Study of high-quality ALD gate dielectrics in radiation sensitive oxide field effect transistors

Radiation dosimetry is crucial in many fields, where the exposure of ionizing radiation must be precisely controlled to avoid health and environmental safety issues. Radiotherapy and radioprotection are two examples in which fast and reliable detectors are needed. Compact and large area wearable detectors are being developed to address real-life radiation dosimetry applications, their ideal properties include flexibility, lightness, and low-cost. This thesis contributed to the development of Radiation sensitive OXide Field Effect Transistors (ROXFETs), which are detectors able to provide fast and real-time radiation read out. ROXFETs are based on thin film transistors fabricated with high-mobility amorphous oxide semiconductor, making them compatible with large area, flexible, and low cost production over plastic substrates. The gate dielectric material has high dielectric constant and high atomic number, which results in high performances and high radiation sensitivity, respectively. The aim of this work was to establish a stable and reliable fabrication process for ROXFETs made with atomic layer deposited gate dielectric. A study on the effect of gate dielectric materials was performed, focusing the attention on the properties of the dielectric-semiconductor interface. Single and multi layer dielectric structures were compared during this work. Furthermore, the effect of annealing temperature was studied. The device performances were tested to understand the underlying physical processes. In this way, it was possible to determine a reliable fabrication procedure and an optimal structure for ROXFETs. An outstanding sensitivity of (65±3)V/Gy was measured in detectors with a bi-layer Ta₂O₅-Al₂O₃ gate dielectric with low temperature annealing performed at 180°C.

Development of wearable electrochemical sensors for the determination of biological analytes

Wearable biosensors are attracting interest due to their potential to provide continuous, real-time physiological information via dynamic, non-invasive measurements of biochemical markers in biofluids, such as interstitial fluid (ISF). One notable example of their applications is for glycemic monitoring in diabetic patients, which is typically carried out either by direct measurement of blood glucose via finger pricking or by wearable sensors that can continuously monitor glucose in ISF by sampling it from below the skin with a microneedle. In this context, the development of a new and minimally invasive multisensing tattoo-based platform for the monitoring of glucose and other analytes in ISF extracted through reverse iontophoresis in proposed by the GLUCOMFORT project. This elaborate describes the in-vitro development of flexible electrochemical sensors based on inkjet-printed PEDOT:PSS and metal inks that are capable of determining glucose and chloride at biologically relevant concentrations, making them good candidates for application in the GLUCOMFORT platform. In order to make PEDOT:PSS sensitive to glucose at micromolar concentrations, a biocompatible functionalization based on immobilized glucose oxidase and electrodeposited platinum was developed. This functionalization was successfully applied to bulk and flexible amperometric devices, the design of which was also optimized. Using the same strategy, flexible organic electrochemical transistors (OECTs) for glucose sensing were also made and successfully tested. For the sensing of chloride ions, an organic charge-modulated field-effect transistor (OCMFET) featuring a silver/silver chloride modified floating gate electrode was developed and tested.

Electrical spectroscopy of rubrene bulk and thin film crystals

One of the most diffused electronic device is the field effect transistor (FET), contained in number of billions in each electronic device. Organic optoelectronics is an emerging field that exploits the unique properties of conjugated organic materials to develop new applications that require a combination of performance, low cost and processability. Organic single crystals are the material with best performances and purity among the variety of different form of organic semiconductors. This thesis is focused on electrical and optical characterization of Rubrene single crystal bulk and thin films. Rubrene bulk is well known but for the first time we studied thin films. The first Current-voltage characterization has been performed for the first time on three Rubrene thin films with three different thickness to extract the charge carriers mobility and to assess its crystalline structure. As results we see that mobility increase with thickness. Field effect transistor based on Rubrene thin films on $SiO_2$ have been characterize by current-voltage (I-V) analyses (at several temperatures) and reveals a hopping conduction. Hopping behavior probably is due to the lattice mismatch with the substrate or intrinsic defectivity of the thin films. To understand effects of contact resistance we tested thin films with the Transmission Line Method (TLM) method. The TLM method revealeds that contact resistance is negligible but evidenced a Schottky behavior in a limited but well determined range of T. To avoid this effect we carried out annealing treatment after the electrode evaporation iswe performed a compete I-V characterization as a function of in temperature to extract the electronic density of states (DOS) distribution through the Space Charge Limited Current (SCLC) method. The results show a DOS with an exponential trenddistribution, as expected. The measured mobility of thin films is about 0.1cm^2/Vs and it increases with the film thickness. Further studies are necessary to investigate the reason and improve performances. From photocurrent spectrum we calculated an Eg of about 2.2eV and both thin films and bulk have a good crystal order. Further measurement are necessary to solve some open problems

Trasporto di carica in cristalli organici semiconduttori

Uno dei settori che più si stanno sviluppando nell'ambito della ricerca applicata è senza dubbio quello dell'elettronica organica. Nello specifico lo studio è sospinto dagli indubbi vantaggi che questi dispositivi porterebbero se venissero prodotti su larga scala: basso costo, semplicità realizzativa, leggerezza, flessibilità ed estensione. È da sottolineare che dispositivi basati su materiali organici sono già stati realizzati: si parla di OLED (Organic Light Emitting Diode) LED realizzati sfruttando le proprietà di elettroluminescenza di alcuni materiali organici, OFET (Organig Field Effect Transistor) transistor costruiti con semiconduttori organici, financo celle solari che sfruttano le buone proprietà ottiche di questi composti. Oggetto di analisi di questa tesi è lo studio delle proprietà di trasporto di alcuni cristalli organici, al fine di estrapolarne la mobilità intrinseca e verificare come essa cambi se sottoposti a radiazione x. I due cristalli su cui si è focalizzata questa trattazione sono il 1,5-Dinitronaphtalene e il 2,4-Dinitronaphtol; su di essi è stata eseguita una caratterizzazione ottica e una elettrica, in seguito interpretate con il modello SCLC (Space Charge Limited Current). I risultati ottenuti mostrano che c'è una differenza apprezzabile nella mobilità nei due casi con e senza irraggiamento con raggi x.

Studio di transistor elettrochimici e loro applicazioni

In questa tesi, utilizzando le particolari proprietà del polimero conduttivo poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con polistirene sulfonato , o PEDOT:PSS, sono stati realizzati dei transistor elettrochimici organici (OECTs), in cui il gate e canale source-drain sono stati realizzati depositando su substrato di vetro film sottili di questo polimero. I dispositivi realizzati sono stati caratterizzati, per comprenderne meglio le funzionalità e le proprietà per possibili applicazioni future, in particolare come sensori di glucosio. Il PEDOT:PSS è uno dei materiali più studiati per applicazioni della bioelettronica in virtù della sua grande stabilità chimica e termica, della reversibilità del suo processo di drogaggio, della grande conducibilità e delle sue proprietà elettrochimiche, nonché della sua attività in un vasto range di pH. Vengono trattate nell’elaborato anche le tecniche di deposizione di questo polimero per la creazione di film sottili, necessari per le varie applicazioni nell’ambito della bioelettronica organica, la quale si propone di unire la biologia e l’elettronica in un mutuale scambio di informazioni e segnali. Questa interazione si sta verificando soprattutto nel campo sanitario, come si può evincere dagli esempi riportati nella trattazione. Si conclude la parte teorica con una descrizione degli OECTs: viene spiegata la loro struttura, la capacità di connettere conducibilità ionica ed elettronica e il loro funzionamento, inserendo anche un confronto con i FET (“Field Effect Transistor”), per agevolare la comprensione dei meccanismi presenti in questi strumenti. Per la parte sperimentale si presenta invece una descrizione dettagliata dei procedimenti, degli strumenti e degli accorgimenti usati nel fabbricare i transistor sui quali si è lavorato in laboratorio, riportando anche una piccola esposizione sulle principali misure effettuate: curve caratterische I–V, transcaratteristiche e misure di corrente nel tempo sono le principali acquisizioni fatte per studiare i dispositivi. E’ stata studiata la diversa risposta degli OECTs al variare della concentrazione di PBS in soluzione, mostrando un generale rallentamento dei processi e una diminuzione della capacità di modificare la corrente source-drain al calare della concentrazione. In seguito, è stato effettuato un confronto tra transistor appena fatti e gli stessi analizzati dopo un mese, osservando una riduzione della corrente e quindi della conducibilità, seppur senza una modifica qualitativa delle curve caratteristiche (che mantengono il loro andamento). Per quanto riguarda la possibilità di usare questi dispositivi come sensori di glucosio, si introduce uno studio preliminare sulla risposta di un transistor, il cui gate è stato funzionalizzato con ferrocene, alla presenza di glucosio e glucosio ossidasi, un enzima necessario al trasferimento di elettroni, nella soluzione elettrolitica, seppur con qualche difficoltà, per via della mancanza di informazioni sui parametri da utilizzare e il range in cui compiere le misure (tuttora oggetto di ricerca).

Caratterizzazione di transistor organici a effetto di campo come detector di raggi X

I semiconduttori organici sono alla base dell'elettronica organica, un campo di ricerca che negli ultimi anni ha coinvolto diversi gruppi di lavoro, sia a livello accademico che industriale. Diversi studi hanno portato all'idea di impiegare materiali di questo tipo come detector di raggi X, sfruttando la loro flessibilità meccanica, la facile fabbricazione di dispositivi su larga area e tramite tecniche a basso costo (es. stampa a getto di inchiostro) e le basse tensioni operative. In questa tesi in particolare si utilizzeranno degli OFET (Organic Field-Effect Transistor) a questo scopo, dimostrando la possibilità amplificare la sensibilità alla radiazione X e di pilotare le prestazioni del detector mediante l'applicazione della tensione all'elettrodo di gate. Presenteremo quindi uno studio sperimentale atto a caratterizzare elettricamente dei transistor realizzati con differenti semiconduttori organici, prima, durante e dopo l'esposizione a raggi X, in maniera da stimarne la sensibilità, le proprietà di conduzione intrinseche e la resistenza all'invecchiamento.

Modeling multiple state electrostatically formed nanowire transistors

The present thesis work proposes a new physical equivalent circuit model for a recently proposed semiconductor transistor, a 2-drain MSET (Multiple State Electrostatically Formed Nanowire Transistor). It presents a new software-based experimental setup that has been developed for carrying out numerical simulations on the device and on equivalent circuits. As of 2015, we have already approached the scaling limits of the ubiquitous CMOS technology that has been in the forefront of mainstream technological advancement, so many researchers are exploring different ideas in the realm of electrical devices for logical applications, among them MSET transistors. The idea that underlies MSETs is that a single multiple-terminal device could replace many traditional transistors. In particular a 2-drain MSET is akin to a silicon multiplexer, consisting in a Junction FET with independent gates, but with a split drain, so that a voltage-controlled conductive path can connect either of the drains to the source. The first chapter of this work presents the theory of classical JFETs and its common equivalent circuit models. The physical model and its derivation are presented, the current state of equivalent circuits for the JFET is discussed. A physical model of a JFET with two independent gates has been developed, deriving it from previous results, and is presented at the end of the chapter. A review of the characteristics of MSET device is shown in chapter 2. In this chapter, the proposed physical model and its formulation are presented. A listing for the SPICE model was attached as an appendix at the end of this document. Chapter 3 concerns the results of the numerical simulations on the device. At first the research for a suitable geometry is discussed and then comparisons between results from finite-elements simulations and equivalent circuit runs are made. Where points of challenging divergence were found between the two numerical results, the relevant physical processes are discussed. In the fourth chapter the experimental setup is discussed. The GUI-based environments that allow to explore the four-dimensional solution space and to analyze the physical variables inside the device are described. It is shown how this software project has been structured to overcome technical challenges in structuring multiple simulations in sequence, and to provide for a flexible platform for future research in the field.

Dynamical Casimir effect and the structure of vacuum in quantum field theory

Some of the most interesting phenomena that arise from the developments of the modern physics are surely vacuum fluctuations. They appear in different branches of physics, such as Quantum Field Theory, Cosmology, Condensed Matter Physics, Atomic and Molecular Physics, and also in Mathematical Physics. One of the most important of these vacuum fluctuations, sometimes called "zero-point energy", as well as one of the easiest quantum effect to detect, is the so-called Casimir effect. The purposes of this thesis are: - To propose a simple retarded approach for dynamical Casimir effect, thus a description of this vacuum effect when we have moving boundaries. - To describe the behaviour of the force acting on a boundary, due to its self-interaction with the vacuum.

Effect of Pulsed Electric Field in combination with Vacuum Drying on quality of Thai basil leaves.

Il progetto di questa tesi ha l’obiettivo di analizzare l’effetto dei Campi Elettrici Pulsati (PEF) sulla qualità delle foglie di basilico tailandese, essiccate sottovuoto. Nell’esperimento sono stati utilizzati i Campi Elettrici Pulsati a elettroporazione reversibile, come pretrattamento di essiccazione, e si è visto come questi influenzino la durata del trattamento di essiccazione. Dai risultati si può notare che essi riducono il tempo di processo in campioni sottoposti a 20°C, ma all’aumentare della temperatura tale effetto sembra essere meno significativo, come si può osservare già a 40°C. Una volta che le foglie sono state esposte ai Campi Elettrici Pulsati, vengono lasciate a riposo per 24 ore in un ambiente umido a temperatura ambiente prima di essere essiccate, per raggiungere buoni risultati qualitativi. I campioni, così analizzati, hanno una buona capacità di reidratazione, una bassa conduttività durante il processo di reidratazione e preservano meglio il colore durante l’esperimento, rispetto alle foglie che non sono state sottoposte ai Campi Elettrici Pulsati, né alle successive 24 ore di riposo.

Numerical evaluation of material model and thickness effect on LSP induced residual stresses

Laser Shock Peening (LSP) is a technological process used to improve mechanical properties in metallic components. When a short and intense laser pulse irradiates a metallic surface, high pressure plasma is generated on the treated surface; elasto-plastic waves, then, propagate inside the target and create plastic strain. This surface treatment induces a deep compressive residual stresses field on the treated area and through the thickness; such compressive residual stress is expected to increase the fatigue resistance, and reduce the detrimental effects of corrosion and stress corrosion cracking.