Curriculum vitae alessio giberti dati anagrafici

 

14 

problematiche legate alle perdite di alcani leggeri [9]. Naturale prosecuzione di questa ricerca è stato 

lo  studio  dell’interferenza  di  acqua  ed  etanolo.  In  test  preliminari  si  è  dimostrato  come  un  filtro  ai 

carboni  attivi  sia  già  sufficiente  per  ostacolare  considerevolmente  l’effetto  dell’etanolo,  soluzione 

comunque  non  definitiva  a  causa  del  deterioramento  del  filtro  con  il  tempo.  Si  è  dimostrato  come 

una soluzione applicabile sia invece il rilevamento della concentrazione di etanolo attraverso un altro 

sensore  basato  su  biossido  di  stagno,  che  a  temperature  non  superiori  ai  400°C  è  insensibile  agli 

alcani.  La  conoscenza  della  concentrazione  dell’interferente  etanolo  può  essere  utilizzata  per 

compensarne l’effetto in maniera del tutto analoga all’umidità atmosferica [13]. 

Un  array  di  sensori  studiato  per  la  rilevazione  delle  principali  componenti  dei  gas  da 

decomposizione nelle discariche è stato sviluppato e testato, anche per quanto riguarda le proprietà 

odorimetriche attraverso la somministrazione di n-butanolo, gas di riferimento per quanto riguarda 

questo tipo di applicazioni. La rilevazione selettiva di etil-mercaptano, acido solfidrico e ammoniaca, 

si è dimostrata possibile sia in condizioni dry che wet [21,24].  

Un’applicazione di possibile interesse industriale della quale mi sono occupato è la rilevazione di 

acetaldeide [22] e di aldeidi in generale, per le quali si è studiato un possibile array adatto allo scopo. 

L’ossido  di  Zinco  (ZnO)  è  un    semiconduttore  ad  ampio  gap  (3.37  eV)  di  grande  utilità  in  una 

varietà  di  applicazioni,  come  ad esempio  celle  solari  ibride,  fotocatalisi,  applicazioni  piezoelettriche 

ecc. Inoltre, trattasi di un materiale dalle proprietà di gas sensing ben note, che può essere utilizzato 

per  la  rilevazione  di  gas  come  idrogeno,  biossido  di  azoto,  vapori  di  ammoniaca  e  acido  solfidrico. 

Una indagine su questo materiale è stata condotta in collaborazione con l’istituto IMEM del CNR di 

Parma,  che  ha  fornito  polveri  di  ossido  di  zinco  ottenute  tramite  una  combinazione  di  processi  di 

trasporto  di  vapore  e  metodi  di  ossidazione  controllata.  Polveri  di  ZnO  nanostrutturate  sono  state 

sintetizzate  dal  Laboratorio  Sensori  e  Semiconduttori  attraverso  un  procedimento  di  tipo  sol-gel  e 

stampate su substrato per la realizzazione di sensori. L’ossido di Zinco ottenuto dall’IMEM di Parma e 

quello  ottenuto  dal  Laboratorio  Sensori  di  Ferrara  sono  stati  sottoposti  ad  analisi  SEM  e  TEM, 

dimostrando  una  enorme  differenza  morfologica  causata  dai  due  diversi  processi  di  sintesi. 

Ciononostante,  i  due  materiali  si  sono  comportati  in  maniera  analoga  rispetto  ai  gas  utilizzati  (O

3

, 

NO

2

, CO e H

2

S ) dimostrandosi buoni materiali per la rilevazione di gas ossidanti, ozono in particolar 

modo. Il confronto ha permesso quindi di stabilire differenze e analogie nel sensing di gas ossidanti 

da parte di ossido di zinco prodotto attraverso procedimenti di sintesi estremamente differenti [11].  

La  fotocatalisi  nell’ossido  di  Zinco  è  stata  studiata  in  laboratorio  su  campioni  sintetizzati 

appositamente,  allo  scopo  di  applicare  le  proprietà  di  fotoattivazione  alla  rilevazione  dell’ozono.  E’ 

stato quindi predisposto un apparato sperimentale comprendente un LED che emette alla lunghezza 

d’onda di 400 nm, corrispondente a fotoni con energia pari a 3.1 eV. Sono state indagate le proprietà 

elettriche  in  presenza  e  assenza  di  luce  e  confrontate  con  quelle  degli  stessi  sensori,  ma  attivati 

tramite funzionamento in temperatura. Si sono evidenziate interessanti caratteristiche, come elevate 

intensità e velocità di risposta in condizioni di illuminazione, che vengono migliorate in presenza di 

umidità atmosferica. Le performances sono state confrontate con quelle di un sensore basato su una 

soluzione  solida  di  ossido  di  tungsteno  e  di  stagno  (denominata  WS,  in  proporzioni  W:Sn  =  90:10). 

Nonostante entrambi i materiali, durante il funzionamento in temperatura, siano sensibili all’ozono, a 

temperatura ambiente e in condizioni di illuminazione solo il sensore basato su ZnO ha mostrato una 

risposta al gas. Il meccanismo di aumento della conduttanza sotto illuminazione è stato attribuito alla 

creazione  di  coppie  elettrone-buca  assistito  da  radiazione,  con  aumento  della  concentrazione  di 

---

 

15 

elettroni  in  banda  di  conduzione.  Se  questo  processo  avviene  nella  regione  di  svuotamento,  o  la 

coppia  viene  trasferita  in  superficie,  può  promuovere  il  desorbimento  di  ossigeno  grazie  alla 

ricombinazione  della  buca  creata  con  un  elettrone  appartenente  alla  carica  di  superficie.  Il  motivo 

per cui il WS illuminato non mostra sensibilità all’ozono, al contrario dello ZnO, è stato attribuito al 

fatto  che  il  meccanismo  di  sensing  dell’ozono  può  avvenire  solo  se  la  radiazione  UV  rimuove  gli 

ossigeni adsorbiti in superficie, per cui si deduce come nello ZnO il meccanismo di trasferimento delle 

coppie in superficie è molto più veloce [17]. 

Nei sensori microlavorati (nei quali il film è depositato su una membrana in silicio microlavorato), 

che per una maggiore semplicità di processo produttivo non possiedono un layer di passivazione fra 

riscaldatore e contatti per la lettura del film, l’heater lavora in maniera impulsata (onda quadra) in 

modo tale che durante la fase off del duty cycle venga letta la resistenza del film senza interferenze 

elettriche.  Questo  implica  che  la  frequenza  di  lavoro  deve  essere  impostata  in  maniera  tale  che  la 

temperatura  non  sia  soggetta  ad  instabilità  inaccettabili.  A  questo  proposito  ho  studiato  e  risolto 

l’equazione  del  calore  applicata  a  questo  particolare  sistema;  prima  la  soluzione  stazionaria 

(indipendente  dal  tempo)  per  trovare  il  profilo  di  temperatura  nella  zona  non  riscaldata,  al  fine  di 

trovare  un’area  efficace  per  lo  scambio  convettivo,  poi  la  soluzione  dipendente  dal  tempo  per 

trovare  il  tempo  caratteristico  di  decadimento  della  temperatura  nella  fase  di  spegnimento 

dell’heater. Questo studio ha permesso di impostare la frequenza di lavoro ideale, riscontrabile nelle 

misure eseguite, che non risentono di instabilità termiche del substrato [15]. 

Gli studi sull’equazione del calore mi hanno permesso anche di applicarla al di fuori del contesto 

sensoristico.  Infatti  è  stato  condotto  una  studio  sulla  stabilità  termica  di  un  cristallo  usato  per  il 

channeling di particelle nell’acceleratore LHC, risolvendo l’equazione del calore bidimensionale con il 

metodo delle linee, con un termine di sorgente di tipo gasussiano [19]. 

 

 

3. 3 Design e applicazione di nuovi materiali per gas sensing  dalle caratteristiche avanzate 

 

Lo studio e il design di nuovi materiali sensibili è una parte fondamentale della ricerca. In questo 

ambito,  la  mia  iniziativa  di  discostarsi  dai  convenzionali  materiali  usati  per  il  gas  sensing  (gli  ossidi 

metallici),  per  valutare  le  proprietà  di  sensing  di  materiali  privi  di  ossigeno,  rappresenta  un  nuova 

direzione di indagine con molteplici possibilità. Gli obiettivi di quest’idea sono: a) valutare come un 

materiale  privo  di  ossigeno  si  comporti  sul  lungo  termine  a  confronto  con  un  ossido,  visto  che  in 

questo caso non si avrebbe la migrazione delle vacanze di ossigeno; b) realizzare sensori più stabili; c) 

esplorare più possibilità per la chimica di superficie.  

La  prima  idea  è  stata  la  sintesi  di  un  materiale  ben  noto  per  altre  proprietà,  come  la 

fotoconducibilità  e  la  piezoelettricità,  e  mai  utilizzato  come  sensore  conduttometrico,  il  solfuro  di 

cadmio (CdS). Il materiale è stato sintetizzato in forma nanometrica e caratterizzato con XRD, SEM e 

TG/DTA, dimostrandosi monofasico e stabile fino ai 500°C. I sensori realizzati con questo materiale si 

sono dimostrati altamente selettivi agli alcoli lavorando in temperatura, mentre, per quanto riguarda 

la fotoattivazione a temperatura ambiente, siamo riusciti a dimostrare che la chimica di superficie è 

risonante con l’energia del bandgap del materiale [25].  

Altri materiali sono stati sintetizzati e sono attualmente in corso d’indagine. 

---