Grafene: proprietà, sintesi e trasferimento con il ciclododecano

Il grafene è un cristallo bidimensionale di atomi di carbonio, isolato per la prima volta nel 2004 da due fisici che per questo risultato vinsero il premio Nobel per la Fisica nel 2010. Il grafene possiede proprietà chimiche e fisiche superiori, quali un’elevata resistenza chimica e meccanica e un’eccellente conducibilità termica ed elettrica. Inoltre possiede altre due caratteristiche che lo rendono particolarmente promettente in diversi ambiti applicativi: leggerezza e trasparenza ottica. In questo elaborato ho descritto le attività svolte seguendo le ricerche che vengono svolte al CNR-IMM di Bologna, dove questo materiale viene prodotto tramite la tecnica di Chemical Vapor Deposition e studiato per l’integrazione in dispositivi elettronici ed elettro-meccanici innovativi. Durante la mia esperienza di laboratorio all’IMM ho seguito i procedimenti che portano al trasferimento del grafene sintetizzato su substrati catalitici di rame sui substrati finali per la successiva integrazione nella tecnologia del silicio. Nell’elaborato vengono da prima descritte la struttura cristallina ed elettronica e successivamente presentate alcune proprietà di cui gode e messe in relazione con i materiali attualmente in uso. Segue una breve trattazione bibliografica di alcune delle principali tecniche di produzione del grafene, trattando più nel dettaglio la tecnica CVD attualmente in uso per la sintesi di grafene all’interno dei laboratori del CNR-IMM di Bologna. La parte principale di questa esperienza di laboratorio è stato di seguire in prima persona le attuali ricerche del gruppo di lavoro per la messa a punto di un metodo alternativo che utilizza il ciclododecano per il trasferimento del grafene sintetizzato su rame al posto del classico strato sacrificale polimerico di PMMA. Nell’elaborato il confronto tra le due tecniche viene eseguito confrontando i risultati del trasferimento analizzando la morfologia dei campioni finali con tecniche di microscopia elettronica in scansione

Fabrication of high-k dielectric thin films for spintronics

Lo scopo di questa tesi è la fabbricazione di ossidi complessi aventi struttura perovskitica, per mezzo della tecnica Channel Spark Ablation (CSA). Più precisamente sono stati depositati film sottili di manganite (LSMO), SrTiO3 (STO) e NdGaO3 (NGO). Inoltre nel laboratorio ospite è stata effettuata la caratterizzazione elettrica e dielettrica (spettroscopia di impedenza), mentre per l'analisi strutturale e chimica ci si è avvalsi di collaborazioni. Sono stati fabbricati dispositivi LSMO/STO/Co e se ne è studiato il comportamento magnetoresistivo e la bistabilità elettrica a seconda del carattere epitassiale od amorfo dell'STO. I risultati più promettenti sono stati ottenuti con STO amorfo. Sono stati costruiti diversi set di condensatori nella configurazione Metallo/Isolante/Semiconduttore (MIS), con M=Au, I=STO o NGO ed S=Nb:STO, allo scopo di indagare la dipendenza delle proprietà dielettriche ed isolanti dai parametri di crescita. In particolare ci si è concentrati sulla temperatura di deposizione e, nel caso dei film di STO, anche sulla dipendenza della costante dielettrica dallo spessore del film. Come ci si aspettava, la costante dielettrica relativa dei film di STO (65 per un film spesso 40 nm e 175 per uno di 170 nm) si è rivelata maggiore di quella dei film di NGO per i quali abbiamo ottenuto un valore di 20, che coincide con il valore del bulk. Nonostante l'elevata capacità per unità di area ottenibile con l'STO, la costante dielettrica di questo materiale risulta fortemente dipendente dallo spessore del film. Un ulteriore aspetto critico relativo all'STO è dato dal livello di ossidazione del film: le vacanze di ossigeno, infatti, possono ridurre la resistività dell'STO (nominalmente molto elevata), ed aumentarne la corrente di perdita. Al contrario l'NGO è meno sensibile ai processi tecnologici e, allo stesso tempo, ha un valore di costante dielettrica più alto rispetto ad un tipico dielettrico come l'ossido di silicio.

Ingegnerizzazione di materiali nanostrutturati fotocataliticamente attivi

Il lavoro oggetto di questa tesi è rivolto alla sintesi e alla caratterizzazione di materiali nanostrutturati costituiti da biossido di titanio e ossido di silicio da utilizzare come fotocatalizzatori per la depurazione delle acque. L’obiettivo è stato quello di realizzare un sistema in fase solida costituito da una matrice inerte, la silice, e una fase fotocataliticamente attiva, la nano-TiO2. Tale sistema si inserisce perfettamente nel settore di ricerca che studia la sintesi colloidale di eterostrutture nano e micro cristalline che combinano materiali diversi in un’unica particella. Il progetto nasce all’interno dell’ISTEC-CNR di Faenza, dove è stato svolto il lavoro.

Analisi e simulazione di un ciclo Rankine organico per il recupero di energia a bassa entalpia.

Questo lavoro è incentrato sull'analisi e la simulazione di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC) per la produzione di energia da calore a bassa entalpia. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l'università di Gent, in Belgio, in particolare grazie al Prof. De Peape e all' Ing. Steven Lecompte; il lavoro in Italia è stato coordinato dal Prof. De Pascale. L'obiettivo principale della tesi è stata la creazione un modello computazionale in grado di descrivere le prestazioni dell'impianto a carico parziale. Ogni elemento dell'impianto è stato analizzato e modellizzato secondo un approccio di simulazione originale in Matlab. I componenti ottenuti sono stati poi combinati a formare la simulazione dell'intero sistema; questa è in grado di prevedere la potenza prodotta ed il rendimento del ciclo al variare delle condizioni esterne. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati poi confrontati con i dati sperimentali raccolti sull'impianto di prova dell'Università. Questo confronto dimostra un buon accordo dei risultati previsti con quelli misurati. L'errore relativo massimo ottenuto per la potenza elettrica è sotto il 7%, così come quello sul rendimento; Gli errori relativi a pressione ed entalpie sono in genere sotto il 5%. Il modello può perciò dirsi validato e rappresenta un valido strumento di analisi per comprendere la risposta ai carichi parziali anche al di fuori del range di calibrazione. Il modello è stato infine utilizzato per costruire delle mappe del carico parziale e analizzare l'influenza delle variabili del ciclo. Ulteriori applicazioni delle mappe prodotte sono proposte a fine del lavoro.

Investigation of dangling bonds in al2o3 passivated si surface using electron paramagnetic resonance (epr)

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati sottili film di ossido di alluminio, Al2O3, (di spessore compreso tra 3-30 nm) su un substrato di FZ-Si drogato p. La deposizione è avvenuta mediante plasma ALD (Atomic Layer Depostion). La tecnica spettroscopica EPR (Electron Paramagnetic Resonance) è stata utilizzata per studiare l’interfaccia Si/Al2O3 con lo scopo di scoprire l’origine della formazione di densità di carica negativa Qf all’interfaccia: tale carica negativa induce una passivazione per effetto di campo ed è quindi la ragione per cui il dielettrico Al2O3 risulta essere un ottimo materiale passivante. Si è deciso di variare alcuni parametri, come lo spessore dello strato di Al2O3, lo spessore dello strato intermedio di ossido di silicio, depositato mediante ossidazione termica (dry thermal oxidation), e la superficie del substrato di silicio. Sono stati realizzati cinque differenti gruppi di campioni: per ciascuno di essi sono state impiegate varie tecniche di caratterizzazione, come la QSSPC (Quasi Steady State Photoconuctance) e la tecnica di spettroscopia ottica SE (spettroscopic ellipsometry). Per ogni gruppo sono stati riportati gli spettri EPR ottenuti ed i rispettivi fit, da cui è stato possibile risalire ai fattori giromagnetici di spin g, riportati in tabelle con le loro possibili attribuzioni. E’ stato dimostrato che la presenza di uno strato di ossido di silicio tra il substrato di silicio e lo strato di ossido di alluminio risulta essere fondamentale per la formazione di densità di carica negativa all’interfaccia: aumentando lo spessore dello strato di SiOx (nel range 1-30 nm) si assiste ad una diminuzione di carica negativa Qf. Analizzando gli spettri EPR, è stato possibile concludere che all’interfaccia Si/Al2O3 sono presenti difetti caratteristici dell’interfaccia Si/SiOx. Le nostre osservazioni, dunque, sono coerenti con la formazione di uno strato di ossido di silicio tra Si e Al2O3.

Viti riassorbibili in acido polilattico per chirurgia del piede: Analisi critica delle proprietà meccaniche e tecnologiche, studio dell'esperienza clinica, e caratterizzazione chimica e meccanica

Recentemente, l'uso di polimeri a base di acido polilattico (PLA) ha subito un fortissimo incremento, soprattutto per la produzione di dispositivi atti alla fissazione di fratture e osteotomie. Lo scopo della prima parte del mio lavoro di tesi, è stato quello di redigere un documento che contenesse informazioni sulle caratteristiche dell'acido poli-L-lattico (PLLA) e del polimero P(L-DL)LA70:30 (70% di PLLA + 30% di PDLLA), entrambi molto diffusi nelle applicazioni biomediche. A tale scopo, è stata fatta un'analisi dello stato dell'arte sulle proprietà chimico-fisiche, tecnologiche (produzione e sterilizzazione) e sui principali meccanismi di degradazione. La seconda parte, invece, è stata dedicata alla stesura di una review sull'evoluzione della biocompatibilità del PLLA utilizzato in ambito ortopedico. A tale scopo, data la grande quantità di studi presenti in letteratura (in vitro, in vivo, trial clinici), non è stato necessario eseguire nessun test per validarne la biocompatibilità. Tuttavia, nonostante trovino già largo impiego nella chirurgia ortopedica, i polimeri in PLA continuano ad essere oggetto di studio, con l'obiettivo di comprenderne al meglio il comportamento e realizzare dispositivi sempre più sicuri ed efficaci per la salute del paziente. E' proprio in questo ambito di ricerca che si inserisce l'attività sperimentale svolta presso lo stabilimento Lima Corporate di Villanova di San Daniele del Friuli (UD). In particolare, l'ultima parte del lavoro di tesi, è stata dedicata alla valutazione degli effetti che il processo di sterilizzazione ad Ossido di Etilene (EtO), genera sulle proprietà chimico-fisiche e meccaniche della vite CALCANEO-STOP in PLLA, stampata ad iniezione e realizzata da Hit Medica (del gruppo Lima Corporate) nello stabilimento di San Marino (RSM). Per la caratterizzazione chimico-fisica del materiale sono state condotte prove di: densitometria, calorimetria a scansione differenziale (DSC), spettrometria FT-IR e viscosimetria. Per la caratterizzazione meccanica dei dispositivi, sono state condotte delle prove a torsione statica.

Novel transparent and flexible transistors for radiation harsh environment

La scoperta dei semiconduttori amorfi ha segnato l’era della microelettronica su larga scala rendendo possibile il loro impiego nelle celle solari o nei display a matrice attiva. Infatti, mentre i semiconduttori a cristalli singoli non sono consoni a questo tipo di applicazioni e i s. policristallini presentano il problema dei bordi di grano, i film amorfi possono essere creati su larga scala (>1 m^2) a basse temperature (ad es. <400 °C) ottenendo performance soddisfacenti sia su substrati rigidi che flessibili. Di recente la ricerca sta compiendo un grande sforzo per estendere l’utilizzo di questa nuova elettronica flessibile e su larga scala ad ambienti soggetti a radiazioni ionizzanti, come lo sono i detector di radiazioni o l’elettronica usata in applicazioni spaziali (satelliti). A questa ricerca volge anche la mia tesi, che si confronta con la fabbricazione e la caratterizzazione di transistor a film sottili basati su ossidi semiconduttori ad alta mobilità e lo studio della loro resistenza ai raggi X. La micro-fabbricazione, ottimizzazione e caratterizzazione dei dispositivi è stata realizzata nei laboratori CENIMAT e CEMOP dell’Università Nova di Lisbona durante quattro mesi di permanenza. Tutti i dispositivi sono stati creati con un canale n di ossido di Indio-Gallio-Zinco (IGZO). Durante questo periodo è stato realizzato un dispositivo dalle ottime performance e con interessanti caratteristiche, una delle quali è la non variazione del comportamento capacitivo in funzione della frequenza e la formidabile resistenza alle radiazioni. Questo dispositivo presenta 114 nm di dielettrico, realizzato con sette strati alternati di SiO2/ Ta2O5. L’attività di ricerca svolta al Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna riguarda prevalentemente lo studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti su TFTs. Gli esperimenti hanno rivelato che i dispositivi godono di una buona stabilità anche se soggetti alle radiazioni. Infatti hanno mostrato performance pressoché inalterate anche dopo un’esposizione a 1 kGy di dose cumulativa di raggi X mantenendo circa costanti parametri fondamentali come la mobilità, il threshold voltage e la sub-threshold slope. Inoltre gli effetti dei raggi X sui dispositivi, così come parametri fondamentali quali la mobilità, si sono rivelati essere notevolmente influenzati dallo spessore del dielettrico.

Toxicity assessment of industrial- and sunscreen-derived ZnO nanoparticles

Lo scopo della presente tesi è l’analisi della tossicità di nanoparticelle di ossido di zinco (nano-ZnO) verso gli organismi acquatici. In particolare, il presente studio valuta per la prima volta l'inibizione della crescita della diatomea Thalassiosira pseudonana indotta sia da nanoparticelle di dervazione industriale, che da nanoparticelle auto-estratte in laboratorio da un filtro solare. Gli esperimenti, condotti presso il Laboratorio di Ingegneria dell'Università di Miami, hanno mostrato che la tossicità indotta dalle nanoparticelle di ossido di zinco è influenzata dal tipo di nanoparticelle, nonché dalla loro concentrazione nella soluzione acquosa e dal tempo di esposizione. In particolare le nanoparticelle di derivazione industriale, più piccole rispetto alle nanoparticelle estratte dal filtro solare, hanno indotto un’inibizione della crescita superiore, specialmente a concentrazioni inferiori. Questo andamento suggerisce che ad alte concentrazioni la tossicità di nano-ZnO potrebbe essere influenzata dall’aggregazione di nanoparticelle (indipendentemente dalle dimensioni di partenza delle nanoparticelle), mentre a concentrazioni inferiori la tossicità potrebbe essere influenzata dalle dimensioni di partenza delle nanoparticelle, così come dal tipo di nanoparticelle e dal tempo di esposizione.

Analisi di pH, ORP e DO finalizzata all'utilizzo di segnali indiretti per il monitoraggio e il controllo automatico di impianti di depurazione a fanghi attivi

Con il presente lavoro di tesi si è studiata la possibilità di estrarre informazioni sugli andamenti dei processi biologici dall’osservazione dei segnali di pH, potenziale di ossido riduzione (ORP) e ossigeno disciolto (DO) nelle vasche di processo di un impianto a fanghi attivi a flusso continuo (predenitro/nitro) per verificare la possibilità di utilizzare questo tipo di sonde per lo sviluppo di sistemi per il controllo automatico e la gestione intelligente, eventualmente remota, degli impianti di depurazione. Il lavoro di sperimentazione è stato svolto su un impianto pilota a flusso continuo con schema predenitro – nitro, costruito ed installato presso i laboratori della sede Enea di Bologna (Sezione ACS PROT IDR - Gestione Risorse Idriche). L’obiettivo primario della sperimentazione è stato quello di portare il sistema in uno stato stazionario di equilibrio, così da poter stabilire delle condizioni di funzionamento note e costanti, riscontrabili anche nei segnali di riferimento. Tali condizioni sono state definite prendendo come riferimento un impianto reale noto, funzionante in condizioni di processo costanti e medie, definendo contestualmente test sperimentali che riproducessero condizioni riscontrabili sullo stesso impianto reale. Le condizioni del sistema sono state monitorate costantemente, attraverso il monitoraggio giornaliero dei processi, effettuato con attività di campionamento e di analisi, osservando costantemente i segnali indiretti.

Sintesi e caratterizzazione di La0.4Sr0.4TiO3 (LST) come anodo innovativo per celle a combustibile ad ossido solido (SOFC)

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono reattori elettrochimici che convertono l’energia chimica di un gas combustibile direttamente in energia elettrica con un’alta efficienza e con basse emissioni. Il materiale più comunemente usato come anodo, il Ni/YSZ cermet, mostra però numerosi svantaggi nell’applicazione quali la suscettibilità all’avvelenamento da zolfo e la deposizione di coke per cracking degli idrocarburi usati come combustibile. E’ perciò necessario sviluppare materiali alternativi che sopperiscano a questi problemi. Il titanato di stronzio drogato con lantanio con stechiometria La0.4Sr0.4TiO3 (LST) è stato scelto come anodo alternativo per le ottime proprietà possedute. Lo scopo del lavoro di tesi è stato quindi lo studio dell’influenza della natura dei precursori, delle condizioni di sintesi e dell’aggiunta di agenti porizzanti necessari per l’ottenimento della fase perovskitica pura e con porosità controllata. In un primo tempo è stata verificata la possibilità di ottenere la fase La0.4Sr0.4TiO3 pura mediante sintesi allo stato solido, trattando termicamente miscele di precursori diversi. I risultati ottenuti hanno evidenziato che l’utilizzo di nitrati metallici porta a risultati migliori rispetto all’utilizzo di carbonati ed ossidi poiché permette la formazione della fase perovskite a temperature inferiori e con una purezza maggiore. Poiché l’analisi elementare sui materiali preparati in questa prima fase ha evidenziato un problema sulla stechiometria, il metodo di sintesi è stato ottimizzato solubilizzando preventivamente i precursori di lantanio e stronzio e determinandone il titolo mediante ICP. Inoltre, sono state effettuate delle sintesi utilizzando TiO2 a diversa area superficiale, per verificare l’effetto sulle fasi formate di una maggior reattività di questo componente. Per completezza la perovskite è stata sintetizzata anche tramite sintesi sol-gel, utilizzando il metodo Pechini, ottenendo a 700°C la fase pura. L’analisi morfologica ha evidenziato che le polveri con caratteristiche migliori per la formatura sono quelle ottenute tramite sintesi allo stato solido. Le pastiglie prodotte, miscelando tali polveri e agenti porizzanti opportuni, hanno evidenziato la stabilità della fase perovskitica voluta ma anche la necessità di ottimizzare l’aggiunta del porizzante per avere una porosità adeguata all’applicazione del sistema quale anodo SOFC.

Studio modellistico del consumo di ossigeno durante l'esercizio fisico

Al fine di studiare la richiesta di energia imposta dall’esercizio per mantenere l’omeostasi dell’adenosina trifosfato o ATP a livello cellulare, è stato sviluppato e applicato con successo un modello matematico del sistema biologico, che descrive l’interazione tra il trasporto di ossigeno (per convezione e diffusione) e i meccanismi del metabolismo energetico cellulare, che avvengono nel muscolo scheletrico durante l’esercizio.

Studi preliminari per la realizzazione di una cella a biocombustibile alimentata a NADH e ossigeno

Scopo del presente lavoro di ricerca è lo sviluppo in vitro di un processo elettrochimico che mimi la fosforilazione ossidativa, interfacciato ad una cella a biocombustibile, nell’ottica di sostituire il procedimento artificiale a quello naturale. Ciò permetterebbe di veicolare gli elettroni generati dal metabolismo cellulare su un circuito esterno, sfruttandoli come fonte di energia elettrica. In particolare si è studiato ed ottimizzato il meccanismo di ossidazione del NADH, accoppiato alla reazione di riduzione dell’ossigeno. L’enzima utilizzato per la realizzazione di tale dispositivo è la Diaforasi; questo, ossidando il NADH nel comparto anodico, immette elettroni nel circuito esterno attraverso un mediatore redox, capace di veicolarli fino alla superficie dell’elettrodo. Da qui gli elettroni giungono al compartimento catodico dove riducono l’ossidante disciolto in soluzione.

Fermioni di Dirac nel grafene

In questo lavoro si affronta l'argomento dei fermioni di Dirac nel grafene, si procederà compiendo nel primo capitolo un'analisi alla struttura reticolare del materiale per poi ricostruirne, sfruttando l'approssimazione di tigth-binding, le funzioni d'onda delle particelle che vivono negli orbitali del carbonio sistemate nella struttura reticolare e ricavarne grazie al passaggio in seconda quantizzazione l'Hamiltoniana. Nel secondo capitolo si ricavano brevemente le equazioni di Dirac e dopo una piccola nota storica si discutono le equazioni di Weyl arrivando all'Hamiltoniana dei fermioni a massa nulla mostrando la palese uguaglianza alla relazione di dispersione delle particelle del grafene. Nel terzo capitolo si commentano le evidenze sperimentali ottenute dalla ASPEC in cui si manifesta per le basse energie uno spettro lineare, dando così conferma alla teoria esposta nei capitoli precedenti.