Curriculum vitae alessio giberti dati anagrafici

 

8 

utilizzando modelli che si avvalgono di distribuzioni di condensatori e resistori, i quali approssimano 

la  struttura  resistivo-capacitiva  dei  film  analizzati.  Tale  analisi,  oltre  a  fornire  una  grandezza 

fondamentale,  altrimenti  incognita,  è  inoltre  importante  per  la  corretta  determinazione  della 

dimensione  della  zona  di  svuotamento,  il  cui  ruolo  è  cruciale  nella  fisica  dei  semiconduttori 

nanostrutturati.  Inoltre,  misure  sperimentali  eseguite  con  questa  tecnica  sono  state  impiegate  per 

evidenziare  l’importanza  dell’in-out-diffusion,  processo  di  diffusione  nel  bulk  di  atomi  di  ossigeno 

dalla  fase  gassosa,  fenomeno  che  influisce  sulla  forma  della  barriera  di  potenziale  e  quindi  sulla 

corrente di tunneling. Infatti, nel biossido di stagno si è sottolineato il ruolo fondamentale di questo 

processo di diffusione nel fenomeno dell'isteresi elettrica [12]. Nel biossido di titanio è stato possibile 

fornire un limite superiore per la permittività relativa nel caso di grani completamente svuotati [14]. 

Il  modello  di  conduzione  elettrica  impiegato  per  analizzare  le  risposte  capacitive  è  basato  su  

entrambi  i  possibili  fenomeni  di  conduzione:  attraversamento  della  barriera  intergranulare  per 

effetto  termoionico  e  per  tunneling.  Le  ricerche  su  questo  argomento  vengono  anche  condotte  in 

collaborazione con l’Institute of Material Science and Technology (INTEMA) dell’Università di Mar del 

Plata, Argentina. 

Negli ultimi anni l’effetto della radiazione luminosa sulla conduttanza dei sensori a film spesso ha 

suscitato un interesse sempre maggiore nella comunità scientifica, per via del fatto che materiali già 

noti  per  le  loro  buone  caratteristiche  di  sensing  mostrano  anche  un  comportamento  fotocatalitico, 

infatti  sperimentalmente  si  è  visto  come  in  alcuni  casi  è  possibile  raggiungere  ottimi  livelli  di 

sensibilità  e  velocità  di  risposta  tramite  illuminazione  ultravioletta  (UV)  su  un  film  mantenuto  a 

temperatura  ambiente.  Ho  eseguito  misure  di  caratterizzazione  elettrica  sui  principali  materiali 

utilizzati  dal  Laboratorio  Sensori  e  Semiconduttori  per  la  sensoristica,  in  particolare  triossido  di 

tungsteno,  ossido  di  zinco  e  biossido  di  stagno,  con  particolare  riguardo  al  sensing  di  ozono  e  dei 

principali inquinanti atmosferici. Sono state eseguite indagini sull’intensità della risposta, sui tempi di 

risposta al gas e di ritorno in aria, Arrhenius plots e misure di barriera con il metodo dei salti stimolati 

di temperatura, il tutto con e senza illuminazione UV. I risultati evidenziano come l’illuminazione del 

film  possa  essere  una  buona  alternativa  al  funzionamento  in  temperatura.  Il  fatto  che  materiali  a 

minore  gap  mostrino  un  maggiore  incremento  di  conducibilità  con  l'illuminazione  dimostra  la 

presenza dell'iniezione elettronica in banda di conduzione. Ciononostante, indagini eseguite in aria e 

azoto  hanno  mostrato  anche  l'esistenza  di  un  processo  di  desorbimento  di  ossigeno  assistito  da 

radiazione. In particolare l’effetto che i fotoni possono avere sulla barriera di superficie rispetto alle 

transizioni  elettroniche  banda  a  banda  è  estremamente  importante  per  capire  a  fondo  la  fisica  di 

questi  materiali.  Parte  delle  ricerche  riguardanti  l’effetto  dell’illuminazione  UV  sui  film  di  ossidi 

semiconduttori  sono  state  condotte  in  collaborazione  con  il  dipartimento  di  Chimica  e  Fisica  di 

Brescia e l’Università di Swansea, UK [5]. La foto attivazione di film sensibili è una direzione di ricerca 

molto interessante sia per gli aspetti puramente scientifici che per le applicazioni pratiche. Infatti in 

questo modo è possibile attivare il gas sensing a temperatura ambiente, con un notevole risparmio 

energetico e, soprattutto, eliminando tutti i disagi dovuti all’alta temperatura. Nel caso del WO

3

 puro 

sono  stati  ottenuti  risultati  molto  interessanti  per  quanto  riguarda  la  fotocatalisi.  Infatti  è  stato 

dimostrato  come  il  contributo  della  superficie  nella  variazione  di  conduttanza  causata 

dall’illuminazione/buio, sia estremamente significativo. La spiegazione si è cercata nella proposta di 

diversi  meccanismi  coi  quali  i  fotoni  in  arrivo  possono  interagire  con  la  superficie  [20].  Conclusioni 

molto importanti a questo proposito sono state raggiunte per quanto riguarda ZnO che WO

3

. 

---

 

9 

 

Diversi  parametri  ambientali  influenzano  la  conducibilità  dei  film  spessi,  ed  uno  dei  più 

importanti è la temperatura ambiente. La letteratura specialistica ha da sempre trattato il problema 

della fisica e chimica della superficie del film sensibile come un sistema all’equilibrio, in cui si assume 

implicitamente  l’ipotesi  di  una  temperatura omogenea  in  tutto  il  sistema.  Il  punto  fondamentale è 

che, per ragioni pratiche e di consumo energetico, non è possibile portare tutta la camera di test alla 

stessa  temperatura  del  film  (normalmente  fra  i  200  °C  e  i  600  °C),  d’altra  parte  a  temperatura 

ambiente  le  cinetiche  di  reazione  sono  eccessivamente  lente  e  il  sensore  non  lavora  nella maniera 

ideale,  perciò  esiste  un  gradiente  di  temperatura  ineliminabile  nella  zona  d’aria  nelle  immediate 

vicinanze  del  film  sensibile.  Questa  importante  osservazione  è  fondamentale  per  la  comprensione 

della termodinamica del sistema, infatti questa situazione di non-equilibrio implica l’esistenza di un 

moto  convettivo  dell’aria  sovrastante  il  film,  perciò,  pur  mantenendo  costante  la  temperatura  del 

film  (attraverso  un  feedback  nell’elettronica  di  controllo),  una  variazione  di  temperatura  ambiente 

porta  ad  una  variazione  di  conduttanza,  dovuta  al  fatto  che  il  diverso  gradiente  di  temperatura 

induce un differente moto convettivo delle particelle d’aria, che influisce a sua volta sulle cinetiche di 

reazione. Il modo più semplice di tenere conto di questa situazione di non-equilibrio è osservare che, 

nonostante  le  reazioni  che  determinano  la  formazione  della  barriera  avvengano  a  temperatura 

mantenuta costante, la “sorgente” dei reagenti si trova a temperatura ambiente. Per cui, l'equilibrio 

di reazione è determinato non dalla pressione parziale del reagente, che rimane costante al variare 

della  temperatura  ambiente,  ma  dal  numero  di  urti  per  unità  di  tempo  delle  molecole  con  la 

superficie,  parametro  che  dipende  dalla  temperatura  ambiente  (in  un  sistema  all'equilibrio 

termodinamico non è necessario fare questa distinzione). In particolare, una serie di indagini su un 

sensore  mantenuto  a  temperatura  di  lavoro  costante,  nelle  quali  si  è  variata  la  temperatura 

ambiente  attraverso  una  camera  termostatica,  ha  rivelato  un  comportamento,  nel  range  0-50  °C, 

parzialmente spiegabile con questo modello [10]. Il modello è tuttora in fase di approfondimento. 

In  conseguenza  dell'importanza  che  la  temperatura  ambiente  gioca  nel  comportamento  del 

sensore,  è  stato  ritenuto  utile  capire  a  fondo  come  funziona  lo  scambio  termico  nel  sistema 

sperimentale,  per  questo  motivo  ho  sviluppato  un  modello  matematico  di  scambio  termico  basato 

sui  termini  di  convezione,  conduzione  e  irraggiamento  scambiati  fra  le  parti  fondamentali 

dell’apparato.  Il  modello  si  traduce  in  tre  equazioni  da  risolvere  numericamente  per  ottenere  le 

temperature  del  film  e  dell’aria  nei  suoi  dintorni  in  funzione  della  temperatura  ambiente  e  della 

tensione  elettrica  fornita  al  riscaldatore.  Il  modello,  in  particolare,  permette  la  previsione  della 

temperatura  dell’aria  a  contatto  con  il  film  in  funzione  della  temperatura  ambiente,  che  è  proprio 

quella  che  ragionevolmente  deve  intervenire  nella  determinazione  della  conduttanza  del  film.  Il 

modello è stato poi testato con i dati sperimentali; sono state confrontate le temperature predette in 

funzione della tensione al riscaldatore e confrontate con quelle misurate attraverso termocoppie e 

sensori  NTC  installati  ad  hoc  sul  sistema  per  condurre  questa  verifica,  il  cui  risultato  è  stato 

decisamente  positivo:  il  modello  prevede  le  temperature  del  sistema  in  maniera  soddisfacente 

(l’emissività del film è stata dedotta attraverso un pirometro). Un grosso pregio del modello è quello 

di  poter  correlare,  negli  studi  di  risposta  al  gas  a  diverse  temperature  ambiente,  le  variazioni 

osservate nella risposta con le variazioni di temperatura dell’aria vicino al film, senza dover installare 

scomodi sistemi per il rilevamento di queste temperature. Inoltre ha permesso di capire l’influenza 

---