| Data: |
2026 |
| Resum: |
La creixent demanda de tecnologies de la informació i la computació que siguin eficients i de baix consum energètic està impulsant la recerca de materials les funcionalitats dels quals es puguin ajustar de manera reversible i precisa. Una de les estratègies més prometedores és la inserció d'ions controlada per voltatge, que obre la porta al desenvolupament de dispositius adaptatius com ara transistors neuromòrfics, memòries amb múltiples estats i pantalles intel·ligents. En aquest context, els òxids funcionals es perfilen com a candidats destacats, ja que mostren canvis dràstics en les seves propietats electròniques, òptiques o magnètiques quan incorporen o alliberen ions d'oxigen. Tanmateix, gran part de la recerca encara se centra en el comportament de tipus ON/OFF, deixant poc explorats estats d'oxidació intermedis que són altament rellevants per a l'aplicació tecnològica d'aquests materials. A més, la comprensió completa de com evolucionen les propietats amb petits canvis en la deficiència d'oxigen δ ha estat limitada per la manca de tècniques capaces de quantificar δ amb precisió. Tot plegat posa de manifest la importància del control precís de δ per poder modular les propietats de manera contínua i aprofitar aquests materials com a components actius en dispositius commutables. Aquesta tesi s'ha centrat a estudiar el control de propietats funcionals en capes fines d'òxids perovskítics mitjançant canvis en l'estequiometria d'oxigen induïts per voltatge. El treball s'estructura en tres blocs principals: (i) el desenvolupament d'una nova tècnica de caracterització per estudiar la termodinàmica i la cinètica dels materials, (ii) l'anàlisi dels canvis en l'estequiometria d'oxigen induïts per voltatge i el seu impacte en les propietats funcionals, i (iii) l'estudi de les interaccions interfacials de les pel·lícules investigades amb vista al seu ús en dispositius magnètics modulats per voltatge. En primer lloc, es presenta la capacitat d'implementació d'una tècnica per caracteritzar la concentració de defectes iònics i la cinètica de la inserció d'ions en materials mixtos iònico-electrònics anomenada Espectroscòpia d'Impediència Iono-Òptica (I-OIS, per les seves sigles en anglès). Les avantatges de l'I-OIS es demostren mitjançant l'estudi de la inserció i extracció d'oxigen en pel·lícules primes de La1-xSrxFeO3-δ. Els resultats mostren que la tècnica és capaç de caracteritzar eficaçment la cinètica tant en sistemes monocapa com en multicapa. A la segona part del treball es van fabricar cel·les electroquímiques d'estat sòlid dissenyades per (des)inserir oxigen i estudiar com l'estequiometria d'oxigen modula les propietats funcionals de pel·lícules primes de La1-xSrxFeO3-δ. Es van analitzar dues composicions diferents: La1-xSrxFeO3-δ i SrFeO3-δ. Aquestes dues formulacions es van escollir per oferir una visió àmplia del comportament d'aquesta família de materials. Es van aconseguir estabilitzar estats intermedis d'oxidació i la conductivitat electrònica es va poder modificar en més de quatre ordres de magnitud a 50 °C de manera analògica. Per entendre quins mecanismes expliquen aquesta variació de conductivitat en canviar l'estequiometria d'oxigen, es van dur a terme caracteritzacions òptiques i magnètiques complementàries. Els canvis resultants en el mecanisme de conducció es van poder atribuir directament a transicions magnètiques o transformacions cristal·logràfiques. A la tercera part de la tesi es va demostrar la possibilitat d'explotar la transició magnètica que té lloc a La1-xSrxFeO3-δ per controlar l'acoblament magnetoelèctric amb capes adjacents. En concret, l'ús de CoFe2O4 com a material ferrimagnètic va permetre demostrar un sistema d'acoblament magnètic completament basat en òxids, controlable i estable a temperatura ambient, un resultat molt favorable per a aplicacions magnetoiòniques. Concretament, es va observar un desplaçament en la corba d'histèresi del CoFe2O4, clarament mesurable a temperatura ambient, l'amplitud del qual es va poder modular de manera reversible ajustant l'estequiometria d'oxigen de la capa de La1-xSrxFeO3-δ, confirmant així el potencial d'aquests sistemes per a dispositius reconfigurables governats per voltatge. |
| Resum: |
La creciente demanda de tecnologías de la información y computación de eficientes y de bajo consumo energético está impulsando la búsqueda de materiales cuyas funcionalidades puedan ajustarse de forma reversible y precisa. Una de las estrategias más prometedoras es la inserción de iones controlada por voltaje. Esta abre la puerta al desarrollo de dispositivos adaptativos como transistores neuromórficos, memorias con múltiples estados y pantallas inteligentes. En este contexto, los óxidos funcionales se perfilan como candidatos destacados, ya que muestran cambios drásticos en sus propiedades electrónicas, ópticas o magnéticas cuando incorporan o liberan iones oxígeno. Sin embargo, gran parte de la investigación sigue centrada en el comportamiento tipo ON/OFF, dejando infraexplorados estados de oxidación intermedios altamente relevantes para la aplicación tecnológica de estos materiales. Además, la comprensión completa de cómo evolucionan las propiedades con cambios pequeños en la deficiencia de oxígeno δ se ha visto limitada por la falta de técnicas capaces de cuantificar δ con precisión. Todo ello pone de manifiesto la importancia del control preciso de δ para poder modular las propiedades de manera continua y aprovechar estos materiales como componentes activos en dispositivos conmutables. Esta tesis se ha enfocado en estudiar el control de propiedades funcionales de capas finas de óxidos perovskiticos mediante cambios controlados por voltaje de la estequiometría su oxígeno. El trabajo se estructura en tres bloques principales: (i) el desarrollo de una nueva técnica de caracterización para estudiar la termodinámica y la cinética de los materiales, (ii) el análisis de los cambios en la estequiometría de oxígeno inducidos por voltaje y su impacto en las propiedades funcionales, y (iii) el estudio de las interacciones interfaciales de las películas investigadas con vistas a su uso en dispositivos magnéticos modulados por voltaje. En primer lugar, se presenta la capacidad de implementación de una técnica para caracterizar la concentración de defectos iónicos y la cinética de inserción iónica en materiales mixtos iónico-electrónico nombrada Espectroscopía de Impedancia Iono-Óptica (I-OIS, por sus siglas en inglés). Las ventajas de I-OIS se demuestran mediante el estudio de la inserción y extracción de oxígeno en películas delgadas de La1-xSrxFeO3-δ. Los resultados muestran que la técnica es capaz de caracterizar eficazmente la cinética tanto en sistemas monocapa como multicapa. En la segunda parte del trabajo se fabricaron celdas electroquímicas en estado sólido diseñadas para (de)insertar oxígeno y estudiar cómo la estequiometría de oxígeno modula las propiedades funcionales de películas delgadas de La1-xSrxFeO3-δ. Se analizaron dos composiciones distintas: La0. 5Sr0. 5FeO3-δ y SrFeO3-δ. Estas dos formulaciones se escogieron para ofrecer una visión amplia del comportamiento de esta familia de materiales. Se lograron estabilizar estados intermedios de oxidación y la conductividad electrónica pudo modificarse más de cuatro órdenes de magnitud a 50 °C de forma analógica. Para entender qué mecanismos explican esta variación de conductividad al cambiar la estequiometría de oxígeno, se realizaron caracterizaciones ópticas y magnéticas complementarias. Los cambios resultantes en el mecanismo de conducción pudieron atribuirse directamente a transiciones magnéticas o transformaciones cristalográficas. En la tercera parte de la tesis se demostró la posibilidad de explotar la transición magnética que ocurre en La0. 5Sr0. 5FeO3-δ para controlar el acoplamiento magnetoeléctrico con capas adyacentes. En concreto, el uso de CoFe2O4 como material ferrimagnético permitió demostrar un sistema de acoplamiento magnético completamente basado en óxidos, controlable y estable a temperatura ambiente, un resultado muy favorable para aplicaciones magnetoiónicas. En concreto, se observó un shift en la histéresis del CoFe2O4 claramente medible a temperatura ambiente, cuya magnitud pudo modularse de manera reversible ajustando la estequiometría de oxígeno de la capa de La0. 5Sr0. 5FeO3-δ, confirmando así el potencial de estos sistemas para dispositivos reconfigurables gobernados por voltaje. |
| Resum: |
The growing demand for efficient, low-power information and computing technologies is driving the search for materials whose functionalities can be reversibly and precisely tuned. One of the most promising strategies is voltage-controlled ion insertion, which opens the door to the development of adaptive devices such as neuromorphic transistors, multi-state memories, and smart displays. In this context, functional oxides stand out as strong candidates, as they exhibit drastic changes in their electronic, optical, or magnetic properties when they incorporate or release oxygen ions. However, much of the current research remains focused on ON/OFF-type behavior, leaving highly relevant intermediate oxidation states underexplored for the technological application of these materials. Moreover, a complete understanding of how properties evolve with small changes in oxygen deficiency δ has been limited by the lack of techniques capable of quantifying δ with precision. Altogether, this highlights the importance of precise δ control to continuously tune the properties and leverage these materials as active components in switchable devices. This thesis focuses on studying the control of functional properties in thin films of perovskite oxides through voltage-induced changes in their oxygen stoichiometry. The work is organized into three main blocks: (i) the development of a new characterization technique to study the thermodynamics and kinetics of the materials, (ii) the analysis of voltage-induced oxygen-stoichiometry changes and their impact on the functional properties, and (iii) the study of interfacial interactions in the investigated films with a view to their use in voltage-modulated magnetic devices. First, the feasibility of implementing a technique for characterizing the concentration of ionic defects and the kinetics of ion insertion in mixed ionic-electronic materials is presented. This technique, named Ion-Optical Impedance Spectroscopy (I-OIS), is demonstrated through the study of oxygen insertion and extraction in thin films of La1-xSrxFeO3-δ. The results show that the technique can effectively characterize the kinetics in both single-layer and multilayer systems. In the second part of the work, solid-state electrochemical cells were fabricated to (de)insert oxygen and investigate how oxygen stoichiometry modulates the functional properties of thin films of La1-xSrxFeO3-δ. Two different compositions were analyzed: La0. 5Sr0. 5FeO3-δ and SrFeO3-δ. These two formulations were chosen to provide a broad overview of the behavior of this materials family. Intermediate oxidation states were successfully stabilized, and the electronic conductivity was modulated by more than four orders of magnitude at 50 °C in an analogue manner. To understand the mechanisms behind this conductivity variation as the oxygen stoichiometry changed, complementary optical and magnetic characterizations were performed. The resulting changes in the conduction mechanism could be directly attributed to magnetic transitions or crystallographic transformations. In the third part of the thesis, the possibility of exploiting the magnetic transition occurring in La0. 5Sr0. 5FeO3-δ to control the magnetoelectric coupling with adjacent layers was demonstrated. Specifically, the use of CoFe2O4 as a ferrimagnetic material enabled the demonstration of a fully oxide-based magnetic-coupling system that is tunable and stable at room temperature, an excellent result for magnetoionic applications. A clearly measurable shift in the hysteresis of CoFe2O4 was observed at room temperature, and its magnitude could be reversibly modulated by adjusting the oxygen stoichiometry of the La0. 5Sr0. 5FeO3-δ layer, thus confirming the potential of these systems for voltage-governed reconfigurable devices. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials |
| Drets: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució i la comunicació pública de l'obra, sempre que es reconegui l'autoria de l'obra original. No es permet la creació d'obres derivades.  |
| Llengua: |
Anglès |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Matèria: |
Capa prima ;
Thin films ;
Capa fina ;
Iònica ;
Ionics ;
Iónica ;
Voltatge ;
Voltage ;
Voltaje ;
Ciències Experimentals |
visitant ::
identificació
dir.
