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This Thesis work is devoted to the development of infrared optoelectronic devices both detectors and light emitters by MBE growth and characterization of quantum dot nanostructures based on (Ga,In)(As,N) on GaAs (100) and misoriented GaAs (111)B substrates. As it is well known in the literature, recently quantum dot nanostructures have been subject of numerous research studies in the electronic and optoelectronic devices fabrication field, due to the interesting physical properties that they show as consequence of their three-dimensional carrier confinement. The material system based on (Ga,In)(As,N) QDs on GaAs substrates offers, on one hand the attractive possibility of developing innovative optoelectronic devices by means of the introduction of nitrogen into their structure; and on the other hand, the possibility of basing their development on a mature technology like GaAs; hence, the fundamental motivations in order to carry out this Thesis. The MBE growth study and characterization of InAs quantum dots have been performed by using two methods for fabricating this type of nanostructures: self-organized growth on GaAs (100) substrates, and pre-patterning techniques on misoriented GaAs (111)B substrates. First of all, a detailed investigation about the effect of the growth conditions (growth rate, substrate temperature, amount of material, V/III flux ratio) on the optical and structural characteristics of these nanostructures, has been carried out and has led us to find that there exists an obvious dependence of these mentioned characteristics on each growth parameter. Such knowledge allows us to control the properties of the InAs quantum dots by combining appropriately the different growth parameters, what is very useful for their later application to the fabrication of optoelectronic devices. Secondly, a new in-situ pre-patterning technique, based on the MBE growth of GaAsN on misoriented GaAs (111)B substrates, has been developed. The control of the pattern generated (holes size and density) is possible by means of the growth parameters. Also, the chance of growing InAs quantum dots on patterned surfaces of GaAs (111)B substrates, as well as a selective growth mode on such pattern using only the growth conditions are proved. Following, a study devoted to dilute nitride quantum dot nanostructures was performed. Such study began analyzing the dependence of the optical and structural characteristics of InAsN quantum dots buried with GaAs as a function of the different growth parameters. This was followed by a comparative study between the InAsN quantum dots and their equivalent InAs quantum dots, which allowed us to observe how the N introduction into these nanostructures gives rise to some notable consequences, as for instance, the increase of the nanostructures size, the formation of a bimodal distribution and the degradation of the quantum dots optical characteristics among others. A study of the influence of the different species, that constitute the nitrogen plasma on the optical and morphological characteristics of InAsN quantum dots, have been carried out. The experimental results obtained demonstrate a clear dependence on the ionized species and the atomic nitrogen, and a small influence on the molecular nitrogen. Likewise they allow to discern the atomic and molecular nitrogen as possible responsible of the bimodal distribution formation. As regards the optical degradation caused by the N introduction into these nanostructures, recovering the optical quality of them by post-growth rapid thermal annealing was investigated. The results show a clear improvement of the optical quality together with a blueshift. Moreover, the same annealing analysis was made on InAs and InAsN quantum dots covered with InGaAs. We found a similar behaviour as we detected in quantum dots buried with GaAs. Additionally, the effects on InAs and InAsN, both buried with InGaAs, are similar up to 750ºC of annealing temperature. However, the effects due to the annealing at 850ºC are more pronounced on dilute nitride quantum dots. Next, a study of the growth and characterization of GaInAsN quantum dot nanostructures allows to demonstrate an unquestionable dependence of the N incorporation into these nanostructures on the Ga content by means of four different methods, such as, a morphological analysis, an optical analysis, a study of the transition thickness, and finally a study of the post-growth rapid thermal annealing. The results obtained in all of them agree about the existence of a dependence on the Ga content of the N incorporation into GaInAsN quantum dots, which is characterized by a N incorporation enhancement up to 30% of Ga content and a reduction for larger Ga concentrations, so that, there is a maximum N incorporation around 30% of Ga. Finally the design, fabrication and characterization of infrared photodetectors and light emitting devices based on the (Ga,In)(As,N) quantum dots nanostructures, previously examined, were made in this work. Firstly, dot infrared photodetectors based on InAs and on the other hand based on GaInAsN were developed. And secondly, GaInAsN quantum dot-based p-i-n light emitting diodes were fabricated. Through the development of these devices we have been able to demonstrate the viability of this type of nanostructures for their application to the fabrication of optoelectronic devices working at infrared wavelengths, with good features. Resumen Este trabajo de tesis está dedicado al desarrollo de dispositivos optoelectrónicos, tanto detectores como emisores de luz infrarroja, mediante el crecimiento por MBE y a la caracterización de nanoestructuras de punto cuántico basadas en (Ga,In)(As,N) sobre sustratos de GaAs (100) y GaAs (111)B desorientado. Como es bien sabido en la literatura, las nanoestructuras de punto cuántico vienen siendo durante los últimos años objeto de numerosas investigaciones en el campo de la fabricación de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, debido a las interesantes propiedades físicas que presentan como consecuencia de su confinamiento de carga en las tres dimensiones del espacio. Asimismo, el sistema de materiales de QDs (Ga,In)(As,N) sobre sustratos de GaAs ofrece, por una parte la atractiva posibilidad de desarrollar innovadores dispositivos optoelectrónicos gracias a la introducción de nitruros diluidos en su estructura; y por otra la posibilidad de basar el desarrollo de los mismos sobre una consolidada tecnología como es la del GaAs; de ahí las motivaciones fundamentales para el desarrollo de esta tesis. Se lleva a cabo el estudio del crecimiento por MBE y caracterización de nanoestructuras de punto cuántico de InAs utilizando dos grandes métodos de crecimiento de este tipo de nanoestructuras: crecimiento auto-organizado sobre sustratos de GaAs (100), y técnicas pre-patterning sobre sustratos GaAs (111)B desorientados. Para ello, se ha elaborado en primer lugar un estudio detallado del efecto de las condiciones de crecimiento (velocidad de crecimiento, temperatura de sustrato, cantidad de material crecida, relación de flujos V-III) sobre las propiedades ópticas y estructurales de estas nanoestructuras, el cual nos ha llevado a la observación de una clara dependencia de dichas características con cada uno de los parámetros de crecimiento. Este conocimiento nos lleva al control de las características de los QDs de InAs con la combinación adecuada de los parámetros de crecimiento, siendo esto de gran utilidad para su posterior aplicación en dispositivos optoelectrónicos. En segundo lugar, se ha desarrollado un nueva técnica pre-patterning in-situ basada en el crecimiento por MBE de GaAsN sobre sustratos de sustratos GaAs (111)B desorientados, cuyo control (tamaño y densidad de los motivos) es posible a través de los parámetros de crecimiento. Además, se demuestra la posibilidad de crecer QDs de InAs sobre una superficie grabada de GaAs (111)B, al igual que un crecimiento totalmente selectivo en tales patrones ayudándonos únicamente de las condiciones de crecimiento. A continuación se realiza un estudio dedicado a nanoestructuras de punto cuántico con nitrógeno diluido, el cual se da comienzo con el análisis de la dependencia de las características ópticas y estructurales de puntos cuánticos de InAsN enterrados con GaAs en función de los parámetros de crecimiento, seguido de un estudio comparativo con puntos cuánticos de InAs equivalentes, que nos permite observar cómo la introducción de N en estas nanoestructuras trae notables consecuencias tales como, el incremento de tamaño de los puntos cuánticos, la formación de una distribución bimodal y la degradación de las características ópticas de los mismos, entre otras. Se realiza también un estudio del efecto que cada una de las especies del plasma presenta sobre las características ópticas y estructurales de puntos cuánticos de InAsN, demostrándose una clara dependencia con las especies ionizadas y el nitrógeno activo, y una influencia más ligera por parte de las especies de nitrógeno molecular. Asimismo, permite vislumbrar como posible origen de la típica distribución bimodal de estas nanoestructuras a las especies de nitrógeno atómico y molecular. Por otra parte, en lo referente a la degradación óptica producida por la introducción de nitrógeno en estas nanoestructuras se investiga la posibilidad de recuperar la calidad óptica de las mismas a través de un recocido térmico rápido posterior al crecimiento. Los resultados encontrados muestran una clara mejora de la calidad óptica junto con un desplazamiento hacia el azul. Asimismo, se estudia este mismo tipo de tratamiento térmico sobre nanoestructuras de punto cuántico de InAs e InAsN enterradas con InGaAs, observándose un comportamiento similar al encontrado para los enterrados con GaAs. A su vez se ha encontrado un comportamiento similar entre puntos cuánticos de InAs e InAsN enterrados ambos con InGaAs hasta temperaturas de 750ºC. No obstante, para valores de 850ºC los efectos del aleado son mucho más pronunciados para las nanoestructuras con nitrógeno diluido. Seguidamente un estudio del crecimiento y caracterización de nanoestructuras de punto cuántico de GaInAsN permite demostrar una incuestionable dependencia de la incorporación de nitrógeno en tales nanoestructuras con el contenido de Ga por medio de cuatro métodos diferentes, a saber, un análisis morfológico, un análisis óptico, un estudio del espesor de transición, y finalmente un estudio de recocido térmico posterior al crecimiento. Los resultados de todos ellos coinciden en la existencia de una dependencia de la incorporación de N con el contenido de Ga en puntos cuánticos de GaInAsN, la cual se caracteriza por una intensificación de la incorporación de N hasta el 30% de Ga y una reducción a partir de este valor, encontrando por tanto un contenido máximo de N alrededor del 30%. Finalmente en este trabajo se describe el diseño, fabricación y caracterización de los dispositivos tanto emisores como detectores de luz infrarroja basados en las nanoestructuras de punto de cuántico de (Ga,In)(As,N) estudiadas anteriormente. En primer lugar, se desarrollan dispositivos detectores de infrarrojo basados por un lado en puntos cuánticos de InAs y por otro en puntos cuánticos de GaInAsN. Y en segundo lugar, se desarrollan diodos emisores de luz con estructura p-i-n basados en puntos cuánticos de GaInAsN. Mediante el desarrollo de estos dispositivos se consigue demostrar la viabilidad de este tipo de nanoestructuras para su aplicación en dispositivos optoelectrónicos trabajando en el infrarrojo con buenas prestaciones.

En la actualidad, los métodos más usuales de tratamiento de aguas residuales ricas en Nitrógeno, en estaciones depuradoras de aguas residuales, son los métodos de nitrificación-desnitrificación biológica. Este proceso implica elevados costes de explotación que podrían verse reducidos con el uso de nuevas biotecnologías. Así, en los últimos años se han propuesto diferentes procesos de eliminación autotrófica del Nitrógeno en aguas residuales. Estas tecnologías se basan en una nitrificación parcial de amonio a nitrito junto con una oxidación anaeróbica de amonio. La combinación de ambos procesos biológicos da lugar a un sistema en el que el amonio es oxidado directamente a Nitrógeno molecular, sin pasar por la forma intermedia del nitrato, y sin necesidad de fuente aporte externo de Carbono orgánico. En este contexto, en la presente tesis doctoral se ha evaluado una novedosa tecnología basada en procesos Anammox (del inglés Anaerobic Ammonium Oxidation), denominada Canon (del inglés Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) que se caracteriza por llevarse a cabo en un único reactor y bajo condiciones microaerofílicas, lo cual la convierte en una solución más rentable y respetuosa con el medio ambiente. El proceso se ha desarrollado en biorreactores con la configuración de biofiltro en lecho fijo, utilizando como soporte el material comercializado bajo la marca Filtralite. Actualmente no existe ninguna tecnología de este tipo disponible en el mercado, lo que ha conducido a su patentado por parte del equipo de trabajo de esta investigación. A lo largo de la investigación se ha estudiado la estructura de la comunidad bacteriana, así como las eficiencias de eliminación de nitrógeno en diferentes biorreactores a escala de laboratorio, trabajando bajo diferentes condiciones en distintos experimentos. Durante los trabajos realizados se ha llegado a optimizar el arranque y la estabilidad de la biomasa en los biorreactores. Hay que tener presente que el proceso de arranque de estos sistemas es lento debido a la baja tasa de reproducción de las bacterias Anammox. Dado que las poblaciones microbianas involucradas en estos procesos de eliminación de nitrógeno son microorganismos muy sensibles ante cualquier cambio en sus condiciones operacionales y/o ambientales, en la presente tesis se ha investigado la respuesta de esta tecnología bajo condiciones estresantes para estos microorganismos. En este sentido, se han estudiado dos casos que afectan notablemente a las poblaciones autotróficas de eliminación de nitrógeno, como son la presencia de materia orgánica en el influente y el tratamiento de un influente salino. En ambos casos, los resultados han mostrado eficiencias muy satisfactorias gracias al desarrollo de un consorcio entre diferentes metabolismos microbianos debido a la coexistencia de diferentes poblaciones bacterianas como AOB, Anammox y Desnitrificantes heterótrofas. Con todo ello se ha aumentado el conocimiento de respuesta de la comunidad microbiana y el consecuente funcionamiento de este proceso biotecnológico bajo diferentes condiciones operacionales. En definitiva, los resultados de esta investigación pueden ser importantes para la implantación a escala real de esta tecnología de biofiltración de lecho fijo combinado con sistema Canon., Currently, the most common methods of treating wastewater rich in nitrogen in wastewater treatment plants are biological methods based on nitrification-denitrification process. These methods involve high operating costs that could be reduced with the use of new biotechnologies. In recent years several processes based on autotrophic nitrogen removal have been proposed in wastewater treatment. These technologies are based on a partial nitrification of ammonium nitrite and an anaerobic ammonium oxidation. The combination of both biological processes result in a system in which ammonia is oxidized to molecular nitrogen directly without going through the intermediate form of the nitrate, and an external source of organic carbon is not needed. In this context, a novel technology based on Anammox processes (Anaerobic Ammonium Oxidation), called Canon (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) has been evaluated. Canon process is characterized by being carried out in a single reactor and under microaerophilic conditions which makes it a more cost effective and a friendly solution with environment. The process has been developed under the configuration of a fixed bed biofilter using Filtralite as support material. This technology does not currently exist in the market. So it has led to the patent by the research team of this investigation. Throughout the investigation, we have studied the structure of the bacterial community as well as removal efficiencies of nitrogen in various laboratory scale bioreactors working under different conditions in various experiments. Along the work developed startup and stability of biomass in bioreactors has been optimized. It must be kept in mind that the boot process of these systems is slow due to the low reproductive rate of the specific bacteria of these systems. Because microbial populations involved in these nitrogen removal systems are very sensitive to any change in operating and / or environmental conditions, in this thesis the response of this technology under stressful conditions for these organisms has been investigated. So, two cases that significantly affect autotrophic nitrogen removal populations have been studied, such as the presence of organic matter in the influent and the treatment of saline influent. In both cases, the efficiency results have been very satisfactory. The development of a microbial consortium with different metabolisms due to the coexistence of different bacterial populations as AOB, Anammox and Denitrifying heterotrophic has been observed. This has increased awareness of the microbial community response and subsequent operation of this bioprocess under different operating conditions. Ultimately, the results of this research may be important to implement full-scale Canon system plants using fixed-bed biofiltration technology., Tesis Univ. Granada., Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Civil, La presente Tesis Doctoral ha sido posible gracias al Proyecto de Investigación “DENITOX: Desarrollo de una nueva Tecnología Medioambiental de Desnitrificación basada en la Oxidación Anaerobia Autotrófica”, concedido por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI, Ministerio de Economía y Competitividad, España), y el European Economic Area, de la Comunidad Europea, en el marco del programa Science, Technology and Environmental and Climate Change (EEA Grants) (Ref.: IDI 20140117).

En el presente trabajo se depositaron y estudiaron películas delgadas de AlN, Be3N2 para obtener materiales con superficies planas y con calidad cristalina, con la posibilidad de utilizar estos materiales como reflectores de Bragg de AlN=Be3N2. Las películas delgadas de AlN y Be3N2 se depositaron sobre substratos de silicio (111) utlizando la técnica de ablación láser en el sistema RIBER LDM-32. La energía del láser, número de pulsos, la frecuencia de disparo del láser fueron fijadas a 200 mJ, 27000 pulsos y 5 Hz, respectivamente. Las películas depositadas se caracterizaron de forma in situ por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS, por sus siglas en inglés) y por espectroscopía de pérdidas de energía de electrones por reflexión (REELS, por sus siglas en inglés). Se analizó la influencia de la presión de nitrógeno sobre las propiedades estructurales usando difracción de rayos X (XRD, por sus siglas en inglés). Las propiedades morfológicas se estudiaron por microscopía electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) y microscopía de fuerza atómica (AFM, por sus siglas en inglés), mientras que las propiedades ópticas se determinaron por espectroscopía óptica utilizando una fuente de luz incoherente, cubriendo el rango del visible. Las películas de AlN, se depositaron utilizando un blanco de Al de alta pureza en un ambiente de nitrógeno molecular a diferentes presiones de nitrógeno. Se realizaron series de muestras variando la presión de nitrógeno de 0 a 100 mTorr, con temperatura de substrato de ambiente (RT) y 600°C, respectivamente. A una fluencia de 4 J=cm2 y temperatura de 600°C se obtuvo la fase hexagonal completa del AlN. Esta película presentó poca rugosidad y un comportamiento óptico dieléctrico. Los espectros de reflectancia óptica mostraron inicialmente un comportamiento metálico, el cual se fue modificando al variar la presión de nitrógeno dentro de la cámara de crecimiento, observándose la reflectancia como un material con características dieléctricas. Así mismo se depositaron películas de Be3N2 a diferentes temperaturas de substrato (RT), 200°C, 400°C, 600°C y 700°C. Adicionalmente, se depositaron un par de muestras a temperatura ambiente y posteriormente fueron recocidas de manera in situ a 600°C y 700°C. Los resultados mostraron que todas las películas presentaron la estequiometría Be3N2. Las películas preparadas a temperaturas de 600°C y 700°C presentaron la formación de estructuras alargadas (whiskers) sobre la superficie, con longitudes que estuvieron entre 100 nm y 200 nm. Sin embargo, las películas depositadas a temperatura de substrato y con recocido a 600°C y 700°C no presentaron formación de estructuras alargadas sobre la superficie de las películas. Se presentan los valores de rugosidad (RMS) y tamaño de grano en función de la temperatura del substrato. Las películas depositadas a temperaturas entre RT y 400°C y la película con recocido a 600°C resultaron amorfas, mientras que las películas con temperatura de substrato de 600°C, 700°C y la depositada a RT con recocido in situ a 700°C presentaron la fase αBe3N2. Los espectros de reflexión óptica de las películas delgadas de Be3N2 con temperatura de substrato presentaron un comportamiento metálico, sin embargo la película con recocido a 700°C mostró un comportamiento óptico dieléctrico. Para considerar la posible aplicación de las películas de AlN y Be3N2 como materiales para el desarrollo de reflectores de Bragg distribuidos se realizaron depósitos de bicapas de AlN=Be3N2, los crecimientos se realizaron utilizando las presiones de nitrógeno de 60 y 25 mTorr para el AlN y Be3N2, respectivamente. Se caracterizaron las bicapas por difracción de rayos X, espectroscopía de reflexión y se realizaron perfiles de profundidad para observar la presencia de ambas capas. In this work we investigate the growth of AlN and Be3N2 thin films in detail in order to obtain AlN and Be3N2 layers with smooth surfaces and a high crystal quality, with the possibility if making these layers suitable for AlN=Be3N2 Bragg reflectors. Thin films of AlN and Be3N2 were deposited on silicon Si (111) substrates by means of pulsed laser deposition in a RIBER LDM-32 system. The laser energy, number of pulses, and pulse repetition rate were kept fixed at 200 mJ, 27000 pulses and 5 Hz, respectively. The samples have been characterized in situ by X-ray photoelectron (XPS) and reflection electron energy loss spectroscopies (REELS). The influence of the substrate on the structural and morphological properties of the films were investigated ex situ using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM)and atomic force microscopy (AFM). The optical properties were studied by means of optical spectroscopy with an incoherent light source, mainly covering the visible range. AlN thin films were grown using a high purity Al target in a molecular nitrogen environment at different pressures. Series of thin films were prepared with various deposition parameters. Nitrogen pressure was varied between 0 and 100 mTorr, substrate temperature was fixed at room temperature (RT) and 600◦C. XRD of samples deposited at laser fluence of 4 J=cm2 show the characteristic hexagonal phase of AlN. Optical reflection spectroscopy (400nm-900nm) revealed that, under certain conditions, the films could show periodic spectra with reflection gaps about 50nm-100nm in width. Be3N2 thin films have been grown at different substrate temperatures (RT), 200◦C, 400◦C, 600◦C and 700◦C. Additionally, two samples were deposited at RT and were annealed after deposition in situ at 600◦C and 700◦C. The results show that all prepared films presented the Be3N2 stoichiometry. Formation of whiskers with diameters of 100- 200 nm appears at the surface of the films prepared with a substrate temperature of 600◦C and 700◦C. However, the samples grown at RT and annealed at 600◦C or 700◦C do not show whiskers on the surface. The average root mean square (RMS) roughness and the average grain size of the samples grown with respect the substrate temperature is presented. The films grown with a substrate temperature between room temperature and 400◦C, and the sample annealed in situ at 600◦C were amorphous; while the αBe3N2 phase was present on the samples with a substrate temperature of 600◦C, 700◦C and that deposited with the substrate at RT and annealed in situ ativ 700◦C. The thin films of Be3N2 deposited with substrate temperature may behave as a metallic thin film as far as the optical reflection is concerned. However, the thin film grown at RT and annealed at 700◦C behaves optically as a dielectric. In order to consider the possible application of the AlN and Be3N2 films as materials for developing distributed Bragg reflectors, deposits of bilayers of AlN=Be3N2 were performed. The conditions utilized for growing these films were a nitrogen pressure of 60 and 25 mTorr for AlN and Be3N2, respectively. The bilayers were characterized by means of X-ray diffraction, reflection spectroscopy and in-depth profiles in order to observe the presence of both layers.

This article presents the results of the adaptative versatility and tolerance of a bacterial consortium made up of 10 bacterial stocks endemic to a contaminated soil coming from an onion farm located near Laguna de Tota, Aquitania, Boyacá, Colombia. This soil has been exposed to the uncontrolled use of nitrogen rich fertilizers. The bacterial consortium from the soil is made up of Bacillus megaterium, Bacillus licheniformis, Pseudomonas stutzeri, Acinetobacter sp, Propionibacterium sp, Peptoestreptococcus sp, coagulasa negative sthaphylococci, Corynebacterium sp, Clostridium sp, and Actinomyces sp. It was demonstrated that the isolated microorganisms have in vitro denitrifying capabilities, thus transforming nitrates to molecular nitrogen. The isolated bacterial association constitutes a bioremediation alternative to recover the soil that has been contaminated by the excess of nitrogen rich fertilizers. Este articulo presenta los resultados de la versatilidad adaptativa y tolerancia de una consorcio bacteriano constituido por 10 cepas bacterianas endémicas de un suelo agrícola contaminado, proveniente de una finca productora de cebolla ubicada en la laguna de Tota en Aquitania, Boyacá, Colombia, expuesto al uso incontrolado de fertilizantes nitrogenados. La consorcio bacteriano aislado del suelo está conformado por: Bacillus megaterium, Bacillus licheniformis, Pseudomonas stutzeri, Acinetobacter sp, Propionibacterium sp, Peptoestreptococcus sp, Sthaphylococcus coagulasa negativa, Corynebacterium sp, Clostridium sp y Actinomyces sp. Se demostró que los microorganismos aislados tienen capacidad desnitrificante in vitro, transformando el nitrato a nitrógeno molecular. La consorcio bacteriano aislado se constituye en una alternativa de biorremediación para recuperar suelo agrícola contaminado con exceso de fertilizantes nitrogenados.