Magnetoelectric Heterostructures with Reduced Substrate Clamping Effect

Resumen

Debido a su capacidad para producir campos electricos mediante la aplicacion de campos magneticos externos, los materiales magnetoelectricos (ME) han despertado un gran interes para muchas aplicaciones. En particular, tienen una contribucion importante en la biomedicina al permitir el control inalambrico de la entrega de medicamentos, la deteccion o la electroestimulacion celular/neuronal inalambrica a traves de la aplicacion de un campo magnetico externo. El aumento del interes en los compuestos magnetoelectricos ha puesto de relieve problemas como el efecto de sujeción del sustrato (‘clamping effect’) que puede reducir la eficacia de los sistemas compuestos. En particular, la incorporacion de sustratos flexibles o capas nanoestructuradas puede minimizar este efecto. Sobre esta base, el trabajo presentado en esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de nuevos sistemas compuestos magnetoelectricos que incorporaran dos metodos diferentes para abordar el problema de la sujecion del sustrato, para aplicaciones biomedicas. _x000D_ En primer lugar, se desarrolló una película compuesta altamente flexible con una heteroestructura magnetoelectríca Au/Ti/FeGa/ZnO integrada en una capa de elastomero de polidimetilsiloxano (PDMS). La fabricación combinó técnicas de deposición física en vacío y síntesis hidrotermal. La capa de ZnO piezoeléctrico crecida hidrotermalmente presentó un coeficiente piezoeléctrico de d33 = 11.2 ± 0.3 pm V-1. La película compuesta también mostró magnetización en-plano con coercitividad Hc = 200 Oe. La respuesta magnetoelectríca con campo magnético alterno se evaluó mediante la degradación de azul de metileno, obteniendo los mayores campos eléctricos bajo un campo magnético de 200 Oe y frecuencia de 100 Hz. Se demostró la biocompatibilidad de la heteroestructura, y los estudios de proliferación celular mostraron un aumento del 42% en la proliferación después de 7 días de estimulación magnetoelectrica de 1 hora diaria. La película compuesta altamente flexible podría ser adecuada para aplicaciones en biomedicina._x000D_ _x000D_ Además, se fabricaron microdiscos suspendidos de Au/FeGa/BaTiO3 mediante deposición física en fase vapor, litografía coloidal y grabado por iones reactivos. Comparados con los microdiscos no suspendidos y las películas continuas de la misma composición, los microdiscos suspendidos mostraron una mejora significativa en el rendimiento magnetoelectrico debido a la reducción del efecto de sujeción del sustrato. Los bordes de los microdiscos suspendidos mostraron una respuesta mecánica más fuerte que los centros sujetados y la película continua. Los coeficientes piezoeléctricos para la película continua, los microdiscos no suspendidos y los microdiscos suspendidos fueron 3.7 ± 0.3 pm·V-1, 7.7 ± 0.4 pm·V-1 y 13.2 ± 0.4 pm·V-1, respectivamente. El coeficiente de acoplamiento magnetoelectrico fue más alto para los microdiscos suspendidos, alcanzando 730 ± 70 V·cm-1·Oe-1 en el centro y 1040 ± 70 V·cm-1·Oe-1 en el borde, en comparación con 260 ± 70 V·cm-1·Oe-1 para la película continua. Los microdiscos suspendidos también demostraron una mayor eficacia en la degradación del azul de metileno bajo un campo magnético de 200 Oe y 100 Hz. La biocompatibilidad de las tres configuraciones fue confirmada por ensayos celulares durante 3 días. En conclusión, la película compuesta altamente flexible y los microdiscos suspendidos muestran un gran potencial en diversas aplicaciones, incluyendo biomedicina._x000D_ En resumen, el trabajo de esta tesis ha demostrado que el rendimiento de los sistemas magnetoelectricos puede mejorarse mediante la implementacion de enfoques para reducir el efecto de sujecion mediante: (i) un sustrato de elastomero o (ii) a través de la microestructuracion y liberacion de las capas formando estructuras independientes suspendidas. La respuesta magnetoelectrica mejorada de ambos enfoques hace que este tipo de sistemas sea atractivo para aplicaciones en biomedicina.

Fecha de lectura	27 jun 2023
Idioma original	Inglés
Supervisor	Borja Sepúlveda Martínez (Director/a) & Josep Nogués Sanmiquel (Director/a)