Physical models for numerical simulation of Si-based nanoscale FETs and sensors

To continuously improve the performance of metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs), innovative device architectures, gate stack engineering and mobility enhancement techniques are under investigation. In this framework, new physics-based models for Technology Computer-Aided-Design (TCAD) simulation tools are needed to accurately predict the performance of upcoming nanoscale devices and to provide guidelines for their optimization. In this thesis, advanced physically-based mobility models for ultrathin body (UTB) devices with either planar or vertical architectures such as single-gate silicon-on-insulator (SOI) field-effect transistors (FETs), double-gate FETs, FinFETs and silicon nanowire FETs, integrating strain technology and high-κ gate stacks are presented. The effective mobility of the two-dimensional electron/hole gas in a UTB FETs channel is calculated taking into account its tensorial nature and the quantization effects. All the scattering events relevant for thin silicon films and for high-κ dielectrics and metal gates have been addressed and modeled for UTB FETs on differently oriented substrates. The effects of mechanical stress on (100) and (110) silicon band structures have been modeled for a generic stress configuration. Performance will also derive from heterogeneity, coming from the increasing diversity of functions integrated on complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) platforms. For example, new architectural concepts are of interest not only to extend the FET scaling process, but also to develop innovative sensor applications. Benefiting from properties like large surface-to-volume ratio and extreme sensitivity to surface modifications, silicon-nanowire-based sensors are gaining special attention in research. In this thesis, a comprehensive analysis of the physical effects playing a role in the detection of gas molecules is carried out by TCAD simulations combined with interface characterization techniques. The complex interaction of charge transport in silicon nanowires of different dimensions with interface trap states and remote charges is addressed to correctly reproduce experimental results of recently fabricated gas nanosensors.

Sviluppo di sperimentazioni per la produzione di getti in lega di alluminio a caratteristiche difettologiche e microstrutturali controllate, per la validazione di modelli di previsione delle porosità

Nei processi di progettazione e produzione tramite tecnologie di colata di componenti in alluminio ad elevate prestazioni, risulta fondamentale poter prevedere la presenza e la quantità di difetti correlabili a design non corretti e a determinate condizioni di processo. Fra le difettologie più comuni di un getto in alluminio, le porosità con dimensioni di decine o centinaia di m, note come microporosità, hanno un impatto estremamente negativo sulle caratteristiche meccaniche, sia statiche che a fatica. In questo lavoro, dopo un’adeguata analisi bibliografica, sono state progettate e messe a punto attrezzature e procedure sperimentali che permettessero la produzione di materiale a difettologia e microstruttura differenziata, a partire da condizioni di processo note ed accuratamente misurabili, che riproducessero la variabilità delle stesse nell’ambito della reale produzione di componenti fusi. Tutte le attività di progettazione delle sperimentazioni, sono state coadiuvate dall’ausilio di software di simulazione del processo fusorio che hanno a loro volta beneficiato di tarature e validazioni sperimentali ad hoc. L’apparato sperimentale ha dimostrato la propria efficacia nella produzione di materiale a microstruttura e difettologia differenziata, in maniera robusta e ripetibile. Utilizzando i risultati sperimentali ottenuti, si è svolta la validazione di un modello numerico di previsione delle porosità da ritiro e gas, ritenuto ad oggi allo stato dell’arte e già implementato in alcuni codici commerciali di simulazione del processo fusorio. I risultati numerici e sperimentali, una volta comparati, hanno evidenziato una buona accuratezza del modello numerico nella previsione delle difettologie sia in termini di ordini di grandezza che di gradienti della porosità nei getti realizzati.

Design and Control of Robotic Hands

The application of dexterous robotic hands out of research laboratories has been limited by the intrinsic complexity that these devices present. This is directly reflected as an economically unreasonable cost and a low overall reliability. Within the research reported in this thesis it is shown how the problem of complexity in the design of robotic hands can be tackled, taking advantage of modern technologies (i.e. rapid prototyping), leading to innovative concepts for the design of the mechanical structure, the actuation and sensory systems. The solutions adopted drastically reduce the prototyping and production costs and increase the reliability, reducing the number of parts required and averaging their single reliability factors. In order to get guidelines for the design process, the problem of robotic grasp and manipulation by a dual arm/hand system has been reviewed. In this way, the requirements that should be fulfilled at hardware level to guarantee successful execution of the task has been highlighted. The contribution of this research from the manipulation planning side focuses on the redundancy resolution that arise in the execution of the task in a dexterous arm/hand system. In literature the problem of coordination of arm and hand during manipulation of an object has been widely analyzed in theory but often experimentally demonstrated in simplified robotic setup. Our aim is to cover the lack in the study of this topic and experimentally evaluate it in a complex system as a anthropomorphic arm hand system.

Modelli Digitali e Archivi di Progetto. Sistemi integrati di documentazione per l'architettura.

Le tecniche dell'informazione e i metodi della comunicazione hanno modificato il modo di redigere documenti destinati a trasmettere la conoscenza, in un processo che è a tutt'oggi in corso di evoluzione. Anche l'attività progettuale in ingegneria ed architettura, pure in un settore caratterizzato da una notevole inerzia metodologica e restio all'innovazione quale è quello dell'industria edilizia, ha conosciuto profonde trasformazioni in ragione delle nuove espressioni tecnologiche. Da tempo l'informazione necessaria per realizzare un edificio, dai disegni che lo rappresentano sino ai documenti che ne indicano le modalità costruttive, può essere gestita in maniera centralizzata mediante un unico archivio di progetto denominato IPDB (Integrated Project DataBase) pur essendone stata recentemente introdotta sul mercato una variante più operativa chiamata BIM (Building Information Modelling). Tuttavia l'industrializzazione del progetto che questi strumenti esplicano non rende conto appieno di tutti gli aspetti che vedono la realizzazione dell'opera architettonica come collettore di conoscenze proprie di una cultura progettuale che, particolarmente in Italia, è radicata nel tempo. La semantica della rappresentazione digitale è volta alla perequazione degli elementi costitutivi del progetto con l'obiettivo di catalogarne le sole caratteristiche fabbricative. L'analisi della letteratura scientifica pertinente alla materia mostra come non sia possibile attribuire ai metodi ed ai software presenti sul mercato la valenza di raccoglitori omnicomprensivi di informazione: questo approccio olistico costituisce invece il fondamento della modellazione integrata intesa come originale processo di rappresentazione della conoscenza, ordinata secondo il paradigma delle "scatole cinesi", modello evolvente che unifica linguaggi appartenenti ai differenti attori compartecipanti nei settori impiantistici, strutturali e della visualizzazione avanzata. Evidenziando criticamente i pregi e i limiti operativi derivanti dalla modellazione integrata, la componente sperimentale della ricerca è stata articolata con l'approfondimento di esperienze condotte in contesti accademici e professionali. Il risultato conseguito ha coniugato le tecniche di rilevamento alle potenzialità di "modelli tridimensionali intelligenti", dotati cioè di criteri discriminanti per la valutazione del relazionamento topologico dei componenti con l'insieme globale.

I progetti di Oswald Mathias Ungers per la città di Treviri. Questioni di composizione architettonica

Abstract This PhD thesis focuses on two projects carried out by Oswald Mathias Ungers in the city of Trier. More specifi cally, this study focuses on the relationship between composition principles, architectural forms, historical context and the nature of the city where these buildings have been built. The works carried out by Ungers in Trier are unique experiences - if taken in this master’s works context - and each one of them refl ects - in its specifi c project and architectural composition theme - the results - in terms of design - of a complex research on the fundamentals of architecture carried out by Ungers in more than fi ve decades of his activity. The theoretical and compositional experiment aspect is one of the main subjects to defi ne these buildings in terms of architecture. This aspect is so crucial that it is possible to consider them as an example of radical and specifi c experiences, referred to a specifi c place and based on a specifi c theoretical corpus. More specifi cally, this study focuses on the design activity carried out by Ungers in this city, mainly between the 80s and 90s and in the fi rst decade of the 21st century. It puts forward an interpretation that does not only defi ne the essential features, elements and questions lying behind these two architectures, but fi rst and foremost analyzes the theoretical, methodological and compositional relationship between Ungers and Trier, his adopted city. An increasingly closer relationship between the architect and his city highlights the wider relationship network established between the place and the projects carried out by Ungers in this city and makes it possible to understand the importance of Trier in the work of this architect, in his education and in his way to see, think and make architecture. The projects analyzed - the Thermen am Forum Museum (1988-1996) and the Kaiserthermen entrance hall (2003-2007) - were analyzed in terms of their architectural composition in an attempt to highlight the poetry of these architectures and to fi nd out their progressive, rational - and therefore transmissible - character. This study is an attempt to assess and unveil the compositional themes characterizing these projects while detecting the compositional principles lying behind the works and verifying the design process through which such principles were translated into architecture. Looking at these works as architectural composition examples makes it possible to clarify Ungers’ hermeneutic relationship established with the city’s history and structure. More specifi cally, the main subject of this thesis is the relationship between the architect, his city and history in the architectural solutions offered by two exemplary case studies, which were both built and placed in the historical city center of Trier and both connected with the ancient core of the city. The Thermen am Forum Museum and the Kaiserthermen entrance hall projects are - though being developed at different times of Ungers’ architectural life and though being extremely different in terms of approach to their context, due to their architectural image - two works that can be compared with the historical heritage of the city and this makes them ideal examples of the relationship between architectural forms, history and environment.

Analysis and modelling of the performance of technologies for flue gas treatment in Waste-to-Energy processes

Waste management represents an important issue in our society and Waste-to-Energy incineration plants have been playing a significant role in the last decades, showing an increased importance in Europe. One of the main issues posed by waste combustion is the generation of air contaminants. Particular concern is present about acid gases, mainly hydrogen chloride and sulfur oxides, due to their potential impact on the environment and on human health. Therefore, in the present study the main available technological options for flue gas treatment were analyzed, focusing on dry treatment systems, which are increasingly applied in Municipal Solid Wastes (MSW) incinerators. An operational model was proposed to describe and optimize acid gas removal process. It was applied to an existing MSW incineration plant, where acid gases are neutralized in a two-stage dry treatment system. This process is based on the injection of powdered calcium hydroxide and sodium bicarbonate in reactors followed by fabric filters. HCl and SO2 conversions were expressed as a function of reactants flow rates, calculating model parameters from literature and plant data. The implementation in a software for process simulation allowed the identification of optimal operating conditions, taking into account the reactant feed rates, the amount of solid products and the recycle of the sorbent. Alternative configurations of the reference plant were also assessed. The applicability of the operational model was extended developing also a fundamental approach to the issue. A predictive model was developed, describing mass transfer and kinetic phenomena governing the acid gas neutralization with solid sorbents. The rate controlling steps were identified through the reproduction of literature data, allowing the description of acid gas removal in the case study analyzed. A laboratory device was also designed and started up to assess the required model parameters.

Sistemi tecnologici innovativi di involucro per il recupero del patrimonio edilizio recente. L'edilizia scolastica nel Comune di Bologna

La ricerca è volta a presentare un nuovo approccio integrato, a supporto di operatori e progettisti, per la gestione dell’intero processo progettuale di interventi di riqualificazione energetica e architettonica del patrimonio edilizio recente, mediante l’impiego di soluzioni tecnologiche innovative di involucro edilizio. Lo studio richiede necessariamente l’acquisizione di un repertorio selezionato di sistemi costruttivi di involucro, come base di partenza per l’elaborazione di soluzioni progettuali di recupero delle scuole appartenenti al secondo dopoguerra, in conglomerato cementizio armato, prevalentemente prefabbricate. Il progetto individua procedimenti costruttivi ecocompatibili per la progettazione di componenti prefabbricati di involucro “attivo”, adattabile ed efficiente, da assemblare a secco, nel rispetto dei requisiti prestazionali richiesti dalle attuali normative. La ricerca è finalizzata alla gestione dell’intero processo, supportato da sistemi di rilevazione geometrica, collegati a software di programmazione parametrica per la modellazione di superfici adattabili alla morfologia dei fabbricati oggetto di intervento. Tali strumenti informatizzati CAD-CAM sono connessi a macchine a controllo numerico CNC per la produzione industrializzata degli elementi costruttivi “su misura”. A titolo esemplificativo dell’approccio innovativo proposto, si formulano due possibili soluzioni di involucro in linea con i paradigmi della ricerca, nel rispetto dei principi di sostenibilità, intesa come modularità, rapidità di posa, reversibilità, recupero e riciclo di materiali. In particolare, le soluzioni innovative sono accomunate dall’applicazione di una tecnica basata sull’assemblaggio di elementi prefabbricati, dall’adozione di una trama esagonale per la tassellazione della nuova superficie di facciata, e dall’utilizzo del medesimo materiale termico isolante, plastico e inorganico, riciclato ed ecosostenibile, a basso impatto ambientale (AAM - Alkali Activated Materials). Le soluzioni progettuali proposte, sviluppate presso le due sedi coinvolte nella cotutela (Università di Bologna, Université Paris-Est) sono affrontate secondo un protocollo scientifico che prevede: progettazione del sistema costruttivo, analisi meccanica e termica, sperimentazione costruttiva, verifica delle tecniche di messa in opera e dei requisiti prestazionali.

Ragnar Östberg. Genius loci e memorie urbane. Stockholms Stadshuset-Nämndhuset e villa Geber

La ricerca si propone di analizzare una di quelle stagioni architettoniche controverse e lontane dalle internazionali strade maestre del nascente Neues Bauen: il romanticismo-nazionale svedese riletto attraverso l’esperienza del suo massimo esponente, Ragnar Östberg (1866-1945). L’obiettivo della tesi non è solamente quello di una revisione della critica storiografica, facendo così luce su una di quelle personalità considerate marginali, quanto quello di ricavare dalla lettura comparata di due tra i suoi progetti, fino ad ora mai indagati, quegli elementi che fanno dell’architettura un “fatto urbano” in cui la collettività può riconoscersi e parallelamente un fatto di rappresentazione della stessa. L’arcipelago di Stoccolma e quel processo di “renovatio urbis” a cui fu sottoposta proprio agli albori del XX secolo furono gli scenari in cui presero vita i due progetti: il complesso formato dallo Stockholms Stadshuset e la vicina parte mai realizzata del Nämndhuset, e villa Geber. Condensano due dimensioni che la città immersa nel paesaggio contiene: la natura urbana dell’edificio municipale e quella domestica della villa urbana isolata. La ricerca intesse un itinerario di disvelamento attraverso una matrice duale di lettura: “genius loci” e memorie urbane. I capitoli cercano di dimostrare come i due casi-studio siano espressione di quella pendolarità di ricerca tra lo spirito del luogo e le rimembranze delle forme urbane della tradizione. Questa analisi ci conduce in un viaggio alla ricerca dell’atlante delle “memorie urbane”, raccolte nei viaggi e nella formazione, comprendendo così il mondo analogico di riferimenti culturali con altre architetture europee della tradizione. I due progetti sorgono in opposte aree di espansione di Stoccolma e, pur nella loro diversità di scala, sono chiara espressione di appropriatezza al luogo e di strutture formali analoghe. Stockholm Stadshuset-Nämndhuset e villa Geber esprimono il metodo di Östberg, dove i riferimenti raccolti dall’imagination passive sono tramutati ed assemblati grazie alla imagination active.

Kinematics and statics of cable-driven parallel robots by interval-analysis-based methods

In the past two decades the work of a growing portion of researchers in robotics focused on a particular group of machines, belonging to the family of parallel manipulators: the cable robots. Although these robots share several theoretical elements with the better known parallel robots, they still present completely (or partly) unsolved issues. In particular, the study of their kinematic, already a difficult subject for conventional parallel manipulators, is further complicated by the non-linear nature of cables, which can exert only efforts of pure traction. The work presented in this thesis therefore focuses on the study of the kinematics of these robots and on the development of numerical techniques able to address some of the problems related to it. Most of the work is focused on the development of an interval-analysis based procedure for the solution of the direct geometric problem of a generic cable manipulator. This technique, as well as allowing for a rapid solution of the problem, also guarantees the results obtained against rounding and elimination errors and can take into account any uncertainties in the model of the problem. The developed code has been tested with the help of a small manipulator whose realization is described in this dissertation together with the auxiliary work done during its design and simulation phases.