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RUOLI EDITORIALI
Svolgo attività di revisore per le seguenti riviste internazionali:
1.
Sensors and Actuators B: Chemical
2.
Sensors
3.
Journal of Physics D: Applied Physics
4.
Physical Chemistry Chemical Physics
5.
Physica Status Solidi
6.
Measurement Science and Technology
ATTIVITÀ DI RICERCA
La struttura presso la quale ho svolto ricerca è il “Laboratorio Sensori e Semiconduttori” del
Dipartimento di Fisica dell’Università di Ferrara, fondato dal Prof. Giuliano Martinelli (1938-2010). Il
Laboratorio è impegnato principalmente in tre tipi di attività, quali: sensori chemioresistivi, energia
fotovoltaica, e channeling di particelle attraverso cristalli di silicio incurvati. Io ho lavorato nel settore
dei sensori chemioresistivi, svolgendo attività di ricerca principalmente rivolta alla fisica dei
semiconduttori, con particolare riguardo alle proprietà elettriche delle nanostrutture di ossidi
metallici per applicazioni tecnologiche avanzate, finalizzate alla rilevazione di specie chimiche in fase
gassosa. Per quanto concerne il settore sensori, il Laboratorio si occupa della prototipazione,
realizzazione (dalla produzione del materiale a partire dai precursori fino al dispositivo finale) e
studio di sensori chimici ad ossidi metallici semiconduttori. Questi dispositivi sono costituiti da un
substrato di allumina sul quale viene depositato con tecnologia serigrafica un film dalle proprietà
chemoresistive, costituito da una nanostruttura di ossidi semiconduttori. Il substrato è provvisto di
contatti interdigitati per la lettura della resistenza del film sensibile e un riscaldatore in platino per il
funzionamento in temperatura. Il fenomeno della chemioresistività, principio di funzionamento di
questi dispositivi, si manifesta attraverso una relazione diretta tra la composizione chimica della fase
gassosa e la resistenza elettrica del film sensibile. Esso ha origine dalla presenza di stati superficiali
all'interfaccia solido-gas, che vengono occupati da elettroni provenienti da stati donori di bulk
ionizzati, attraverso l'adsorbimento di ossigeno dalla fase gassosa, con un conseguente ricoprimento
ionico della superficie. Ciò crea una zona di carica spaziale di segno opposto che si estende nel bulk,
con conseguente formazione di un campo elettrico e di una barriera di potenziale elettrostatico alla
superficie dei nanograni che costituiscono il film sensibile. Il modello di conduzione elettrica deve
essere quindi un modello di tipo barrier crossing, che tiene conto sia della corrente termoionica che
di tunneling quanto-meccanico attraverso la barriera. In definitiva, le proprietà chemoresistive della
nanostruttura sono dovute al fatto che l'occupazione degli stati superficiali, che dipende fortemente
dalla composizione chimica della fase gassosa, controlla la barriera intergranulare, e di conseguenza
la resistenza elettrica del film sensibile.
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I filoni di ricerca di cui mi sono occupato si possono essenzialmente dividere in:
1.
Meccanismi di trasporto elettrico in semiconduttori nanofasici;
2.
Prototipazione di sensori a film spesso per monitoraggio ambientale e loro applicazioni.
3.
Design e applicazione di nuovi materiali per gas sensing dalle caratteristiche avanzate
Questi aspetti della ricerca sono legati in maniera indissolubile, in quanto una profonda
comprensione della fisica che governa i fenomeni in gioco è un requisito fondamentale per
l'applicazione tecnologica.
1.
Meccanismi di trasporto elettrico in semiconduttori nanofasici
Lo studio sperimentale delle proprietà elettriche e l'elaborazione teorica di un modello di
conduzione affidabile sono due aspetti che, congiunti, permettono di chiarire il comportamento
chemioresistivo dei materiali sensibili utilizzati nella sensoristica. Il modello deve tenere conto della
corrente termoionica e di tunneling (quest'ultima non semplice da calcolare), che hanno diversa
dipendenza dalla temperatura, dall'altezza e dalla forma della barriera di potenziale intergranulare,
che a sua volta ha una dipendenza non banale dalla temperatura e dalla composizione chimica
dell'atmosfera, del fenomeno della diffusione di ossigeno atomico nel bulk, che influisce sulla
concentrazione di difetti, della densità di stati superficiali, che è connessa al fenomeno del Fermi
Level Pinning, e di altri fattori. Per cui, la complessità dei meccanismi coinvolti rende necessario
portare a termine diversi tipi di indagine, da condurre attraverso varie tecniche. L'obiettivo ultimo è
chiarire le proprietà elettriche al fine dell'applicazione ambientale, rivolta al gas sensing.
Il biossido di titanio è un materiale semiconduttore noto nel campo dei sensori di gas per le sue
proprietà chemioresistive. Una ricerca che ho condotto durante il periodo di dottorato è stata
un’indagine sulle proprietà ottiche della polvere di biossido di titanio tramite fotoluminescenza nel
range di lunghezze d’onda 360-890 nm. La tecnica è in grado di fornire informazioni fondamentali
sugli stati energetici all’interno dell’energy gap del materiale. Utilizzando un laser Ar-Kr, è stato
possibile evidenziare, dalla forma della curva di fotoluminescenza e dallo Stokes shift, l’esistenza di
un campo fononico locale in presenza di difetti di tipo stechiometrico (vacanze d’ossigeno),
attraverso un’interpretazione basata su un modello a singola coordinata configurazionale (SCC). Il
modello interpretativo ha permesso di attribuire l’origine della fotoluminescenza, per entrambe le
fasi rutilo ed anatasio, alla ionizzazione delle vacanze di ossigeno. La ricerca si sviluppò all’interno di
un più ampio progetto del Laboratorio Sensori e Semiconduttori per indagare sulle proprietà del
biossido di titanio. Per questa indagine è stata attivata una collaborazione con il Dipartimento di
Scienza dei Materiali di Milano, presso il quale mi sono recato per una serie di misure, ed è sfociata in
un articolo su rivista [1].
Mi sono occupato di indagini eseguite con la tecnica di spettroscopia di impedenza, impiegata
per acquisire informazioni sulla risposta dielettrica dei materiali costituenti i film spessi utilizzati
come materiale per gas sensing. È stata approfondita la risposta dielettrica universale partendo dal
modello di Debye, misurando la permittività apparente dei materiali e ricavando indirettamente la
permittività effettiva dai dati sperimentali attraverso un fit contenente elementi a fase costante,