Development of Membrane-based Calorimeters to Measure Phase Transitions at the Nanoscale

Resumen

La nanocalorimetria abre la posibilidad de realizar medidas calorimétricas en capas finas o ultra finas debido al substancial aumento de sensibilidad que presenta respecto a los sistemas comerciales. Basándonos en esa premisa, este trabajo de investigación se ha dedicado al desarrollo de nanocalorimetros basados en membranas que incorporan calentadores y termómetros en capa fina, que permiten reducir la capacidad calorífica de la celda calorimétrica y por tanto al aumento den sensibilidad.En la primera parte de la tesis describimos las técnicas de procesado de semiconductores que se usan para fabricar los microdispositivos con una especial atención a su estabilidad térmica a alta temperatura. Se muestra que usando como actuador una la combinación metálica de Pt/Ti cubierta por Al2O3, se puede utilizar con gran reproducibilidad para calentar/sensar hasta temperaturas de alrededor de 1200K.La nanocalorimetria adiabática se presenta en el capitulo 4. La técnica trabaja a ritmos de calentamiento alrededor de 104 K/s. A estos ritmos de calentamiento se pueden estudiar transformaciones de fase en capas ultrafinas con una sensitividad en energía inferior al nJ. El ruido pico a pico asociado a las medidas de capacidad calorífica es de alrededor a 20 pJ/K, para transformaciones reversibles. La dependencia con el tamaño del punto de fusión y de la entalpía de transformación para capas finas de In se han analizado como estudio preliminar. También presentamos una nueva metodología para poder evaluar la potencia de pérdidas a altas temperaturas. Empleando esta metodología se ha determinado la capacidad calorífica de capas muy finas de Ni alrededor de la transición de curie. Se presencia un estudio en el que se evidencia como los efectos de tamaño tienen un rol fundamental en la transición. La última parte de este capítulo presenta el análisis de capas ultrafinas de Ge encapsuladas entre capas de SiO2 cuando son sometidas a calentamientos ultrarápidos hasta 1200K. Se describen la transformación de amorfo a líquido así como la dependencia con el tamaño de la fusión y el sobreenfriamiento de nanocristales de Ge.En el capítulo 5 presentamos un nuevo sistema de control digital que hemos desarrollado para trabajar con los nanocalorímetros en modo compensación de potencia a ritmos de calentamiento que se expanden desde 0.1 hasta 103 K/s. Este sistema ha permitido analizar muestras de microgramos con sensitividades energéticas de µJ. Este nuevo desarrollo abre la posibilidad al estudio de transformaciones cinéticamente limitadas que típicamente necesitan de ritmos de calentamiento bajos, como por ejemplo para analizar los procesos de RTA (rápidos recocidos térmicos) usados en la industria microelectrónica.Finalmente, en los apéndices tratamos la teoría de control calorimetría y la cristalización de capas finas de Ge de diferentes espesores.