Repositorio USM (Universidad Técnica Federico Santa María)
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Grafeno como conductor transparente en celdas solares de heterojuntura
No full textActualmente nos enfrentamos a una crisis ecológica, el calentamiento global se ha intensificado y junto al desarrollo industrial, aumenta el requerimiento energético como sociedad. Hasta hoy, se han utilizado combustibles fósiles como la principal fuente de energía, sin embargo, estos recursos son limitados y altamente contaminantes, lo que nos obliga a buscar fuentes de energía renovables. Entre las energías renovables no convencionales más populares se encuentra la energía solar, captada mediante celdas solares.
Las celdas solares de heterojuntura se fabrican mayoritariamente con óxido de indio y estaño (ITO) como su película conductora transparente (TCF), un material costoso, dada la escasez de indio. Para propagar el uso de energías limpias se debe encontrar la manera de volverlas más accesibles; en el caso de estas celdas solares, buscando un TCF alternativo y económico. Un material económico y un buen candidato es el grafeno. Desde su síntesis, el grafeno ha sido un material muy llamativo en numerosos campos a causa de sus excelentes propiedades estructurales, ópticas y eléctricas [1]. Su fabricación no es demasiado costosa y permite tener un gran control en la calidad del material resultante.
El presente trabajo propone estudiar el potencial del grafeno como una alternativa de TCF para celdas solares de silicio de heterojuntura. Con este fin, se sintetiza grafeno utilizando deposición química en fase de vapor. Posteriormente, se transfieren películas del grafeno sintetizado de ~12sobre vidrio, dióxido de silicio y sustratos recubiertos de ITO. La transferencia permite el estudio de las propiedades ópticas y eléctricas de grafeno como transmitancia y resistencia. La resistencia de hoja del grafeno sobre dióxido de silicio alcanzó un mínimo de ~9,1Ωsq−1, menor a la resistencia de hoja de ITO sobre dióxido de silicio, ~95Ωsq−1. Adicionalmente, la transferencia de grafeno sobre los sustratos recubiertos de ITO resultó en una disminución de la resistencia de hoja de ~95Ωsq−1a ~42,9Ωsq−1. Respecto a las propiedades ópticas, la transmitancia de las muestras de grafeno varía entre 84% y 77%, disminuyendo con el número de capas, pero siempre mayor que la de ITO, 75%.We are currently facing an ecological crisis, global warming has intensified and, together with industrial development, the energy requirement as a society is increasing. Until today, fossil fuels have been used as the main source of energy, however, these resources are limited and highly polluting, which forces us to look for renewable energy sources. Among the most popular non-conventional renewable energies is solar energy, captured by solar cells.
Heterojunction solar cells are mostly made of indium tin oxide (ITO) as their transparent conductive film (TCF), an expensive material, given the scarcity of indium. To spread the use of clean energies, ways must be found to make them more accessible; in the case of these solar cells, looking for an alternative and inexpensive TCF. One inexpensive material and a good candidate is graphene. Since its synthesis, graphene has been an eye-catching material in many fields because of its excellent structural, optical, and electrical properties [1]. Its fabrication is not too expensive and allows to have a great control on the quality of the resulting material.
The present work proposes to study the potential of graphene as an alternative TCF for heterojunction silicon solar cells. To this end, graphene is synthesized using chemical vapor deposition. Subsequently, ~1 2 films of the synthesized graphene are transferred onto glass, silicon dioxide and ITO coated substrates. The transfer enables the study of the optical and electrical properties of graphene such as transmittance and resistance. The sheet resistance of graphene on silicon dioxide reached a minimum of ~9,1 Ω 11, lower than the sheet resistance of ITO on silicon dioxide, ~95 Ω 11. Additionally, the transfer of graphene onto ITO coated substrates resulted in a decrease in sheet resistance from ~95 Ω 1 to ~42,9 Ω 11. Regarding the optical properties, the transmittance of the graphene samples varied between 84% and 77%, decreasing with the number of layers, but always higher than that of ITO, 75%.Magíster en Ciencias, mención Físic
Diseño, fabricación y caracterización de nanodiscos magnéticos para su uso en terapias contra el cáncer
No full textLas nanopartículas magnéticas han despertado un gran interés en el área de la biomedicina debido a su potencial uso en terapias contra el cáncer, reparto de fármacos en ambientes biológicos, manipulación celular y agentes de contraste. Gracias a su fácil manipulación con un campo magnético externo, es posible aplicar torques y procesos de hipertermia, propiedades críticas al momento de ser utilizadas en células cancerígenas para su destrucción.
Dentro de las nanopartículas existentes se destacan las de tipo superparamagne-tic iron oxide nanoparticles (SPION), synthetic anti-ferromagnetic (SAF) y del tipo vórtice (vortex), las cuales son el principal enfoque en este trabajo de investigación. Los métodos de patronaje y de deposición varían dependiendo del tipo de nanopartícula a fabricar, abarcando métodos como son los de fotolitografía, na-noimprinting, hole-mask colloidal lithography, evaporación solvotermal, deposición por sputtering o mediante haz de electrones.
En el presente trabajo, se fabricaron dos discos ferromagnéticos de Fe (hierro) y Py (permalloy) con estructura magnética tipo vórtice la cual previene la aglomeración de los mismos. Para fabricar estos nanodiscos, se siguió la ruta de patronaje con resina negativa y deposición por haz de electrones. Discos con diámetros de 790[nm] y 260[nm] fueron creados con espesores de 50[nm] y 100[nm] de material respectivamente, dando como resultado un total de ocho muestras. Imágenes SEM (scanning electron microscope) fueron tomadas como soporte para observar la calidad de los nanodiscos.
Posteriormente se realizó una caracterización magnética completa la cual fue comparada con modelos de microsimulación magnética. Medidas de VSM (Vibrating Sample Magnetometer) fueron tomadas como película nanoestructurada y tras completar las medidas, los discos fueron liberados en agua dentro de eppendorfs para realizar una segunda caracterización con VSM y comparar los resultados. Tras las mediciones, dos tipos de discos fueron seleccionados por sus mejores propiedades magnéticas, los de menor remanencia y coercitividad para un posterior análisis, los de Fe de 260[nm] de diámetro y 50[nm] de espesor y los de Py de 790[nm] de diámetro
y 50[nm] de espesor.
La simulación micromagnética fué llevada a cabo con el uso de Mumax, la cual realiza cálculos a partir de elementos _nitos. Las imágenes SEM tomadas anteriormente fueron usadas como matriz para este propósito. Los ocho tipo de discos fabricados fueron simulados y se observó su estado magnético y sus características. Teniendo los resultados experimentales y simulados, se hizo una comparación y análisis de los
resultados.
Para la observación de la dinámica de los discos en solución acuosa, fué montado un láser con un fotodetector capaz de medir los cambios en intensidad luminosa producido por el movimiento de los discos frente a un campo magnético externo.
Se realizaron medidas a discos de Py de 790[nm] de diámetro y 50[nm] de espesor para observar su comportamiento y evolución temporal frente al campo magnético aplicado. Para apoyar estas observaciones, discos de mayor diámetro capaces de ser observados en un microscopio óptico, fueron sometidos bajo un campo magnético para observar su interacción y también bajo MFM para ver el estado vórtice magnético.Magíster en Ciencias, mención Físic
Newspaper magnification preserving entry points and optimizing aesthetics: a computational approach of layouting using an evolutionary algorithm
No full textLa prensa escrita ha intentado adaptar su producto principal, el periódico, a las nuevas tecnologías desde el surgimiento de las mismas. La mayoría de los dispositivos de lectura digitales ofrecen herramientas para mejorar la accesibilidad tales como magnificadores (zooming). Magnificación usando pinch and zoom es la principal solución disponible; sin embargo, este método resulta en perder muchos entre points, concepto usado para denominar a los puntos importantes de la página como las imágenes y los titulares. El problema de accesibilidad descrito motiva este trabajo de tesis.
En este trabajo de tesis, se desarrolla una solución para crear nuevos layouts de solo texto (redistribución de artículos en una página) que permite magnificar solo la fuente del texto, garantizando una buena visualización de todos los titulares. Esto requiere explorar nuevas relaciones de aspecto y/o posiciones de cada artículo en la página, ya que se intenta minimizar la cantidad de titulares que requieren más de 3 líneas de texto para el tamaño de fuente. Esto constituye nuestra medida cuantitativa de accesibilidad. De manera adicional, se busca optimiza la estética del resultado.
Se implementa lo anterior con un algoritmo genético. Se realizaron pruebas usando instancias generadas a partir de páginas reales de periódico. Se obtuvieron diferentes layouts donde la fuente fue magnificada con un factor de 2.0. Se puede ver que la calidad de los titulares es globalmente mucho mejor, y la distribución de los artículos en la página genera mejores valores de estética.
Para trabajo futuro se espera generalizar este método prometedor, considerando la complejidad de periódicos reales, con la calidad de experiencia de usuario en mente como principal objetivo.Magíster en Ciencias de la Ingeniería Informátic
Cuantificación de la migración de finos en minería de block caving mediante experimentos de laboratorio
No full textLa migración de finos en minería block caving corresponde al movimiento de material granular de bajo tamaño. Este material se dirige hacia los puntos de extracción, causando la dilución del mineral valioso y problemas de seguridad debido a las colgaduras cohesivas. A pesar de que existen estudios previos sobre la migración de finos mediante experimentos con material granular y simulaciones 3D, la evidencia empírica es escasa. Por lo tanto, se carece de una comprensión sólida de la relación entre las variables que afectan la migración de finos.
Por medio de veinticuatro experimentos en un modelo físico a escala de laboratorio, se analiza la influencia de distintas variables en la migración de finos. Las variables consideradas son el diámetro medio del mineral fino, el contenido de mineral fino, la orientación del mineral y el tipo de extracción (aislado/interactivo). Los resultados muestran que la migración de finos aumenta con el contenido de mineral fino y disminuye con la inclinación, siendo estas dos variables las más determinantes. Una extracción interactiva reduce y retrasa la migración de finos a los puntos de extracción. El diámetro medio del mineral fino parece tener una influencia menor, aunque se observan circunstancias en las que el incremento del diámetro conduce a un aumento de la migración de finos. Las gráficas obtenidas brindan información valiosa para comprender la migración de finos en operaciones block caving bajo diversas condiciones.
Con estas, se puede estimar el cambio de la migración de finos al tener implicada distintas variables en simultáneo. Esto supone una herramienta complementaria a los modelos que se usan actualmente en mineráa para evaluar este fenómeno.Fines migration in block caving mining corresponds to the movement of low-sized granular material. This material is directed towards the extraction points, causing dilution of valuable ore and safety problems due to cohesive hang-ups. Although there are previous studies on fines migration through experiments with granular material and 3D simulations, empirical evidence is scarce. Therefore, a solid understanding of the relationship between variables affecting fines migration is lacking. By means of twenty-four experiments on a laboratoryscale physical model, the influence of different variables on fines migration is analyzed. The variables considered are the average diameter of the fine mineral, the fine mineral content, the mineral orientation and the type of extraction (isolated/interactive). The results show that fines migration increases with fine ore content and decreases with inclination, these two variables being the most determinant. An interactive extraction reduces and delays the migration of fines to the extraction points. The average diameter of the fine ore appears to have a minor influence, although conditions are observed where increasing diameter leads to increased fines migration. The plots obtained provide valuable information for understanding fines migration in block caving operations under various conditions. With these, the change in fines migration can be estimated by involving different variables simultaneously. This is a complementary tool to the models currently used in mining to evaluate this phenomenon.Magíster en Ciencias de la Ingeniería Metalúrgic
Investigación numérica y experimental de la generación de hidrógeno verde mediante ciclos termoquímicos de dos pasos utilizando óxido de cerio en formato de esponja porosa
No full textEl cambio climático ha vuelto fundamental el proceso de descarbonización, donde aparece el hidrógeno verde (H2V) como combustible alternativo. En este marco, este trabajo numérico experimental, se centra en la investigación de la producción de hidrógeno verde mediante ciclos termoquímicos de dos etapas (reducción-oxidación) con ´oxido de cerio (ceria) en formato de espuma porosa, utilizando energía solar concentrada y fotovoltaica.
Como trabajo numérico se propone un modelo matemático para simular el proceso termoquímico de producción de hidrógeno verde mediante un reactor idealizado de water-splitting (WS), el cual se rige por las ecuaciones de conservación de masa, energía y variación de concentración de vacancias, que se resuelven mediante el método TDMA. Las cinéticas de reacción de la reducción y la oxidación utilizadas se validan con datos experimentales de la literatura. Como trabajo experimental, se diseña y construye un innovador reactor cilíndrico de medio poroso formado por óxido de cerio que recibe energía solar. Se implementa un sistema de gases de entrada (nitrógeno y vapor de agua) y un sistema de medición de hidrógeno verde generado.
Se realiza la puesta en marcha del reactor de WS cuyos resultados se contrastan correctamente con los resultados de perfiles térmicos y producción de hidrógeno.
Los resultados térmicos de la investigación confirman una alta temperatura en la etapa de reducción y una menor temperatura en la etapa de oxidación. Para parámetros operacionales de: Qred = 30 W, Qox = 0 W, Qce = 3000 kW/m3, uN2 = 8 m/s y uH2O = 2 m/s, se obtienen temperaturas máximas en la etapa de reducción (primera etapa) de 1100 K de forma numérica, y 1050 K de manera experimental, y para la etapa de oxidación (segunda etapa), se trabaja entre temperaturas de 850 K-420 K de manera numérica, y experimentalmente entre 880 K-720 K en promedio. Finalmente, para la producción de hidrógeno, se obtuvo un valor máximo cercano a los 2000 [μmolH2O/gCeO2 ] y 100 PPM en el flujo de salida del reactor, para pruebas numéricas y experimentales, respectivamente.
El modelo matemático 1D permitió reconocer el proceso termoquímico de WS para el reactor diseñado y sus distintos parámetros de operación, destacando la mejora de la producción de hidrógeno al: a) En la reducción, incrementar el aporte de concentración solar, permitir una mayor duración de la etapa, y aumentar la velocidad de entrada del nitrógeno, ya que esto permite lograr mayores temperaturas y vacancias, y b) En la oxidación, permitir una mayor duración de la etapa.
Para futuros trabajos se recomienda ampliar la investigación hacia un modelo de dos o tres dimensiones que permita reconocer de mejor manera los aportes y pérdidas de calor en el reactor de geometría cilíndrica hueca, y aumentar la potencia proporcionada por el disco parabólico para lograr mayores temperaturas de operación
Síntesis y caracterización de aislantes topológicos nano estructurados
No full textUn aislante topológico (TI) es un material que se comporta como aislante en el bulto, pero tiene estados electrónicos en su superficie. Una problemática en el estudio de estos materiales es la aparición de defectos en la síntesis que provoca estados electrónicos de bulto que interfieren en los estados superficiales. Una forma de favorecer la presencia de estos estados superficiales es a través de nanoestructuras de TIs, gracias a su alta razón superficie-bulto que reduce las posibles contribuciones del bulto.
Debido a esto, en este trabajo se presenta el desarrollo de una metodología de síntesis CVD por método Vapor-Sólido de heteroestructuras de TI/Grafeno compuestas de nanoplatos (NPs) de los aislantes topológicos Bi2Te3 y Sb2Te3 sobre grafeno monocapa, para su uso en estudios de sus estados electrónicos locales, dependientes del espesor.
Para la optimización de esta metodología de crecimiento, se estudió el efecto de los parámetros de crecimiento en la síntesis de estos materiales. Estos parámetros estudiados fueron la temperatura en la zona de los polvos precursores, la temperatura del sustrato, el flujo de argón y el tiempo de crecimiento.
Para la caracterización de estas heteroestructuras, en términos de morfología, espesor, composición y calidad cristalina, se utilizó espectroscopía Raman, microscopía electrónica de barrido, fluorescencia de rayos X por energía dispersiva, microscopía de fuerza atómica y microscopía de efecto túnel. Finalmente se presentan estudios preliminares de sus estados electrónicos locales realizados por espectroscopia de efecto túnel de baja temperatura.
Se obtuvo que en estas heteroestructuras los NPs obtenidos presentan una variedad de espesores, principalmente en el rango de 5-30 [nm] y dimensiones laterales en el rango de 0,2-5 [µm], con una alta densidad de crecimiento y separados uno del otro. Se observo que los NPs tienen una composición homogénea y se observó la presencia de defectos intrínsecos que afectan los estados electrónicos locales
Inspección de redes de acuicultura con técnicas de procesamiento digital de imágenes
No full textLa inspección de jaulas de cultivo es una tarea crucial en la acuicultura marina, tanto para controlar la calidad en el proceso de desarrollo de los peces, como el impacto medioambiental.
Problemas como las roturas y la acumulación de fouling (material no deseado) en las redes, producen graves pérdidas económicas y comprometen el ecosistema marino circundante. En
la actualidad, los procesos de inspección más sofisticados se basan en la observación humana de vídeos submarinos, capturados por una cámara montada en un ROV (vehículo operado a
distancia). Este proceso es tedioso, consume tiempo, es impreciso, depende en gran medida del nivel de experiencia del operador y tiene escasa verificabilidad.
En esta tesis se presentan dos algoritmos para complementar la inspección por video al interior de las redes, mediante técnicas de procesamiento digital de imágenes. Uno consiste en la detección de regiones de daño y el otro en la caracterización del nivel de fouling. El primero segmenta las imágenes para separar la red del fondo y aplica una reducción de ruido para adaptarse a las condiciones submarinas. A continuación, se analizan las áreas de los agujeros formados por la estructura de la red, buscando valores atípicos que representen potenciales regiones de daño. Por último, se analizan los agujeros vecinos de los valores atípicos, para reducir los errores de perspectiva, y se aplica un criterio espacio-temporal de seguimiento,
combatiendo errores de detección esporádica. La segunda propuesta utiliza un enfoque de machine learning basado en redes neuronales convolucionales, para caracterizar tres niveles de fouling sobre las redes de acuicultura. Se recolecta un conjunto de datos que otorga al
modelo la capacidad de operar ante distintas adversidades. Además, se comparan otros modelos conocidos en la literatura mediante transfer learning como una solución alternativa al modelo planteado. Ambos métodos se evalúan con secuencias reales de inspección, donde los resultados indican altos niveles de precisión y abren la posibilidad para el procesamiento en tiempo real en sistemas embebidos
Soluciones cosmológicas en gravedad afín polinomial en 3 y 4 dimensiones
No full textLa Gravedad Afín Polinomial es un modelo de gravedad que tiene como campo fundamental a la conexión, que está relacionada con el concepto de paralelismo, a diferencia de la teoría de Relatividad General que tiene como campo fundamental a la métrica, que está relacionada con el concepto de distancia. La acción de este modelo se construye en base a la invarianza bajo difeomorfismos y se utiliza un análisis sobre la estructura de índices. Se analizan las soluciones en el contexto cosmológico, es decir, en un espacio-tiempo isotrópico y homogéneo. Para lograr que la conexión cumpla con el principio cosmológico, se utiliza la derivada de Lie y se escogen como vectores de Killing a los vectores generadores de traslaciones y rotaciones. Se buscan soluciones para el modelo en tres y en cuatro dimensiones y se indican posibles caminos para encontrar más soluciones. Se analizan el tensor de Ricci y los tensores simétricos formados con la torsión para ver si estos pueden ser interpretados como métrica emergente.Magíster en Ciencias, mención Físic
Representaciones homogéneas, heterogéneas y mixtas para la estimación de potencial fotovoltaico urbano en Santiago
No full textLos inminentes problemas asociados al cambio climático han acelerado los esfuerzos para lograr una pronta transición energética hacia fuentes renovables. Por ende, la estimación precisa y a gran escala del potencial de generación de distintas energías renovables tomar una nueva importancia en el proceso de toma de decisiones y políticas públicas. La estimación fotovoltaica sobre las zonas urbanas es particularmente complicada dada la influencia de las oclusiones del sol por edificaciones adyacentes, la disponibilidad incierta de áreas favorables para las instalaciones y la ausencia de datos apropiados públicamente disponibles y confiables.
El Ministerio de Energía ha generado una base de datos del potencial fotovoltaico urbano de Santiago, que puede utilizarse para efectos de aprendizaje. Más aún, una segunda base de datos, obtenida desde el Servicio de Impuestos Internos, presenta descriptores de las edificaciones presentes en el territorio nacional, entre otras, el número de pisos o la superficie total construida. Esto permite consolidar una base de datos a nivel de manzana, la cual presenta una lista de edificios con sus respectivos descriptores y el potencial fotovoltaico, en términos del área favorable, de esta. Con estos datos se puede realizar aprendizaje automático para modelar la relación entre las características de las manzanas y su potencial. Esta prometedora aproximación tiene, sin embargo, una dificultad adicional: distintos registros (i.e. manzanas) tienen distinto número de edificaciones, y por ende distinta dimensionalidad. Esto requiere por lo tanto un manejo particular de los datos, los cuales tienen largo variable. En el presente proyecto se propone aprovechar la capacidad de las redes convolucionales uno dimensionales de aprender patrones sobre secuencias de datos para realizar el aprendizaje sobre representaciones secuenciales de los datos disponibles. Más aún, se propone utilizar los datos tanto en la representación habitual “homogénea” (distintas posiciones de la secuencia corresponden a distintas instancias del mismo tipo de dato), como “heterogéneas” (distintas posiciones corresponden a distintos tipos de datos, en nuestro caso, distintos atributos de las edificaciones), como una tercera representación “mixta”, inicialmente homogénea seguida de heterogénea. Además, esto permitirá igualmente a la red aprender representaciones convolucionales significativas de los datos.
Si bien estas innovadoras representaciones heterogénea y mixta no permiten mejorar significativamente los resultados del estado del arte homogéneo, si se aprecian diferencias en los costos computacionales asociados, siendo la representación heterogénea significativamente menos costosa en tiempos de entrenamiento y predicción que la representación estándar homogénea. Esto se evidencia igualmente en el aprendizaje realizado sobre las representaciones intermedias, donde la representación heterogénea aprendida logra desempeños similares utilizando órdenes de magnitud menos dimensiones que las otras representaciones.Magíster en Ciencias de la Ingeniería Informátic
Análisis de estabilidad en cuerda para pelotones de vehículos con canales de comunicación afectados por ruido aditivo
No full textLa propiedad de estabilidad en cuerda de los sistemas interconectados es fundamental en las aplicaciones de pelotones de vehículos. La presente tesis está enfocada en acortar la brecha en la literatura relacionada con la noción de estabilidad en cuerda cuando los fenómenos estocásticos son una parte inherente del problema. El pelotón bajo análisis está formado por vehículos modelados como sistemas lineales, con topología de seguimiento al predecesor, cuya comunicación se lleva a cabo a través de canales afectados por ruido blanco aditivo. Las dos principales contribuciones son: (a) caracterizar la evolución de la media y la varianza del error de seguimiento de cada vehículo, obteniendo así las condiciones necesarias y suficientes que garantizan la estabilidad en cuerda en dicho escenario estocástico y (b) proponer una definición técnica que permita la evaluación analítica de la propiedad de estabilidad en cuerda. Mediante simulaciones se ilustra el comportamiento del pelotón para los casos estable e inestable en cuerda. Dada la generalidad, tanto de la definición propuesta, como de la metodología de estudio, se espera que este trabajo sirva de guía para el análisis de estabilidad en cuerda en diferentes escenarios estocásticos como por ejemplo: pérdida aleatoria de datos, retardos de tiempo aleatorios, entre muchos otros problemas de comunicación.Magíster en Ciencias de la Ingeniería Electrónic