Curriculum vitae alessio giberti dati anagrafici

 

12 

La  caratterizzazione elettrica  dei  sensori  è  un  aspetto  del  quale mi  sono occupato  a  lungo. Tali 

caratterizzazioni vengono eseguite a varie temperature e con diversi gas target, al fine di trovare il 

materiale  e  la  temperatura  di  lavoro  più  adatti  alla  rilevazione  di  un  ben  determinato  gas.  Esse 

vengono  sempre  eseguite  tenendo  conto  dei  risultati  delle  caratterizzazioni  morfologiche  e 

strutturali  XRD,  SEM,  TEM,  BET,  in  maniera  tale  da  correlare  le  proprietà  di  sensing  agli  aspetti 

morfologico-strutturali del film sensibile. 

Il triossido di tungsteno è un materiale che si è rivelato molto utile nella rilevazione degli ossidi di 

azoto,  nocivi  per  l’uomo  e  presenti  in  atmosfera,  per  cui  è  stato  tenuto  in  grande  considerazione 

come  materiale  di  sensing.  Polveri  nanostrutturate  di  WO

3

  sono  state  prodotte  dal  Laboratorio 

Sensori  in  forma  pura  e  addittivata  Ta,  Zr,  Mn  tramite  diversi  procedimenti  di  sintesi  in  soluzione 

acquosa  e  alcolica,  e  stampate  su  substrato come  film  spesso  per  sensori.  Sono  poi state  condotte 

analisi morfologiche e strutturali tramite diffrazione di raggi X, SEM e TEM, attraverso le quali è stato 

possibile determinarne la microstruttura. Sui film ottenuti sono state eseguite diverse misure in aria 

sintetica con varie concentrazioni di biossido di azoto (NO

2

), che hanno dimostrato  come il materiale 

prodotto  tramite  addittivazione  sia  più  resistivo  e  abbia  una  minor  capacità  di  risentire  della 

coalescenza  dei  grani  durante  la  fase  di  annealing,  fase  fondamentale  nella  preparazione  della 

polvere.  Dal  punto  di  vista  del  funzionamento  come  sensore,  il  film  addittivato  Ta  si  è  rivelato  un 

ottimo materiale per la rilevazione del biossido di azoto in concentrazioni al di sotto di 1 ppm (parti 

per milione),  anche dal punto di vista della selettività, dato che si è dimostrato pressoché insensibile 

ad atmosfere riducenti, in particolare è esente dall’interferenza con il monossido di carbonio [2][4]. 

Una potenziale applicazione di grande importanza è l’utilizzo industriale di questo tipo di sensori. 

Su  questa  tematica  ho  svolto  una  ricerca  su  due  idrocarburi  ciclo-olefinici  (classificabili  come 

cicloalcheni), in particolare 1,5 cicloottadiene e 4-vinil-1-cicloesene, sostanze tipiche di un processo 

di  industria  chimica,  i  cui  vapori  possono  essere  estremamente  nocivi  all’uomo  anche  in 

concentrazioni relativamente basse (parti per milione). Importante è stato effettuare la scelta di un 

particolare  set  di  sensori  per  il  rilevamento  di  questi  vapori,  modulando  opportunamente  le 

temperature di lavoro e le condizioni operative. In tal modo, dalle misure di laboratorio effettuate in 

camera pulita secondo i requisiti di sicurezza della normativa vigente, si sono potute evidenziare le 

differenti  sensibilità  ai  due  tipi  di  vapore.  In  particolare  le  risposte  differiscono  per  la  forma 

funzionale della legge di calibrazione, in forma di legge di potenza. Tali forme funzionali si possono 

spiegare sulla base di un modello a giunzione di semiconduttori non degeneri sotto l’ipotesi di una 

densità elevata di ossigeno chemisorbito, assieme alla legge di azione di massa applicata alle reazioni 

chimiche proposte fra la superficie e la fase gassosa [Tesi di Dottorato]. 

Particolare attenzione è stata data al problema dell’umidità atmosferica come interferente nelle 

misure di conducibilità di film spessi. È stata innanzitutto dimostrata l’erroneità dell’ipotesi implicita 

che  si  trova  in  letteratura  sulla  sensibilità  dei  film  di  ossidi  semiconduttori  all’umidità  relativa: 

sfruttando  l’equazione  di  Clapeyron,  applicata  ad  una  serie  di  misure  in  cui  ai  sensori  sono  state 

applicate diverse concentrazioni di vapore acqueo per tempi molto lunghi, è stato dimostrato che la 

dipendenza  della  risposta  del  sensore  all’umidità  è  determinata  dall’umidità  assoluta,  come 

pressione parziale del vapor d’acqua o come concentrazione in grammi d’acqua per unità di massa 

d’aria. 

L’interferenza  della  molecola  d’acqua  nelle  reazioni  chimiche  alla  superficie  dei  grani  si  può 

manifestare in diversi modi, dipendendo innanzitutto dal materiale e dalla temperatura di lavoro. Per 

---

 

13 

il  biossido  di  stagno  sono  state  prese  in  considerazione  diverse  reazioni  attraverso  le  quali  la 

molecola si può legare alla superficie, sia attraverso fisisorbimento (legame relativamente debole che 

si  origina  dalle  attrazioni  intermolecolari  di  tipo  Van  der  Waals)  che  chemisorbimento,  quindi  con 

uno  scambio  di  carica  netto  con  la  superficie  adsorbente,  andando  ad  influire  direttamente  sulla 

barriera  di  potenziale  intergranulare  che  modula  la  conduttanza  del  film.  Le  reazioni  prese  in 

considerazione 

conducono 

ad 

un 

comportamento 

compatibile 

con 

quello 

osservato 

sperimentalmente e spiegano le distorsioni della risposta ad alcuni gas in ambiente umido rispetto ad 

un  ambiente  anidro.  L’interazione  della molecola  d’acqua  con  alcuni  gas  d’interesse  ambientale  ed 

agroalimentare è stata studiata quantitativamente con una serie di esperimenti ai quali è seguito lo 

sviluppo di un algoritmo di compensazione del segnale basato sulla legge di risposta in funzione della 

concentrazione (che deriva dalla legge di azione di massa applicata alla particolare reazione in esame, 

ed è compatibile con le osservazioni sperimentali). L’idea, sviluppata nella mia tesi di dottorato ed in 

seguito  approfondita,  consiste  nell’eseguire  una  superficie  di  calibrazione  per  il  sensore,  in  altre 

parole avere una mappatura della risposta del sensore in funzione delle due variabili concentrazione 

del  gas  target  e  concentrazione  di  acqua.  La  superficie  è  poi  stata  fittata  con  una  funzione  di  due 

variabili ottenuta da uno sviluppo teorico che parte dalla legge di risposta al singolo gas, ottenendo 

una forma funzionale fittabile con i dati sperimentali che, invertita, fornisce la concentrazione di gas 

a qualsiasi livello di umidità. La funzione trovata presenta anche un notevole significato fisico, infatti 

dallo  sviluppo  teorico  segue  la  comparsa  di  un  termine  misto  interpretabile  come  l’intensità 

dell’interazione  fra  il  gas  target  e  l’acqua  per  il  materiale  in  esame.  L’algoritmo  di  compensazione 

basato su questa funzione si è dimostrato funzionale e potenzialmente adatto per essere applicato a 

qualunque  coppia  di  gas.  La  ricerca  è  stata  inizialmente  condotta  con  l’etilene,  un  gas  di  grande 

importanza  nelle  applicazioni  agro-alimentari,  in  quanto  è  un  fitormone  che  controlla  il  livello  di 

maturazione dei vegetali nelle camere di stoccaggio [3]. 

In  una  più  ampia  ottica,  la  compensazione  di  un  importante  interferente  come  l’umidità  rende 

possibile  il  monitoraggio  ambientale  con  sensori  a  film  spesso  in  situazioni  reali,  dove  l’umidità 

atmosferica  non  è  mai  costante  e  ha  un  effetto  non  trascurabile  sulla  conduttanza  di  molti  ossidi 

semiconduttori  nanofasici.  Un  esempio  concreto  è  il  monitoraggio  di  monossido  di  carbonio  e  di 

ossidi di azoto da inquinamento automobilistico nei pressi di un incrocio stradale; in situazioni come 

queste  l’eliminazione  dell’interferente  umidità  è  una  necessità  assoluta.  Per  questi  motivi,  la 

compensazione dell’umidità sul segnale dei sensori  a film spesso è stata applicata anche in campo, 

rispetto  a  gas  di  interesse  ambientale  come  il  monossido  di  carbonio,  con  risultati  estremamente 

soddisfacenti [7].  

La  rilevazione  di  alcani  leggeri  come  metano,  propano,  i-butano  ecc.,  è  di  interesse  in  diversi 

campi,  come  lo  studio  delle  combustioni,  produzione  di  idrogeno,  realizzazione  di  camere  per  la 

rilevazione  di  particelle  in  fisica  nucleare,  ecc..  Per  cui  un  sistema  compatto  in  grado  di  rilevare 

perdite di questi gas potrebbe avere importanti utilizzi industriali. È stato quindi condotto uno studio 

in  cui  soluzioni  solide  di  stagno  e  titanio  in  diverse  proporzioni,  prodotte  dal  Laboratorio  Sensori  e 

Semiconduttori, sono state testate come materiale di sensing nella rilevazione di questi idrocarburi. 

Sono state scelte le soluzioni solide da utilizzare ed eseguite misure di caratterizzazione elettrica in 

condizioni  di  aria  secca  e  umidificata,  a  diverse  temperature  di  lavoro,  ed  è  stata  data 

un’interpretazione  dei  risultati  ottenuti  in  termini  di  reazioni  fra  il  substrato  e  la  fase  gassosa.  Il 

risultato  è  la  dimostrazione  dell’applicabilità  di  sensori  basati  su  questo  tipo  di  materiali  a 

---