Magnetoelectric Heterostructures with Reduced Substrate Clamping Effect

Resum

Degut a la seva capacitat per generar camps elèctrics mitjançant l’aplicació de camps magnètics externs, els materials magnetoelèctrics (ME) han generat un considerable interès per a moltes aplicacions. En particular, juguen un paper fonamental en el camp de la biomedicina permetent l’administració precisa de medicaments controlada remotament, la detecció o l’electroestimulació cel·lular/neuronal sense fils mitjançant l’aplicació d’un camp magnètic extern. L’incrementat interès en els compostos magnetoelèctrics ha posat de manifest problemes que no havien estat tractats de manera efectiva anteriorment, concretament, l’efecte de fixació del substrat (‘clamping effect’) que pot reduir l’eficàcia dels sistemes compostos. En particular, la incorporació de substrats flexibles o la nanoestructuració poden potencialment minimitzar aquest efecte. Basant-nos en això, el treball presentat en aquesta tesi doctoral es centra en el desenvolupament de nous sistemes compostos magnetoelèctrics que incorporaren dos mètodes diferents per abordar el problema de la fixació del substrat, per a aplicacions biomèdiques._x000D_ _x000D_ En primer lloc, es va desenvolupar una pel·lícula composta altament flexible amb una heteroestructura magnetoelectrica Au/Ti/FeGa/ZnO integrada en una capa d’elastòmer de polidimetilsiloxà (PDMS). La fabricació va combinar tècniques de deposició física en buit i síntesi hidrotermal. La capa de ZnO piezoelèctric crescuda hidrotermalment va presentar un coeficient piezoelèctric de d33 = 11.2 ± 0.3 pm V-1. La pel·lícula composta també va mostrar magnetització in-plane amb coercitivitat Hc = 200 Oe. La resposta magnetoelèctrica amb un camp magnètic altern es va avaluar mitjançant la degradació de blau de metilè, obtenint els majors camps elèctrics sota un camp magnètic de 200 Oe i freqüència de 100 Hz. Es va demostrar la biocompatibilitat de la heteroestructura, i els estudis de proliferació cel·lular van mostrar un augment del 42% en la proliferació després de 7 dies d’estimulació magnetoelèctrica diària d’1 hora. La pel·lícula composta altament flexible podria ser adequada per a aplicacions en biomedicina._x000D_ A més, es van fabricar microdiscos suspesos d’Au/FeGa/BaTiO3 mitjançant deposició física en fase vapor, litografia col·loïdal i gravat per ions reactius. Comparats amb els microdiscos no suspesos i les pel·lícules contínues de la mateixa composició, els microdiscos suspesos van mostrar una millora significativa en el rendiment magnetoelèctric a causa de la reducció de l’efecte de fixació del substrat. Les vores dels microdiscos suspesos van mostrar una resposta mecànica més forta que els centres i la pel·lícula contínua. Els coeficients piezoelèctrics per a la pel·lícula contínua, els microdiscos no suspesos i els microdiscos suspesos van ser 3.7 ± 0.3 pm·V-1, 7.7 ± 0.4 pm·V-1 i 13.2 ± 0.4 pm·V-1, respectivament. El coeficient d’acoblament magnetoelèctrico va ser més alt pels microdiscos suspesos, assolint 730 ± 70 V·cm-1·Oe-1 al centre i 1040 ± 70 V·cm-1·Oe-1 a la vora, en comparació amb 260 ± 70 V·cm-1·Oe-1 per a la pel·lícula contínua. Els microdiscos suspesos també van demostrar una major eficàcia en la degradació del blau de metilè sota un camp magnètic de 200 Oe i 100 Hz. La biocompatibilitat de les tres configuracions va ser confirmada per assajos cel·lulars durant 3 dies. En conclusió, la pel·lícula composta altament flexible i els microdiscos suspesos mostren un gran potencial en diverses aplicacions, incloent-hi la biomedicina._x000D_ _x000D_ En resum, el treball presentat en aquesta tesi ha demostrat que el rendiment dels sistemes magnetoelèctrics pot millorar-se mitjançant la implementació d’estratègies per a reduir l’efecte de fixació del substrat, ja sigui utilitzant un substrat elastomèric o mitjançant la nanoestructuració del compost en estructures autònomes. La millorada resposta magnetoelectrica d’ambdues aproximacions fa que aquest tipus de sistemes siguin atractius per a aplicacions en biomedicina.

Data del Ajut	27 de juny 2023
Idioma original	Anglès
Supervisor	Borja Sepúlveda Martínez (Director/a) & Josep Nogués Sanmiquel (Director/a)