dobles enlaces. Este grupo de materiales incluye al borofeno, siliceno, fosforeno, germaneno y estaneno y comparten una misma forma estructural dispuestos formando una red hexagonal de tipo nido de abeja.

Ciertamente, impulsados ​​por las únicas propiedades de estos materiales ultra-finos y su gran potencial para nuevas aplicaciones, los científicos actualmente están cruzando muchos elementos de la tabla periódica en busca de otros nuevos ejemplos. Revisaremos en esta presentación la nueva familia de materiales 2D y compararemos en detalle sus propiedades estructurales, electrónicas, etc. que definirán sus posibles aplicaciones.