Desenvolvimento de dispositivos eletrônico-orgânicos e sua aplicação como sensores em meio aquoso

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Capacitive DNA detection driven by electronic charge fluctuations in a graphene nanopore

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Multiscale sensing of antibody - antigen interactions by organic transistors and single-molecule force spectroscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Desinfecção fotoeletrocatalítica de águas contaminadas com Candida Parapsilosis utilizando eletrodos de W/WO3 em tratamento fotoeletrocatalítico

Pós-graduação em Química - IQ

Ion-sensing properties of 1D vanadium pentoxide nanostructures

The application of one-dimensional (1D) V2O5 center dot nH(2)O nanostructures as pH sensing material was evaluated. 1D V2O5 center dot nH(2)O nanostructures were obtained by a hydrothermal method with systematic control of morphology forming different nanostructures: nanoribbons, nanowires and nanorods. Deposited onto Au-covered substrates, 1D V2O5 center dot nH(2)O nanostructures were employed as gate material in pH sensors based on separative extended gate FET as an alternative to provide FET isolation from the chemical environment. 1D V2O5 center dot nH(2)O nanostructures showed pH sensitivity around the expected theoretical value. Due to high pH sensing properties, flexibility and low cost, further applications of 1D V2O5 center dot nH(2)O nanostructures comprise enzyme FET-based biosensors using immobilized enzymes.

Light emission and current rectification in a molecular device: Experiment and theory

We have investigated optical and transport properties of the molecular structure 2,3,4,5-tetraphenyl-1-phenylethynyl-cyclopenta-2,4-dienol experimentally and theoretically. The optical spectrum was calculated using Hartree-Fock-intermediate neglect of differential overlap-configuration interaction model. The experimental photoluminescence spectrum showed a peak around 470nm which was very well described by the modeling. Electronic transport measurements showed a diode-like effect with a strong current rectification. A phenomenological microscopic model based on non-equilibrium Green's function technique was proposed and a very good description electronic transport was obtained. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4767457]

Performance of electronic devices submitted to X-rays and high energy proton beams

In this work we have studied the radiation effects on MOSFET electronic devices. The integrated circuits were exposed to 10 key X-ray radiation and 2.6 MeV energy proton beam. We have irradiated MOSFET devices with two different geometries: rectangular-gate transistor and circular-gate transistor. We have observed the cumulative dose provokes shifts on the threshold voltage and increases or decreases the transistor's off-state and leakage current. The position of the trapped charges in modern CMOS technology devices depends on radiation type, dose rate, total dose, applied bias and is a function of device geometry. We concluded the circular-gate transistor is more tolerant to radiation than the rectangular-gate transistor. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Vanadium and Titanium Mixed Oxide Films: Synthesis, Characterization and Application as Ion Sensor

Vanadium/titanium mixed oxide films were produced using the sol-gel route. The structural investigation revealed that increased TiO2 molar ratio in the mixed oxide disturbs the V2O5 crystalline structure and makes it amorphous. This blocks the TiO2 phase transformation, so TiO2 stabilizes in the anatase phase. In addition the surface of the sample always presents larger amounts of TiO2 than expected, revealing a concentration gradient along the growth direction. For increased TiO2 molar ratios the roughness of the surface is reduced. Ion sensors were fabricated using the extended gate field effect transistor configuration. The obtained sensitivities varied in the range of 58 mV/pH down to 15 mV/pH according to the composition and morphology of the surface of the samples. Low TiO2 amounts presented better sensing properties that might be related to the cracked and inhomogeneous surfaces. Rising the TiO2 quantity in the films produces homogeneous surfaces but diminishes their sensitivities. Thus, the present paper reveals that the compositional and structural aspects change the surface morphology and electrical properties accounting for the final ion sensing properties of the V2O5/TiO2 films. (C) 2012 The Electrochemical Society. [DOI: 10.1149/2.053206jes] All rights reserved.

Dendrimers/TiO2 nanoparticles layer-by-layer films as extended gate FET for pH detection

The layer-by-layer (LbL) technique combined with field-effect transistor (FET) based sensors has enabled the production of pH-sensitive platforms with potential application in biosensors. A variation of the FET architecture, so called separative extended gate FET (SEGFET) devices, are promise as an alternative to conventional ion sensitive FET (ISFET). SEGFET configuration exhibits the advantage of combining the field-effect concept with organic and inorganic materials directly adsorbed on the extended gate, allowing the test of new pH-sensitive materials in a simple and low cost way. In this communication, poly(propylene imine) dendrimer (PPI) and TiO2 nanoparticles (TiO2-np) were assembled onto gold-covered substrates via layer-by-layer technique to produce a low cost SEGFET pH sensor. The sensor presented good pH sensitivity, ca. 57 mV pH(-1), showing that our strategy has potential advantages to fabricate low cost pH-sensing membranes. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

The Dependence of Retention Time on Gate Length in UTBOX FBRAM With Different Source/Drain Junction Engineering

The floating-body-RAM sense margin and retention-time dependence on the gate length is investigated in UTBOX devices using BJT programming combined with a positive back bias (so-called V th feedback). It is shown that the sense margin and the retention time can be kept constant versus the gate length by using a positive back bias. Nevertheless, below a critical L, there is no room for optimization, and the memory performances suddenly drop. The mechanism behind this degradation is attributed to GIDL current amplification by the lateral bipolar transistor with a narrow base. The gate length can be further scaled using underlap junctions.

Behavior of triple-gate Bulk FinFETs with and without DTMOS operation

In this paper, the combination of the Dynamic Threshold (DT) voltage technique with a non-planar structure is experimentally studied in triple-gate FinFETs. The drain current, transconductance, resistance, threshold voltage, subthreshold swing and Drain Induced Barrier Lowering (DIBL) will be analyzed in the DT mode and the standard biasing configuration. Moreover, for the first time, the important figures of merit for the analog performance such as transconductance-over-drain current, output conductance. Early voltage and intrinsic voltage gain will be studied experimentally and through three-dimensional (3-D) numerical simulations for different channel doping concentrations in triple-gate DTMOS FinFETs. The results indicate that the DTMOS FinFETs always yield superior characteristic; and larger transistor efficiency. In addition, DTMOS devices with a high channel doping concentration exhibit much better analog performance compared to the normal operation mode, which is desirable for high performance low-power/low-voltage applications. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Dependence of Generation-Recombination Noise With Gate Voltage in FD SOI MOSFETs

A model for computing the generation-recombination noise due to traps within the semiconductor film of fully depleted silicon-on-insulator MOSFET transistors is presented. Dependence of the corner frequency of the Lorentzian spectra on the gate voltage is addressed in this paper, which is different to the constant behavior expected for bulk transistors. The shift in the corner frequency makes the characterization process easier. It helps to identify the energy position, capture cross sections, and densities of the traps. This characterization task is carried out considering noise measurements of two different candidate structures for single-transistor dynamic random access memory devices.

Mixed-domain simulation and hybrid wafer-level packaging of RF-MEMS devices for wireless applications

In questa tesi verranno trattati sia il problema della creazione di un ambiente di simulazione a domini fisici misti per dispositivi RF-MEMS, che la definizione di un processo di fabbricazione ad-hoc per il packaging e l’integrazione degli stessi. Riguardo al primo argomento, sarà mostrato nel dettaglio lo sviluppo di una libreria di modelli MEMS all’interno dell’ambiente di simulazione per circuiti integrati Cadence c . L’approccio scelto per la definizione del comportamento elettromeccanico dei MEMS è basato sul concetto di modellazione compatta (compact modeling). Questo significa che il comportamento fisico di ogni componente elementare della libreria è descritto per mezzo di un insieme limitato di punti (nodi) di interconnessione verso il mondo esterno. La libreria comprende componenti elementari, come travi flessibili, piatti rigidi sospesi e punti di ancoraggio, la cui opportuna interconnessione porta alla realizzazione di interi dispositivi (come interruttori e capacità variabili) da simulare in Cadence c . Tutti i modelli MEMS sono implementati per mezzo del linguaggio VerilogA c di tipo HDL (Hardware Description Language) che è supportato dal simulatore circuitale Spectre c . Sia il linguaggio VerilogA c che il simulatore Spectre c sono disponibili in ambiente Cadence c . L’ambiente di simulazione multidominio (ovvero elettromeccanico) così ottenuto permette di interfacciare i dispositivi MEMS con le librerie di componenti CMOS standard e di conseguenza la simulazione di blocchi funzionali misti RF-MEMS/CMOS. Come esempio, un VCO (Voltage Controlled Oscillator) in cui l’LC-tank è realizzato in tecnologia MEMS mentre la parte attiva con transistor MOS di libreria sarà simulato in Spectre c . Inoltre, nelle pagine successive verrà mostrata una soluzione tecnologica per la fabbricazione di un substrato protettivo (package) da applicare a dispositivi RF-MEMS basata su vie di interconnessione elettrica attraverso un wafer di Silicio. La soluzione di packaging prescelta rende possibili alcune tecniche per l’integrazione ibrida delle parti RF-MEMS e CMOS (hybrid packaging). Verranno inoltre messe in luce questioni riguardanti gli effetti parassiti (accoppiamenti capacitivi ed induttivi) introdotti dal package che influenzano le prestazioni RF dei dispositivi MEMS incapsulati. Nel dettaglio, tutti i gradi di libertà del processo tecnologico per l’ottenimento del package saranno ottimizzati per mezzo di un simulatore elettromagnetico (Ansoft HFSSTM) al fine di ridurre gli effetti parassiti introdotti dal substrato protettivo. Inoltre, risultati sperimentali raccolti da misure di strutture di test incapsulate verranno mostrati per validare, da un lato, il simulatore Ansoft HFSSTM e per dimostrate, dall’altro, la fattibilit`a della soluzione di packaging proposta. Aldilà dell’apparente debole legame tra i due argomenti sopra menzionati è possibile identificare un unico obiettivo. Da un lato questo è da ricercarsi nello sviluppo di un ambiente di simulazione unificato all’interno del quale il comportamento elettromeccanico dei dispositivi RF-MEMS possa essere studiato ed analizzato. All’interno di tale ambiente, l’influenza del package sul comportamento elettromagnetico degli RF-MEMS può essere tenuta in conto per mezzo di modelli a parametri concentrati (lumped elements) estratti da misure sperimentali e simulazioni agli Elementi Finiti (FEM) della parte di package. Infine, la possibilità offerta dall’ambiente Cadence c relativamente alla simulazione di dipositivi RF-MEMS interfacciati alla parte CMOS rende possibile l’analisi di blocchi funzionali ibridi RF-MEMS/CMOS completi.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l’ elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l’influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento è stato condotto a 35°C e carico organico pari a 12,39 g/Ld, il secondo a 25°C e carico organico pari a 8,40 g/Ld. Si è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l’influenza di tale parametro, in particolare si è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità di VFA prodotta nell’ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25°C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l’effluente in uscita risulta più concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell’alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.

Biometanazione della frazione organica di rifiuti solidi urbani da raccolta indifferenziata mediante codigestione con refluo zootecnico o addizione di solfuro di sodio

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.