Doctorado en Ciencias - Física

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Desarrollo de una metodología para evaluar la respuesta fotocatalítica de recubrimientos de TiO₂ incorporando hidroxiapatita obtenida de residuos de pescado y nanoparticulas metálicas, en la remediación de aguas superficiales de Tumaco
(Universidad Nacional de Colombia, 2026) Echeverry Cardona, Laura María; Restrepo Parra, Elisabeth; Marín Castaño, Eliana Paola; Echeverry Cardona, Laura María [0000039660]; Laura María Echeverry Cardona [ba6iU9gAAAAJ]; Echeverry Cardona, Laura María [0000000342299103]; Restrepo-Parra, Elisabeth [0000000217341173]; Laura María Echeverry Cardona [Laura_Echeverry_Cardona2]; laboratorio de Fisica del Plasma
La contaminación de las fuentes hídricas es una problemática mundial creciente, afectada por diversos contaminantes como pesticidas, antiparasitarios y metales pesados, provenientes de actividades como la ganadería. Aunque el Pacífico colombiano es rico en recursos naturales, municipios como Tumaco enfrentan graves problemas medioambientales debido a la contaminación de sus océanos, ríos y suelos, causada por derrames de crudo, mala gestión de desechos y contaminación biológica. La investigación y el desarrollo científico y tecnológico son clave para abordar estos desafíos. Ante esta situación, surge la necesidad de investigaciones como esta, que tiene como objetivo, evaluar la respuesta fotocatalítica de recubrimientos de dióxido de titanio (TiO2) incorporando iones de hidroxiapatita obtenida de residuos de pescado, en conjunto con la incorporación de nanopartículas metálicas, para su aplicación en la remediación de cuerpos superficiales como es el caso del río Rosario, perteneciente a la región de Tumaco, Colombia. La metodología utilizada comprendió cuatro etapas principales: (i) La síntesis de los recubrimientos TiO2 por oxidación electrolítica por plasma incorporando iones de hidroxiapatita proveniente de residuos de pescado y nanopartículas metálicas de oro – cobre, la cual contempla la obtención de NPs metálicas por ablación laser, la síntesis de la HAp a partir de escamas de pescado y finalmente obtener diferentes tipos de recubrimientos TiO2, TiO2/HAp, TiO2/NPsmetálicas y TiO2/HAp/ NPsmetálicas. (ii) Caracterización de los recubrimiento y materiales empleados en los mismos mediante técnicas físicoquímicas, con el fin de obtener información estructural mediante difracción de rayos X , grupos funcionales mediante Espectroscopia Infrarroja (FTIR), morfológica mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) con análisis elemental por espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS), química por Espectroscopía Fotoelectrónica de Rayos X y adicionales como Absorción Atómica (AA) y Dispersión Dinámica de la Luz (DLS). (iii)Simulación de las propiedades estructurales y energéticas de los recubrimientos, mediante modelos computacionales basadas en la Teoría del Funcional de la Densidad electrónica (DFT). y finalmente, (iv) evaluación de los recubrimientos en la remediación de aguas superficiales (Texto tomado de la fuente).
Desarrollo de un modelo multiescala que describe la formación de nanoestructuras basadas en puntos cuánticos de semiconductores III-V, aplicadas a celdas solares con parámetros meteorológicos del departamento de Risaralda
(Universidad Nacional de Colombia, 2026) Arellano-Ramírez, Iván Darío; Restrepo-Parra, Elisabeth; Amaya-Roncancio, Sebastián; Arellano-Ramirez, Ivan Dario [0001408089]; Restrepo-Parra, Elisabeth [0000018350]; Amaya-Roncancio, Sebastian [0001052276]; Ivan Dario Arellano Ramirez [FBnybVsAAAAJ]; Arellano-Ramirez, Ivan Dario [0000000263377644]; Restrepo-Parra, Elisabeth [0000000217341173]; Amaya-Roncancio, Sebastian [0000000159846252]; Ivan Dario Arellano Ramirez [Ivan-Arellano]; Pcm Computational Applications; Arellano-Ramirez, Ivan Dario [26031886000]
En esta tesis doctoral se desarrolla un enfoque multiescala para el estudio de materiales semiconductores del grupo III–V y nanoestructuras basadas en puntos cuánticos, con potencial aplicación en celdas solares de tercera generación. El trabajo integra cálculos de primeros principios basados en la Teoría del Funcional de la Densidad, un modelo cinético de difusión superficial y simulaciones unidimensionales de dispositivo fotovoltaico, con el objetivo de establecer una conexión coherente entre propiedades atomísticas, procesos cinéticos y respuesta macroscópica. A nivel atomístico, se analizan las propiedades estructurales, electrónicas, ópticas y termodinámicas de sistemas bulk, aleaciones dopadas y superficies de GaAs, empleando distintos esquemas de intercambio y correlación y combinando cálculos con pseudopotenciales y métodos all-electron. Se determinan energías de formación, densidad de estados, energías superficiales y tendencias de estabilidad, identificando la influencia del dopaje y de la orientación cristalográfica sobre el comportamiento físico de los materiales estudiados. Los procesos de difusión superficial se caracterizan mediante el cálculo de barreras de activación obtenidas con el método CI-NEB, las cuales se emplean como parámetros de entrada para un modelo cinético reducido basado en tasas de salto tipo Arrhenius. Este modelo permite describir los mecanismos iniciales de nucleación, crecimiento y coalescencia de islas sobre distintas superficies de GaAs, evidenciando la dependencia de la movilidad superficial con la especie difusora, la temperatura y la terminación superficial. Finalmente, los parámetros electrónicos y ópticos derivados de los cálculos de primeros principios se integran en simulaciones de dispositivo mediante el software SCAPS-1D, con el propósito de evaluar de forma preliminar el impacto de los materiales estudiados en parámetros básicos de desempeño fotovoltaico, tales como la eficiencia de conversión ($\eta$) y el factor de llenado ($FF$). Los resultados obtenidos demuestran que el enfoque multiescala propuesto constituye una herramienta consistente para analizar la relación entre propiedades microscópicas y comportamiento macroscópico en dispositivos fotovoltaicos basados en materiales III–V (Texto tomado de la fuente).
Estudio teórico de las propiedades de transporte asociadas a un punto cuántico de grafeno
(Universidad Nacional de Colombia, 2025) Cruz Hoyos, Juan Sebastian; Álvarez Miño , Lucero; Cruz Hoyos, Juan Sebastián [0009000732094602]; Alvarez Miño, Lucero [0000000230467504]
El presente trabajo aborda el estudio teórico de los niveles de energía de un sistema de punto cuántico de grafeno sometido a un potencial coulombiano, mientras que las propiedades eléctricas y térmicas se analizaron para un potencial constante. Primero se definen las variables del modelo en presencia del potencial V(r)=-αe/r para desarrollar el hamiltoniano de Dirac-Weyl y hallar el sistema de ecuaciones de Weyl desacopladas que se solucionaron por el método fórmula, el método WKB y el método perturbativo. Las soluciones por el método fórmula requieren de condiciones de campo magnético cercano a cero y de valores de α cercanos a ~10^(-10) Jm/C, para cumplir las restricciones impuestas sobre r y que sea aplicable el método. Con respecto a las propiedades eléctricas, se encontró que el número de portadores de carga del grafeno depende del cuadrado de la temperatura en el régimen de bajas temperaturas. Para el punto cuántico de grafeno la resistencia eléctrica presenta una relación inversa con el radio y directa con la longitud magnética, mientras que sus portadores de carga a T→0 depende de parámetros propios del modelo. Por último, las propiedades termodinámicas se hallaron con la función de partición para el sistema a un potencial constante en dos regímenes: i) bajas temperaturas (T≪516,16 K) y ii) altas temperaturas T≫516,16 K), y se determinaron los potenciales termodinámicos asociados; se destaca que la entropía y el calor específico se ven considerablemente influenciados por los parámetros de campo magnético, potencial eléctrico constante V_0 y la relación de flujos ζ (Texto tomado de la fuente)
Fabricación y caracterización de capas delgadas graduadas y multicapa de InxAl1-xN para su potencial uso en la generación de energía fotovoltaica.
(2025-06-29) Cañón Bermúdez, Juan David; Molcue Nieto, Luis Fernando; Restrepo Parra, Elisabeth
La tesis doctoral se centra en el estudio del semiconductor InAlN, un material versátil con aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos como LEDs, láseres, celdas solares y transistores de alta movilidad de electrones. Se investigaron diversas metodologías para la síntesis y caracterización de capas de InAlN, destacando la técnica de co-sputtering DC a temperatura ambiente, que permite reducir costos de producción. Este enfoque innovador facilita la fabricación de dispositivos más asequibles y eficientes. Además, se analizaron las condiciones de depósito mediante sputtering monocátodo, observando cómo variables como el flujo de gases y la potencia aplicada afectan las propiedades estructurales y ópticas del material. Se propuso una metodología alternativa al método tradicional de Tauc para determinar las propiedades ópticas, proporcionando una caracterización más completa al considerar todas las transiciones electrónicas posibles. También se exploró la fabricación de estructuras graduadas (graduadas) y multicapas de InAlN, las cuales mostraron mejoras significativas en el coeficiente de absorción y control de defectos, optimizando así sus propiedades para aplicaciones tecnológicas avanzadas. Las estructuras multicapa, en particular, demostraron un potencial notable para mejorar la eficiencia en celdas solares debido a su capacidad para absorber una mayor cantidad de energía solar. En conclusión, la investigación realizada en esta tesis demuestra que mediante ajustes en los métodos de fabricación y caracterización es posible optimizar las propiedades del InAlN, abriendo nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos más eficientes y económicos (Texto tomado de la fuente).
Crecimiento y caracterización de películas delgadas de nitruro de titanio circonio (Ti,Zr)N
(2009) Trujillo Montero, Óscar Alexander; Arango Arango, Pedro José (Thesis advisor)
En el presente trabajo se presentan los detalles experimentales de la implementación metodológica para la producción de películas delgadas de nitruro de titanio circonio (Ti,Zr)N por medio de la técnica deposición física de vapor asistida por plasma (PAPVD) mediante arco pulsado. Para la producción de los recubrimientos se utilizó un blanco de Ti-Zr segmentado con una relación Ti70-Zr30 en área, diseñado en el laboratorio de física del plasma (LAFIP). Las películas se crecieron en un rango de presión entre 3,5 y 5,0 mbar con incrementos de 0,5 mbar. Por medio de espectroscopía de energía dispersiva de rayos x (EDS) se determinó la presencia de los elementos Ti, Zr, N, constituyentes del recubrimiento; además se realizó un mapeo químico superficial en el cual se observó que la distribución de los elementos es uniforme sobre la superficie analizada. La difracción de rayos X (XRD) reveló la formación de una fase cristalina de (Ti,Zr)N con estructura tipo Na-Cl. En el patrón de difracción se observa la presencia de picos correspondientes a los planos (111), (200), (220),(311) y (222); con el análisis del coeficiente de textura se pudo apreciar que los recubrimientos no presentan una orientación preferencial. Con la ecuación de Scherrer se determinó un tamaño de cristalito en el rango de 17,90 y 43,85 nm; el parámetro de red calculado por medio del método de refinamiento Rietveld varió entre 0,434 y 0,437 nm con el cambio de la presión de trabajo, siendo inferior al calculado por la ley de Vegard en todos los casos. Con la caracterización superficial mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se encontró la concentración de los elementos, observando la formación de una película sub-estequiométrica (Ti,Zr)Nx con x igual a 0,74 , 0,76 y 0,92 con la variación de la presión de trabajo. También se analizó la energía de enlace de los picos Ti2p3, Zr3d5 y N1s, hallando valores de 454.8, 179.5 y 397.1 eV respectivamente, que confirman la formación de (Ti,Zr)N. Con el incremento de la presión la variación de estas energías fue de 0.1, 0.2 y 0.1 eV para Ti2p3, Zr3d5 y N1s respectivamente. Por medio de microscopía de barrido por sonda (SPM), con microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía de fuerza lateral (LFM) la morfología y el coeficiente de fricción de las películas de (Ti,Zr)N fue investigado. Con espectroscopia de fuerza y AFM se calculó la nanodureza de los recubrimientos, obteniendo un valor máximo de 9.8±1.2 Gpa (Texto tomado de la fuente)

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