Estudio de la conductividad de nanomateriales embebidos en polímeros para el desarrollo tecnológico de antenas terahertz

Abstract

RESUMEN: La espectroscopía de impedancia (EI) es empleada en diversas ramas de la ciencia para estudiar la respuesta de una muestra sometida a un campo eléctrico en un barrido en frecuencias. Esta técnica describe las propiedades eléctricas de un material en función de la frecuencia, como la impedancia, permitividad, la conductividad y la relajación dieléctrica [1] entre otras. Por lo tanto, para poder caracterizar materiales nanoestructurados para la fabricación de antenas de microcinta con impresoras 3D, es necesario realizar un estudio de conductividad utilizando un “Benchmark” de EI con la espectroscopía en el dominio del tiempo (TD-THz). Para alcanzar esto, este documento está organizado como sigue: Dentro del primer capítulo se menciona una pequeña reseña personal, titulada “motivación”. Acto seguido se encuentra la subdivisión titulada “planteamiento del problema” que enmarca los principales retos para desarrollar una metodología al realizar un estudio de conductividad de polímeros altamente conductores. Posteriormente, hace referencia la “justificación” que presenta un alegato convincente del planteamiento de problema y la disponibilidad del equipo de nuestra institución para ejecutar finalmente los “objetivos” presentados en la subdivisión titulada con el mismo nombre. El segundo capítulo hace énfasis en presentar la base teórica de la técnica utilizada en este trabajo de tesis que es la EI, así como su principio de funcionamiento. El método de EI es representado por un diagrama a bloques para caracterizar un sistema-material y obtener como resultado los valores de la conductividad compleja 𝜎∗. Así mismo se abarca de manera breve temas como son los polímeros y nanotubos de carbono de pared múltiple (MW-CNT), lo anterior nos sirve como referencia para fabricar películas delgadas de un nanocompósito, al añadir MW-CNT a una matriz polimérica que permita tener ventajas en términos de compatibilidad con técnicas de integración en la fabricación de dispositivos TeraHertz (THz). Como tercer capítulo se plantea la metodología experimental que se siguió para obtener películas delgadas con diferentes concentraciones de MW-CNT. Se menciona los materiales y equipos para la fabricación de estas películas para someterlas a la caracterización mediante la técnica de TDS-THz experimental dirigida a obtener las mediciones y que a su vez nos proporcione información acerca de las propiedades físicas, como son los parámetros: n, α, κ, ε’, ε’’, de un material en un determinado ancho de banda. Aunado a esto se explica el por qué se sustituyó la manera convencional para obtener las mediciones de EI con esta técnica. Después de estos primeros capítulos, en el capítulo 4, donde además de presentar los resultados siguiendo el diagrama a bloques que se presentó en el último tema del capítulo 3, específicamente en el proceso de la caracterización de un material mediante TDS-THz, se IV tiene el enfoque global de cada paso del proceso de caracterización a través de la técnica EI con la variación de TDS-THz; hasta llegar a analizar la parte Re (𝜎∗) y Im (𝜎∗) vs la frecuencia respectivamente. Finalmente, el capítulo 5 se compone de las conclusiones y trabajos a futuro que se quedan pendientes para lograr obtener una antena de microcinta en impresión 3D por medio del estudio de conductividad realizado en esté trabajo de tesis. Finalmente, se presentan las referencias consultadas y los anexos que incluyen un código en Matlab que se desarrolló para analizar el comportamiento del modelo matemático y modelo de circuito equivalente propuesto en el capítulo 4, así mismo se presentan los valores de los elementos del ajuste del modelo del circuito equivalente que más se acercaron a los datos experimentales. ABSTRACT: Impedance spectroscopy (EI) is used in various branches of science to study the response of a sample subjected to an electric field in a frequency sweep. This technique describes the electrical properties of a material as a function of frequency, such as impedance, permittivity, conductivity and dielectric relaxation [1] among others. To fabricate patch antennas with 3D printers, it is necessary to conduct a conductivity study using an EI “Benchmark with time domain spectroscopy (TDS-THz). To perform this work, this document is organized as follows: Within the first chapter a small personal review, entitled "motivation" is mentioned. Then there is the subdivision entitled "problem statement" that frames the main challenges to develop a methodology when conducting a conductivity study of highly conductive polymers. Subsequently, it refers to the “justification” that presents a convincing allegation of the problem statement and the availability of the team of our institution to finally execute the “objectives” presented in the subdivision entitled with the same name. The second chapter emphasizes in presenting the theoretical basis of the technique used in this thesis work that is the EI, as well as its principle of operation. The EI method is represented by a block diagram to characterize a system-material and obtain as a result the values of the complex conductivity 𝜎∗. Likewise, topics such as polymers and nanotubes of multiple wall carbon (MW-CNT) are briefly covered, the above serves as a reference to manufacture thin films of a nanocomposite, by adding MW-CNT to a polymer matrix that allows have advantages in terms of compatibility with integration techniques in the manufacture of TeraHertz (THz) devices. As a third chapter, the experimental methodology used to obtain thin films with different concentrations of MW-CNT is presented. The materials and equipment for the manufacture of these films are mentioned to be subjected to characterization by means of the experimental TDS-THz technique aimed at obtaining the measurements and that in turn provides us with information about the physical properties, such as the parameters: n, α, κ, ε’, ε’’, of a material in a given bandwidth. In addition to this, it is explained why, the conventional way to obtain the measurements of EI was replaced with this technique. After these first chapters, in chapter 4, where in addition to presenting the results following the block diagram presented in the last topic of chapter 3, specifically in the process of characterization of a material using TDS-THz, you have the overall approach of each step of the characterization process through the EI technique with the variation of TDS-THz; until we get to analyse the part Re (𝜎∗) and Im (𝜎∗) vs the frequency respectively. VI Finally, Chapter 5 is composed of the conclusions and future work that remain pending to obtain a microstrip in 3D printing through the conductivity study carried out in this thesis work. The references consulted and the annexes that include a Matlab code that was developed to analyse the behaviour of the mathematical model and equivalent circuit model proposed in Chapter 4 are presented, as well as the values of the elements of the adjustment of the model of the model equivalent circuit that most approached the experimental data.