Dielectric spectroscopy studies of low-disorder and low-dimensional materials

Resumen

En esta tesis utilizamos la espectroscopia dieléctrica para estudiar las propiedades dieléctricas de diferentes materiales que van desde líquidos subenfriados completamente desordenados a sólidos de bajo desorden con movimiento de reorientación, hasta sistemas de baja dimensionalidad tales como películas delgadas o cristales casi unidimensionales. Las propiedades estudiadas incluyen la conductividad eléctrica, los procesos de carga espacial debido a las heterogeneidades de la muestra, la dinámica molecular, la dinámica de enlaces por puente de hidrógeno, y la cinética de cristalización. Para el estudio de materiales en forma de película delgada, se han implementado nuevos dispositivos de electrodo interdigital a base de silicio. Muestras bidimensionales han sido obtenidas también por intercalación de moléculas orgánicas entre planos atómicos de óxido de grafito. Estudiamos películas orgánicas e híbridas orgánicas-inorgánicas depositadas mediante procedimientos diferentes, y comparamos los resultados con las fases puras de los mismos materiales. Obtenemos películas ordenadas de rodamina 6G clorada por crecimiento desde solución, y películas amorfas de rodamina 19 por condensación de vapor en vacío. Ambos tipos de películas presentan una conducción electrónica por salto de electrones y una relajación de carga espacial. Las películas de rodamina 6G clorada muestran además una relajación dipolar, que se asigna a movimientos intramoleculares que involucran la carga asociada al nitrógeno de la rodamina 6G y al átomo de cloro. También se han estudiado películas híbridas de ioduro de cadmio covalentemente unido a etilamina (CdI2EA), depositadas mediante el método Langmuir-Blodgett. El material en fase ¿bulk¿ presenta una transición estructural, que en la película delgada aparece a una temperatura superior de unos 5 K. Las películas presentan una relajación dinámica ausente en el material puro y que es debida a la existencia de movimientos moleculares en la estructura de la película (menos densa), o bien al movimiento del surfactante que ha sido enlazado químicamente al CdI2EA para lograr la deposición. Otro ejemplo distinto de material de baja dimensionalidad es el biclotymol, para el que el líquido subenfriado cristaliza en una fase sólida que consiste en cristales unidimensionales (en forma de aguja). La cinética de cristalización del bicotymol es un ejemplo perfecto de la ley de Avrami con exponente n = 2, resultante de una tasa de nucleación independiente de la temperatura, seguida por un crecimiento unidimensional. La inestabilidad de la fase líquida subenfriada puede estar relacionada con la existencia de dinámicas moleculares rápidas. Los dos últimos capítulos de la tesis se centran en dos derivados del etano con grupos laterales distintos, a saber, tetracloroetano y etanolamina. La fase sólida del tetracloroetano muestra tres procesos de relajación distintos. Mediante simulaciones moleculares se han podido identificar los tres procesos: el más lento es un proceso cooperativo en el que las moléculas ¿giran¿ sobre si mismas pasando por un estado equivalente intermedio; esta relajación colectiva se acompaña de una relajación "precursora", correspondiente al movimiento de una sola molécula. El tercer proceso es una rotación, no cooperativa, entre la orientación de equilibrio y una orientación de alta energía.