| dc.rights.license | http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 - Atribución-NoComercial | es_MX |
| dc.contributor | JESUS ANTONIO DEL RIO PORTILLA | es_MX |
| dc.contributor.author | DENISE ESTRADA WIESE | es_MX |
| dc.contributor.other | director - Director | es_MX |
| dc.coverage.spatial | MEX - México | es_MX |
| dc.date | 2018-10-22 | |
| dc.date.accessioned | 2019-02-11T15:50:18Z | |
| dc.date.available | 2019-02-11T15:50:18Z | |
| dc.identifier.uri | http://riaa.uaem.mx/handle/20.500.12055/495 | |
| dc.description | Resumen
Las estructuras fot onicas son materiales dise~nados de tal manera que pueden
controlar la propagaci on de las ondas electromagn eticas dentro de su estructura.
Esto es posible gracias a la periodicidad de su ndice de refracci on que act ua como
un potencial peri odico generando brechas de transmisi on proh bidas. La manipulaci
on de las ondas electromagn eticas en los materiales fot onicos depende del
dise~no de sus estructuras permitiendo as el desarrollo de diversos dispositivos
para diferentes aplicaciones. Entre algunas de las estructuras m as sencillas se
destacan los ltros, microcavidades y biosensores; en particular en este trabajo
nos interesan los espejos de Bragg y los espejos de banda ancha que re
ejan
desde longitudes de onda espec cas hasta rangos muy amplios del espectro electromagn
etico permitiendo su uso en diversas aplicaciones, como en dispositivos
de concentraci on solar, entre otros.
El silicio poroso (p-Si) es un material apto para fabricar estructuras fot onicas
re
ectivas, formadas por capas alternadas de diferentes ndices de refracci on. En
el proceso de dise~no y fabricaci on de estos dispositivos es de vital importancia
la caracterizaci on adecuada de las propiedades opticas del p-Si, en particular
de los ndices de refracci on de capas de diferentes porosidades. En este trabajo
obtuvimos mediante diferentes t ecnicas, experimentales y te oricas, los ndices
de refracci on de p-Si y presentamos un procedimiento pr actico para evaluar con
precisi on los valores obtenidos. La metodolog a que proponemos aqu consiste en
el uso de par ametros cuantitativos basados en la comparaci on de los experimentos
con la teor a. Esta comparaci on se realiza en forma similar a las medidas de
calidad optica.
El dise~no otimo para producir espejos fot onicos de alta calidad es complicado
debido a la diversidad de posibles arreglos peri odicos y la con guraci on correcta
de capas que cada espejo diferente necesita. Cuando se busca dise~nar espejos
con una brecha fot onica amplia, por ejemplo para aplicaciones de concentraci on
solar, es necesaria la superposici on de varios espejos de Bragg. Sin embargo, no
es sencillo escoger la con guraci on optima de los espejos de Bragg tal que se
superpongan adecuadamente para cubrir todo el rango de longitudes de onda deseado.
En este trabajo desarrollamos un m etodo de optimizaci on estoc astica para
dise~nar estructuras re
ectivas de alta calidad fot onica. Este m etodo combina un
algoritmo h brido de b usquedas aleatorias con una metodolog a de exploraci on
de espacio reducido para obtener una con guraci on optimizada de la estructura
fot onica deseada. En el procedimiento de optimizaci on la evaluaci on de las
posibles estructuras fot onicas se realiza mediante el c alculo de los espectros de
re
ectancia te oricos. Realizamos estos c alculos usando el m etodo de la matriz
de transferencia donde implementamos el modelo de espesores equidistantes que
considera la transmisi on incoherente de la luz en las estructuras, logrando as el
c alculo de espectros de re
ectancia m as realistas. Con la fabricaci on de diferentes
espejos fot onicos de p-Si mostramos la viabilidad de nuestro procedimiento y
encontramos buena concordancia entre experimento y teor a utilizando una funci
on de m erito. Presentamos con este m etodo una manera optimizada de dise~nar
estructuras fot onicas re
ectivas de banda ancha que pueden ser fabricadas con
diferentes materiales y dise~nadas para distintas aplicaciones.
Las aplicaciones que exploramos en este trabajo incluyen el uso de espejos
fot onicos como sustratos para depositar nanoantenas sobre ellos con el objetivo
de mejorar el funcionamiento de los dispositivos para cosechar radiaci on infrarroja
(IR). Realizamos una caracterizaci on con c amara termogr a ca para evaluar el aumento
de temperatura en las diferentes muestras con y sin espejo y encontramos
que los espejos fot onicos ayudan a mejorar la e ciencia de las nanoantenas.
Adicionalmente, mediante pruebas realizadas con termograf a de alta resoluci on
determinamos el aumento de temperatura de una secci on transversal de una oblea
de silicio cristalino y un espejo optimizado de p-Si. Estudiamos la distribuci on
de temperatura en las muestras y los resultados coinciden con el efecto optico
en un espejo de multicapas que no permite la incidencia de la radiaci on en su
estructura. Aqu obtuvimos evidencia experimental para una mejor comprensi on
de la interacci on de la radiaci on IR con los espejos fot onicos.
Finalmente, tambi en contribuimos con la fabricaci on de espejos de Bragg
para la producci on de micro-motores fot onicos. Estos son dispositivos dise~nados
para atrapar las ondas electromagn eticas dentro de su estructura y aprovechan
la presi on de la radiaci on para formar oscilaciones mec anicas en el dispositivo.
Estas oscilaciones se modelaron te oricamente y compararon con resultados experimentales
mostrando buena coincidencia. | es_MX |
| dc.description | Abstract
Photonic structures are materials designed to control the propagation of the
electromagnetic waves within their structure. This propagation control is possible
due to the periodicity of their refractive indices which act as a periodic
potential generating band gaps of forbidden transmission. The manipulation of
the electromagnetic waves in photonic materials depends on the design of their
structures allowing the development of custom designed devices for many applications.
Among the most straightforward structures are lters, microcavities, and
biosensors; particularly in this work, we are interested in Bragg and broadband
mirrors which re
ect from speci c to wide wavelength ranges of the electromagnetic
spectrum.
Porous silicon (p-Si) is a suitable material to fabricate re
ective photonic
structures, formed of alternating layers of high and low refractive index. The fair
characterization of the optical properties of p-Si is of great value for the fabrication
and design of these devices, especially the refractive indices of the layers with
di erent porosities. In this work, we obtained values for the refractive indices of
p-Si from di erent experimental and theoretical techniques and present a practical
procedure to evaluate them. The methodology that we propose consists of
using quantitative parameters based on the comparison of the experiments with
theory in a similar way as the optical quality measures.
To achieve an optimum design to produce high-quality photonic mirrors is
complicated due to the di erent possible periodic arrangements and the adequate
layer con guration that each di erent mirror needs. When designing mirrors
with an increased bandgap, for example for solar concentration applications,
the superposition of several Bragg mirrors is needed. However, it is no easy
task to nd the optimum con guration of Bragg mirrors such that they superpose
adequately to cover the complete desired wavelength range. In this work,
we developed a stochastic optimization method to design high quality re
ecting
photonic structures. This method combines a hybrid algorithm of random search
with a methodology of reduced space search to obtain an optimized con guration
of the desired photonic structure. The optimization procedure is evaluated
through theoretical re
ectance spectra simulated using the transfer matrix and
the equispaced thickness methods, which improve the calculations due to the
consideration of incoherent light transmission through the structure. We show
the viability of our procedure by fabricating di erent photonic mirrors with p-Si
and nd good agreement between theory and experiment using a merit function.
Herein we present an optimized manner to design broadband re
ecting photonic
structures which can be fabricated with di erent materials and designed for many
applications.
In this work, we explored some applications which include the use of photonic
mirrors as substrates to deposit nanoantennas on them with the aim of enhancing
their operation to collect infrared radiation (IR). Using a thermal characterization
with an infrared camera, we evaluated the temperature increase in di erent samples
nding that the mirrors might upgrade the e ciency of the nanoantennas.
We also studied heat transfer in optimized multilayered mirrors for their use
in solar concentration applications. Here we obtained experimental evidence for
a better understanding of the interaction of IR radiation with photonic mirrors.
We realized experiments with an infrared camera and determined the increase of
temperature in a transversal section of a crystalline silicon wafer and compared
it to an optimized p-Si mirror. The results agree with the optical e ect in the
multilayered mirror that forbids the incidence of the radiation in the structure.
Finally, we contributed to the fabrication of Bragg photonic mirrors for the
production of photonic micro-motors. These devices are designed to trap electromagnetic
waves within its structure and take advantage of the radiation pressure
to form mechanical oscillations in the device. These oscillations are modeled
theoretically and compared with experimental results showing good agreement.
Agradecim | es_MX |
| dc.format | pdf - Adobe PDF | es_MX |
| dc.language | spa - Español | es_MX |
| dc.publisher | El autor | es_MX |
| dc.rights | openAccess - Acceso Abierto | es_MX |
| dc.subject | 7 - INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA | es_MX |
| dc.subject.other | 33 - CIENCIAS TECNOLÓGICAS | es_MX |
| dc.title | Diseño y aplicaciones de estructuras fotónicas de silicio poroso | es_MX |
| dc.type | doctoralThesis - Tesis de doctorado | es_MX |
| uaem.unidad | Instituto de Investigación en Ciencias Básicas y Aplicadas (IICBA) - Instituto de Investigación en Ciencias Básicas y Aplicadas (IICBA) | es_MX |
| uaem.programa | Doctorado en Ciencias - Doctorado en Ciencias | es_MX |
| dc.type.publication | acceptedVersion | es_MX |
| dc.audience | researchers - Investigadores | es_MX |
