Models and methods for power monolithic microwave integrated circuits

Computer aided design of Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs) depends critically on active device models that are accurate, computationally efficient, and easily extracted from measurements or device simulators. Empirical models of active electron devices, which are based on actual device measurements, do not provide a detailed description of the electron device physics. However they are numerically efficient and quite accurate. These characteristics make them very suitable for MMIC design in the framework of commercially available CAD tools. In the empirical model formulation it is very important to separate linear memory effects (parasitic effects) from the nonlinear effects (intrinsic effects). Thus an empirical active device model is generally described by an extrinsic linear part which accounts for the parasitic passive structures connecting the nonlinear intrinsic electron device to the external world. An important task circuit designers deal with is evaluating the ultimate potential of a device for specific applications. In fact once the technology has been selected, the designer would choose the best device for the particular application and the best device for the different blocks composing the overall MMIC. Thus in order to accurately reproducing the behaviour of different-in-size devices, good scalability properties of the model are necessarily required. Another important aspect of empirical modelling of electron devices is the mathematical (or equivalent circuit) description of the nonlinearities inherently associated with the intrinsic device. Once the model has been defined, the proper measurements for the characterization of the device are performed in order to identify the model. Hence, the correct measurement of the device nonlinear characteristics (in the device characterization phase) and their reconstruction (in the identification or even simulation phase) are two of the more important aspects of empirical modelling. This thesis presents an original contribution to nonlinear electron device empirical modelling treating the issues of model scalability and reconstruction of the device nonlinear characteristics. The scalability of an empirical model strictly depends on the scalability of the linear extrinsic parasitic network, which should possibly maintain the link between technological process parameters and the corresponding device electrical response. Since lumped parasitic networks, together with simple linear scaling rules, cannot provide accurate scalable models, either complicate technology-dependent scaling rules or computationally inefficient distributed models are available in literature. This thesis shows how the above mentioned problems can be avoided through the use of commercially available electromagnetic (EM) simulators. They enable the actual device geometry and material stratification, as well as losses in the dielectrics and electrodes, to be taken into account for any given device structure and size, providing an accurate description of the parasitic effects which occur in the device passive structure. It is shown how the electron device behaviour can be described as an equivalent two-port intrinsic nonlinear block connected to a linear distributed four-port passive parasitic network, which is identified by means of the EM simulation of the device layout, allowing for better frequency extrapolation and scalability properties than conventional empirical models. Concerning the issue of the reconstruction of the nonlinear electron device characteristics, a data approximation algorithm has been developed for the exploitation in the framework of empirical table look-up nonlinear models. Such an approach is based on the strong analogy between timedomain signal reconstruction from a set of samples and the continuous approximation of device nonlinear characteristics on the basis of a finite grid of measurements. According to this criterion, nonlinear empirical device modelling can be carried out by using, in the sampled voltage domain, typical methods of the time-domain sampling theory.

Caratterizzazione del legame di molecole di interesse farmaceutico alla sieroalbumina umana mediante biocromatografia e dicroismo circolare

Negli ultimi anni, un crescente numero di studiosi ha focalizzato la propria attenzione sullo sviluppo di strategie che permettessero di caratterizzare le proprietà ADMET dei farmaci in via di sviluppo, il più rapidamente possibile. Questa tendenza origina dalla consapevolezza che circa la metà dei farmaci in via di sviluppo non viene commercializzato perché ha carenze nelle caratteristiche ADME, e che almeno la metà delle molecole che riescono ad essere commercializzate, hanno comunque qualche problema tossicologico o ADME [1]. Infatti, poco importa quanto una molecola possa essere attiva o specifica: perché possa diventare farmaco è necessario che venga ben assorbita, distribuita nell’organismo, metabolizzata non troppo rapidamente, ne troppo lentamente e completamente eliminata. Inoltre la molecola e i suoi metaboliti non dovrebbero essere tossici per l’organismo. Quindi è chiaro come una rapida determinazione dei parametri ADMET in fasi precoci dello sviluppo del farmaco, consenta di risparmiare tempo e denaro, permettendo di selezionare da subito i composti più promettenti e di lasciar perdere quelli con caratteristiche negative. Questa tesi si colloca in questo contesto, e mostra l’applicazione di una tecnica semplice, la biocromatografia, per caratterizzare rapidamente il legame di librerie di composti alla sieroalbumina umana (HSA). Inoltre mostra l’utilizzo di un’altra tecnica indipendente, il dicroismo circolare, che permette di studiare gli stessi sistemi farmaco-proteina, in soluzione, dando informazioni supplementari riguardo alla stereochimica del processo di legame. La HSA è la proteina più abbondante presente nel sangue. Questa proteina funziona da carrier per un gran numero di molecole, sia endogene, come ad esempio bilirubina, tiroxina, ormoni steroidei, acidi grassi, che xenobiotici. Inoltre aumenta la solubilità di molecole lipofile poco solubili in ambiente acquoso, come ad esempio i tassani. Il legame alla HSA è generalmente stereoselettivo e ad avviene a livello di siti di legame ad alta affinità. Inoltre è ben noto che la competizione tra farmaci o tra un farmaco e metaboliti endogeni, possa variare in maniera significativa la loro frazione libera, modificandone l’attività e la tossicità. Per queste sue proprietà la HSA può influenzare sia le proprietà farmacocinetiche che farmacodinamiche dei farmaci. Non è inusuale che un intero progetto di sviluppo di un farmaco possa venire abbandonato a causa di un’affinità troppo elevata alla HSA, o a un tempo di emivita troppo corto, o a una scarsa distribuzione dovuta ad un debole legame alla HSA. Dal punto di vista farmacocinetico, quindi, la HSA è la proteina di trasporto del plasma più importante. Un gran numero di pubblicazioni dimostra l’affidabilità della tecnica biocromatografica nello studio dei fenomeni di bioriconoscimento tra proteine e piccole molecole [2-6]. Il mio lavoro si è focalizzato principalmente sull’uso della biocromatografia come metodo per valutare le caratteristiche di legame di alcune serie di composti di interesse farmaceutico alla HSA, e sul miglioramento di tale tecnica. Per ottenere una miglior comprensione dei meccanismi di legame delle molecole studiate, gli stessi sistemi farmaco-HSA sono stati studiati anche con il dicroismo circolare (CD). Inizialmente, la HSA è stata immobilizzata su una colonna di silice epossidica impaccata 50 x 4.6 mm di diametro interno, utilizzando una procedura precedentemente riportata in letteratura [7], con alcune piccole modifiche. In breve, l’immobilizzazione è stata effettuata ponendo a ricircolo, attraverso una colonna precedentemente impaccata, una soluzione di HSA in determinate condizioni di pH e forza ionica. La colonna è stata quindi caratterizzata per quanto riguarda la quantità di proteina correttamente immobilizzata, attraverso l’analisi frontale di L-triptofano [8]. Di seguito, sono stati iniettati in colonna alcune soluzioni raceme di molecole note legare la HSA in maniera enantioselettiva, per controllare che la procedura di immobilizzazione non avesse modificato le proprietà di legame della proteina. Dopo essere stata caratterizzata, la colonna è stata utilizzata per determinare la percentuale di legame di una piccola serie di inibitori della proteasi HIV (IPs), e per individuarne il sito(i) di legame. La percentuale di legame è stata calcolata attraverso il fattore di capacità (k) dei campioni. Questo parametro in fase acquosa è stato estrapolato linearmente dal grafico log k contro la percentuale (v/v) di 1-propanolo presente nella fase mobile. Solamente per due dei cinque composti analizzati è stato possibile misurare direttamente il valore di k in assenza di solvente organico. Tutti gli IPs analizzati hanno mostrato un’elevata percentuale di legame alla HSA: in particolare, il valore per ritonavir, lopinavir e saquinavir è risultato maggiore del 95%. Questi risultati sono in accordo con dati presenti in letteratura, ottenuti attraverso il biosensore ottico [9]. Inoltre, questi risultati sono coerenti con la significativa riduzione di attività inibitoria di questi composti osservata in presenza di HSA. Questa riduzione sembra essere maggiore per i composti che legano maggiormente la proteina [10]. Successivamente sono stati eseguiti degli studi di competizione tramite cromatografia zonale. Questo metodo prevede di utilizzare una soluzione a concentrazione nota di un competitore come fase mobile, mentre piccole quantità di analita vengono iniettate nella colonna funzionalizzata con HSA. I competitori sono stati selezionati in base al loro legame selettivo ad uno dei principali siti di legame sulla proteina. In particolare, sono stati utilizzati salicilato di sodio, ibuprofene e valproato di sodio come marker dei siti I, II e sito della bilirubina, rispettivamente. Questi studi hanno mostrato un legame indipendente dei PIs ai siti I e II, mentre è stata osservata una debole anticooperatività per il sito della bilirubina. Lo stesso sistema farmaco-proteina è stato infine investigato in soluzione attraverso l’uso del dicroismo circolare. In particolare, è stato monitorata la variazione del segnale CD indotto di un complesso equimolare [HSA]/[bilirubina], a seguito dell’aggiunta di aliquote di ritonavir, scelto come rappresentante della serie. I risultati confermano la lieve anticooperatività per il sito della bilirubina osservato precedentemente negli studi biocromatografici. Successivamente, lo stesso protocollo descritto precedentemente è stato applicato a una colonna di silice epossidica monolitica 50 x 4.6 mm, per valutare l’affidabilità del supporto monolitico per applicazioni biocromatografiche. Il supporto monolitico monolitico ha mostrato buone caratteristiche cromatografiche in termini di contropressione, efficienza e stabilità, oltre che affidabilità nella determinazione dei parametri di legame alla HSA. Questa colonna è stata utilizzata per la determinazione della percentuale di legame alla HSA di una serie di poliamminochinoni sviluppati nell’ambito di una ricerca sulla malattia di Alzheimer. Tutti i composti hanno mostrato una percentuale di legame superiore al 95%. Inoltre, è stata osservata una correlazione tra percentuale di legame è caratteristiche della catena laterale (lunghezza e numero di gruppi amminici). Successivamente sono stati effettuati studi di competizione dei composti in esame tramite il dicroismo circolare in cui è stato evidenziato un effetto anticooperativo dei poliamminochinoni ai siti I e II, mentre rispetto al sito della bilirubina il legame si è dimostrato indipendente. Le conoscenze acquisite con il supporto monolitico precedentemente descritto, sono state applicate a una colonna di silice epossidica più corta (10 x 4.6 mm). Il metodo di determinazione della percentuale di legame utilizzato negli studi precedenti si basa su dati ottenuti con più esperimenti, quindi è necessario molto tempo prima di ottenere il dato finale. L’uso di una colonna più corta permette di ridurre i tempi di ritenzione degli analiti, per cui la determinazione della percentuale di legame alla HSA diventa molto più rapida. Si passa quindi da una analisi a medio rendimento a una analisi di screening ad alto rendimento (highthroughput- screening, HTS). Inoltre, la riduzione dei tempi di analisi, permette di evitare l’uso di soventi organici nella fase mobile. Dopo aver caratterizzato la colonna da 10 mm con lo stesso metodo precedentemente descritto per le altre colonne, sono stati iniettati una serie di standard variando il flusso della fase mobile, per valutare la possibilità di utilizzare flussi elevati. La colonna è stata quindi impiegata per stimare la percentuale di legame di una serie di molecole con differenti caratteristiche chimiche. Successivamente è stata valutata la possibilità di utilizzare una colonna così corta, anche per studi di competizione, ed è stata indagato il legame di una serie di composti al sito I. Infine è stata effettuata una valutazione della stabilità della colonna in seguito ad un uso estensivo. L’uso di supporti cromatografici funzionalizzati con albumine di diversa origine (ratto, cane, guinea pig, hamster, topo, coniglio), può essere proposto come applicazione futura di queste colonne HTS. Infatti, la possibilità di ottenere informazioni del legame dei farmaci in via di sviluppo alle diverse albumine, permetterebbe un migliore paragone tra i dati ottenuti tramite esperimenti in vitro e i dati ottenuti con esperimenti sull’animale, facilitando la successiva estrapolazione all’uomo, con la velocità di un metodo HTS. Inoltre, verrebbe ridotto anche il numero di animali utilizzati nelle sperimentazioni. Alcuni lavori presenti in letteratura dimostrano l’affidabilita di colonne funzionalizzate con albumine di diversa origine [11-13]: l’utilizzo di colonne più corte potrebbe aumentarne le applicazioni.

Caratterizzazione di membrane metalliche e ionomeriche per applicazioni energetiche

The work of this thesis has been focused on the characterization of metallic membranes for the hydrogen purification from steam reforming process and also of perfluorosulphonic acid ionomeric (PFSI) membranes suitable as electrolytes in fuel cell applications. The experimental study of metallic membranes was divided in three sections: synthesis of palladium and silver palladium coatings on porous ceramic support via electroless deposition (ELD), solubility and diffusivity analysis of hydrogen in palladium based alloys (temperature range between 200 and 400 °C up to 12 bar of pressure) and permeation experiments of pure hydrogen and mixtures containing, besides hydrogen, also nitrogen and methane at high temperatures (up to 600 °C) and pressures (up to 10 bar). Sequential deposition of palladium and silver on to porous alumina tubes by ELD technique was carried out using two different procedures: a stirred batch and a continuous flux method. Pure palladium as well as Pd-Ag membranes were produced: the Pd-Ag membranes’ composition is calculated to be close to 77% Pd and 23% Ag by weight which was the target value that correspond to the best performance of the palladium-based alloys. One of the membranes produced showed an infinite selectivity through hydrogen and relatively high permeability value and is suitable for the potential use as a hydrogen separator. The hydrogen sorption in silver palladium alloys was carried out in a gravimetric system on films produced by ELD technique. In the temperature range inspected, up to 400°C, there is still a lack in literature. The experimental data were analyzed with rigorous equations allowing to calculate the enthalpy and entropy values of the Sieverts’ constant; the results were in very good agreement with the extrapolation made with literature data obtained a lower temperature (up to 150 °C). The information obtained in this study would be directly usable in the modeling of hydrogen permeation in Pd-based systems. Pure and mixed gas permeation tests were performed on Pd-based hydrogen selective membranes at operative conditions close to steam-reforming ones. Two membranes (one produced in this work and another produced by NGK Insulators Japan) showed a virtually infinite selectivity and good permeability. Mixture data revealed the existence of non negligible resistances to hydrogen transport in the gas phase. Even if the decrease of the driving force due to polarization concentration phenomena occurs, in principle, in all membrane-based separation systems endowed with high perm-selectivity, an extensive experimental analysis lack, at the moment, in the palladium-based membrane process in literature. Moreover a new procedure has been introduced for the proper comparison of the mass transport resistance in the gas phase and in the membrane. Another object of study was the water vapor sorption and permeation in PFSI membranes with short and long side chains was also studied; moreover the permeation of gases (i.e. He, N2 and O2) in dry and humid conditions was considered. The water vapor sorption showed strong interactions between the hydrophilic groups and the water as revealed from the hysteresis in the sorption-desorption isotherms and thermo gravimetric analysis. The data obtained were used in the modeling of water vapor permeation, that was described as diffusion-reaction of water molecules, and in the humid gases permeation experiments. In the dry gas experiments the permeability and diffusivity was found to increase with temperature and with the equivalent weight (EW) of the membrane. A linear correlation was drawn between the dry gas permeability and the opposite of the equivalent weight of PFSI membranes, based on which the permeability of pure PTFE is retrieved in the limit of high EW. In the other hand O2 ,N2 and He permeability values was found to increase significantly, and in a similar fashion, with water activity. A model that considers the PFSI membrane as a composite matrix with a hydrophilic and a hydrophobic phase was considered allowing to estimate the variation of gas permeability with relative humidity on the basis of the permeability in the dry PFSI membrane and in pure liquid water.

Trees: radiocarbon and dendrochronology - together for the Resolution project

The year 14,226 BP marks an important border in the actual radiocarbon (14C) calibration curve: the high resolution and precision characterising the first part (0 – 14,226 BP) of the curve are due to the potential represented by tree-ring datasets, which directly provide the atmospheric 14C content at the time of tree-rings formation with high resolution. They systematically decrease going back in time, where only a few floating tree-ring chronologies alternate to other low-resolution records. The lack of resolution in the dating procedure before 14,226 years BP leads to significant issues in the interpretation and untangling of tricky facts of our past, in the field of Human Evolution. Research on sub-fossil trees and the construction of new Glacial tree-ring chronologies can significantly improve the radiocarbon dating in terms of temporal resolution and precision until 55,000 years BP to clear puzzles in the Human Evolution history. In this thesis, the dendrochronological study, the radiocarbon dating and the extrapolation of environmental and climate information from sub-fossil trees found on the Portugal foreshore, remnants of a Glacial lagoonal forest, are presented. The careful sampling, the dendrochronological measurements and cross-dating, the application of the most suitable cellulose extraction protocol and the most advanced technologies of the MICADAS system at ETH-Zurich, led to the construction of a new 220-years long tree-ring site chronology and to high resolution, highly reliable and with a tight error range radiocarbon ages. At the moment, it results impossible to absolutely date this radiocarbon sequence by the comparison of Δ14C of the trees and 10 Be fluctuations from the ice-cores. For this reason, tree growth analysis, comparisons with a living pine stand and forest-fires history reconstruction have made it possible to hypothesize site and climate characteristics useful to constrain the positioning in time of the obtained radiocarbon sequence.

Excitonic properties of transition metal oxide perovskites and workflow automatization of GW schemes

The Many-Body-Perturbation Theory approach is among the most successful theoretical frameworks for the study of excited state properties. It allows to describe the excitonic interactions, which play a fundamental role in the optical response of insulators and semiconductors. The first part of the thesis focuses on the study of the quasiparticle, optical and excitonic properties of \textit{bulk} Transition Metal Oxide (TMO) perovskites using a G$_0$W$_0$+Bethe Salpeter Equation (BSE) approach. A representative set of 14 compounds has been selected, including 3d, 4d and 5d perovskites. An approximation of the BSE scheme, based on an analytic diagonal expression for the inverse dielectric function, is used to compute the exciton binding energies and is carefully bench-marked against the standard BSE results. In 2019 an important breakthrough has been achieved with the synthesis of ultrathin SrTiO3 films down to the monolayer limit. This allows us to explore how the quasiparticle and optical properties of SrTiO3 evolve from the bulk to the two-dimensional limit. The electronic structure is computed with G0W0 approach: we prove that the inclusion of the off-diagonal self-energy terms is required to avoid non-physical band dispersions. The excitonic properties are investigated beyond the optical limit at finite momenta. Lastly a study of the under pressure optical response of the topological nodal line semimetal ZrSiS is presented, in conjunction with the experimental results from the group of Prof. Dr. Kuntscher of the Augsburg University. The second part of the thesis discusses the implementation of a workflow to automate G$_0$W$_0$ and BSE calculations with the VASP software. The workflow adopts a convergence scheme based on an explicit basis-extrapolation approach [J. Klimeš \textit{et al.}, Phys. Rev.B 90, 075125 (2014)] which allows to reduce the number of intermediate calculations required to reach convergence and to explicit estimate the error associated to the basis-set truncation.

Data-driven multivariate flood hazard modeling

The present Dissertation shows how recent statistical analysis tools and open datasets can be exploited to improve modelling accuracy in two distinct yet interconnected domains of flood hazard (FH) assessment. In the first Part, unsupervised artificial neural networks are employed as regional models for sub-daily rainfall extremes. The models aim to learn a robust relation to estimate locally the parameters of Gumbel distributions of extreme rainfall depths for any sub-daily duration (1-24h). The predictions depend on twenty morphoclimatic descriptors. A large study area in north-central Italy is adopted, where 2238 annual maximum series are available. Validation is performed over an independent set of 100 gauges. Our results show that multivariate ANNs may remarkably improve the estimation of percentiles relative to the benchmark approach from the literature, where Gumbel parameters depend on mean annual precipitation. Finally, we show that the very nature of the proposed ANN models makes them suitable for interpolating predicted sub-daily rainfall quantiles across space and time-aggregation intervals. In the second Part, decision trees are used to combine a selected blend of input geomorphic descriptors for predicting FH. Relative to existing DEM-based approaches, this method is innovative, as it relies on the combination of three characteristics: (1) simple multivariate models, (2) a set of exclusively DEM-based descriptors as input, and (3) an existing FH map as reference information. First, the methods are applied to northern Italy, represented with the MERIT DEM (∼90m resolution), and second, to the whole of Italy, represented with the EU-DEM (25m resolution). The results show that multivariate approaches may (a) significantly enhance flood-prone areas delineation relative to a selected univariate one, (b) provide accurate predictions of expected inundation depths, (c) produce encouraging results in extrapolation, (d) complete the information of imperfect reference maps, and (e) conveniently convert binary maps into continuous representation of FH.

Decoding complex flow phenomena via Dynamic Mode Decomposition

In this thesis, the viability of the Dynamic Mode Decomposition (DMD) as a technique to analyze and model complex dynamic real-world systems is presented. This method derives, directly from data, computationally efficient reduced-order models (ROMs) which can replace too onerous or unavailable high-fidelity physics-based models. Optimizations and extensions to the standard implementation of the methodology are proposed, investigating diverse case studies related to the decoding of complex flow phenomena. The flexibility of this data-driven technique allows its application to high-fidelity fluid dynamics simulations, as well as time series of real systems observations. The resulting ROMs are tested against two tasks: (i) reduction of the storage requirements of high-fidelity simulations or observations; (ii) interpolation and extrapolation of missing data. The capabilities of DMD can also be exploited to alleviate the cost of onerous studies that require many simulations, such as uncertainty quantification analysis, especially when dealing with complex high-dimensional systems. In this context, a novel approach to address parameter variability issues when modeling systems with space and time-variant response is proposed. Specifically, DMD is merged with another model-reduction technique, namely the Polynomial Chaos Expansion, for uncertainty quantification purposes. Useful guidelines for DMD deployment result from the study, together with the demonstration of its potential to ease diagnosis and scenario analysis when complex flow processes are involved.