Tecnologie biomediche per lo studio e la riabilitazione della funzionalita retinica in condizioni fisiopatologiche

L’occhio è l’organo di senso responsabile della visione. Uno strumento ottico il cui principio di funzionamento è paragonabile a quanto avviene in una macchina fotografica. Secondo l’Organizzazione mondiale della sanità (WHO 2010) sulla Terra vivono 285 milioni di persone con handicap visivo grave: 39 milioni sono i ciechi e 246 milioni sono gli ipovedenti. Si evince pertanto la necessità di tecnologie in grado di ripristinare la funzionalità retinica nelle differenti condizioni fisiopatologiche che ne causano la compromissione. In quest’ottica, scopo di questa tesi è stato quello di passare in rassegna le principali tipologie di sistemi tecnologici volti alla diagnosi e alla terapia delle fisiopatologie retiniche. La ricerca di soluzioni bioingegneristiche per il recupero della funzionalità della retina in condizioni fisiopatologiche, coinvolge differenti aree di studio, come la medicina, la biologia, le neuroscienze, l’elettronica, la chimica dei materiali. In particolare, sono stati descritti i principali impianti retinali tra cui l’impianto di tipo epiretinale e subretinale, corticale e del nervo ottico. Tra gli impianti che ad oggi hanno ricevuto la certificazione dell’Unione Europea vi sono il sistema epiretinale Argus II (Second Sight Medical Products) e il dispositivo subretinale Alpha IMS (Retina Implant AG). Lo stato dell’arte delle retine artificiali, basate sulla tecnologia inorganica, trova tuttavia limitazioni legate principalmente a: necessità di un’alimentazione esterna, biocompatibilità a lungo termine, complessità dei processi di fabbricazione, la difficoltà dell’intervento chirurgico, il numero di elettrodi, le dimensioni e la geometria, l’elevata impedenza, la produzione di calore. Approcci bioingegneristici alternativi avanzano nel campo d’indagine della visione artificiale. Fra le prospettive di frontiera, sono attualmente in fase di studio le tecnologie optogenetiche, il cui scopo è la fotoattivazione di neuroni compromessi. Inoltre, vengono annoverate le tecnologie innovative che sfruttano le proprietà meccaniche, optoelettroniche e di biocompatibilità delle molecole di materiali organici polimerici. L’integrazione di funzioni fotoniche nell’elettronica organica offre nuove possibilità al campo dell’optoelettronica, che sfrutta le proprietà ottiche e elettroniche dei semiconduttori organici per la progettazione di dispositivi ed applicazioni optoelettronici nel settore dell’imaging e del rilevamento biomedico. La combinazione di tecnologie di tipo organico ed organico potrebbe aprire in prospettiva la strada alla realizzazione di dispositivi retinici ed impianti di nuova generazione.

TIPS-pentacene come rivelatore di raggi-X

Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto europeo i-FLEXIS il cui obiettivo è lo sviluppo di un sensore di raggi X innovativo, affidabile, a basso costo e basato su componenti eterogenei organici. Attualmente, i rivelatori di radiazione ionizzante a stato solido fanno uso di materiali inorganici e sono ampiamente impiegati in ambito medico, industriale e come dispositivi per la sicurezza. Le scoperte scientifiche degli ultimi anni nell'ambito dei semiconduttori organici hanno evidenziato che tali materiali sono sensibili alla radiazione ionizzante e il loro utilizzo permette di realizzare rivelatori diretti di raggi-X, convertendo fotoni in segnale elettrico. Questi dispositivi sono caratterizzati da flessibilità, possibilità di lavorare a temperatura ambiente, basso costo di produzione, poca energia di alimentazione, alta sostenibilità ambientale e dalla possibilità di coprire grandi aree. Tutte queste proprietà concorrono ad incrementare sempre più l’attenzione e l’interesse dei ricercatori in questo relativamente nuovo mondo: i semiconduttori organici. In questa tesi sono stati esaminati cinque diversi campioni di TIPS-pentacene con la finalità di evidenziare quali si prestino meglio come rivelatori di raggi-X. I campioni sono tutti in diverse forme e spaziano dal cristallo singolo ai film sottili, con particolare attenzione al comportamento dei cristalli singoli cresciuti mediante processi di stampa direttamente sul substrato. Per quanto riguarda i semiconduttori organici, la frazione di raggi-X assorbita dai materiali è molto piccola e non è in grado di giustificare il segnale misurato. Si è effettuato inoltre un confronto tra la risposta dei campioni alla luce visibile e alla radiazione ionizzante per comprendere il meccanismo di generazione e rivelazione delle cariche in seguito all’assorbimento di raggi-X.

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.

Analisi e progetto di un convertitore ZETA per la correzione del fattore di potenza

Questa tesi ha studiato a fondo le modalità di funzionamento del convertitore ZETA. Si è visto che la presenza dei due magnetici determina una condizione di funzionamento non convenzionale (lo stesso accade nel SEPIC) poco studiata in letteratura. Questa condizione, corrispondente al modo discontinuo nei più elementari convertitori, in cui la corrente si annulla sia nel transistor che nel diodo, dà invece luogo ad un ricircolo di corrente pressochè costante in una maglia che comprende entrambe le induttanze. Questa corrente testimonia un intrappolamento di energia magnetica con relativa perdita per dissipazione che presumibilmente degrada l’efficienza del convertitore. Questo è potuto avvenire perchè non vi è nulla che impedisca il flusso di una corrente negativa sui singoli induttori quando la somma algebrica dei due risulti comunque positiva o nulla (diodo in conduzione). Questo problema si può riscontrare sia nel funzionamento in continua (sempre almeno uno fra transistor e diodo in conduzione) che in discontinua (con un intervallo di tempo in cui non conducono nessuno dei due). Per ovviare a questo problema le soluzioni proposte in questa tesi sono quelle di aggiungere un ulteriore diodo rettificatore in serie agli avvolgimenti e/o di gestire il rapporto di induttanze dei due avvolgimenti in modo che nella condizione nominale di funzionamento raggiungano contemporaneamente la condizione di inversione della corrente. Queste possibilità sono state esplorate con successo nell’utilizzo del convertitore ZETA per applicazioni di correzione del fattore di potenza PFC in cui si è proposto un insieme di equazioni di dimensionamento che portano al progetto del convertitore al fine di ottenere le forme d’onda desiderate.

Il memristor, un'innovazione nel campo dell'intelligenza artificiale: Analisi dello stato dell'arte e prospettive future

Questo elaborato concerne la revisione della letteratura scientifica relativa alla teorizzazione e realizzazione tecnologica del memristor, un nuovo componente elettronico teorizzato nel 1971 e realizzato solo nel 2008 nei laboratori della HP (Hewlett Packard, Palo Alto, California). Dopo una descrizione in termini matematici della teoria fisica alla base del dispositivo e del suo funzionamento, viene descritta la sua realizzazione tecnologica e il corrispettivo modello teorico. Succesivamente il lavoro discute la possibile analogia tra il funzionamento del memristor ed il funzionamento di neuroni e sinapsi biologiche all'interno del Sistema Nervoso Centrale. Infine, vengono descritte le architetture recentemente proposte per l'implementazione di reti neurali artificiali fondate su un sistema computazionale parallelo e realizzate mediante sistemi ibridi transistors/memristors.

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.

Characterization of hydrothermal carbonization products from woodchip

L’idrotermocarbonizzazione è un processo che permette di convertire un’elevata quantità di materie prime solide in carbone. Ciò viene realizzato inserendo come sostanza in input, oltre alla materia prima iniziale, acqua liquida e, successivamente, riscaldando fino a 180°C, temperatura alla quale inizia la reazione esotermica ed il processo diventa di tipo stand-alone. Tale reazione presenta un tempo di reazione variabile nel range di 4÷12 h. I prodotti in uscita sono costituiti da una sostanza solida che ha le caratteristiche del carbone marrone naturale e un’acqua di processo, la quale è altamente inquinata da composti organici. In questo elaborato viene illustrata una caratterizzazione dei prodotti in uscita da un impianto di idrotermo carbonizzazione da laboratorio, il quale utilizza in input pezzi di legno tagliati grossolanamente. Inizialmente tale impianto da laboratorio viene descritto nel dettaglio, dopodiché la caratterizzazione viene effettuata attraverso DTA-TGA dei materiali in ingresso ed uscita; inoltre altre sostanze vengono così analizzate, al fine di confrontarle col char ed i pezzi di legno. Quindi si riporta anche un’analisi calorimetrica, avente l’obiettivo di determinare il calore di combustione del char ottenuto; attraverso questo valore e il calore di combustione dei pezzi di legno è stato possibile calcolare l’efficienza di ritenzione energetica del processo considerato, così come la densificazione energetica riscontrata nel materiale in uscita. In aggiunta, è stata eseguita un’analisi delle specie chimiche elementari sul char ed il legno in modo da determinare i seguenti parametri: fattori di ritenzione e fattori di ritenzione pesati sulla massa in termini di concentrazione di C, H, N e S. I risultati ottenuti da tale analisi hanno permesso di effettuare una caratterizzazione del char. Un tentativo di attivazione del char viene riportato, descrivendo la procedura di attivazione seguita e la metodologia utilizzata per valutare il buon esito o meno di tale tentativo di attivazione. La metodologia consiste di uno studio isotermo dell’adsorbimento di acido acetico sul char “attivato” attraverso una titolazione. I risultati sperimentali sono stati fittati usando le isoterme di Langmuir e Freundlich e confrontati con le capacità di adsorbimento del semplice char e di un campione di carbone attivo preso da un’azienda esterna. Infine si è considerata l’acqua di processo, infatti un’analisi fotometrica ne ha evidenziato le concentrazioni di TOC, COD, ioni nitrato e ioni fosfato. Questi valori sono stati conseguentemente confrontati con i limiti italiani e tedeschi massimi ammissibili per acque potabili, dando quindi un’idea quantitativa della contaminazione di tale acqua di processo.

Caratterizzazione della microflora spontanea di un alimento fermentato vegano

Tra i prodotti vegani più richiesti vi sono i “formaggi” vegani, alimenti fermentati a base di frutta secca o ottenuti attraverso trattamenti su latte di mandorla e latte di soia, e successivamente fermentati. Nella mia attività ho caratterizzato un alimento fermentato vegano e studiato la successione microbica durante la fermentazione di un “formaggio” ottenuto partendo da anacardi e preparato in maniera artigianale. Oltre agli aspetti microbiologici, ho analizzato anche alcune caratteristiche fisico chimiche. Durante il processo di produzione gli anacardi vengono messi in ammollo per 8 ore a temperatura ambiente e, successivamente, i semi vengono scolati e risciacquati sotto acqua corrente. Gli anacardi vengono poi addizionati di acqua e microrganismi probiotici e tritati in un mixer fino al raggiungimento di una crema omogenea. A questo punto il prodotto viene lasciato riposare a temperatura ambiente per 48 ore durante le quali ha luogo la fermentazione e poi addizionato di ingredienti. Le indagini chimico fisiche effettuate hanno evidenziato che il pH si mostra già basso prima dell’inizio della fermentazione vera e propria e scende a 4.5 dopo 48 ore di riposo a causa dell’accumulo di acidi organici, ed in particolare di acido lattico e acetico che indicando un’attività fermentativa condotta dai batteri lattici. Le analisi microbiologiche hanno confermato che l’effettivo agente di fermentazione era costituito da questi batteri che sono stati identificati a livello molecolare. Le specie identificate due eterofermentanti (Weissella e Leuconostoc), presenti soprattutto nelle prime fasi della fermentazione, ed una omofermentante (Pediococcus), prende il sopravvento mano a mano che la fermentazione procede. Il lavoro svolto ha permesso di ottenere alcune importanti informazioni per la produzione industriale di un “formaggio” vegano fermentato. Il processo studiato presenta numerosi punti di rischio che devono essere presi in considerazione prima di poter giungere alla messa a punto di un prodotto definitivo.

Alchilazione in fase gassosa del fenolo con reagenti "green" in catalisi basica eterogenea

L’alchilazione del fenolo (PhOH) è un processo di grande rilevanza. I prodotti, alchilfenoli (dall’alchilazione del carbonio d’anello) ed eteri fenilici (dall’alchilazione dell’ossigeno fenolico), sono usati nella produzione di resine fenoliche ed in sintesi organica. I carbonati organici sono atossici, biodegradabili, ottenibili da fonti rinnovabili ed hanno un ottimo potere solvente per i composti organici e aromatici. Con un opportuno catalizzatore sono reattivi per l’alchilazione del PhOH, e potrebbero sostituire gli alchilanti usati industrialmente: quelli per la O- alchilazione, alchilioduro e dialchilsolfato, sono estremamente tossici, mentre gli alcoli, impiegati per la C-alchilazione, decompongono estesamente sui catalizzatori industriali. In questo lavoro di tesi, le prestazioni del dietilcarbonato (DEC) come agente etilante del PhOH sono state indagate a fondo al variare dei parametri operativi, e sono state poi confrontate con quelle dell’etanolo, dimostrando che il carbonato è molto più reattivo: sui catalizzatori basici il DEC mostra una chemoselettività prettamente orientata alla O-alchilazione e la conversione del PhOH può essere massimizzata agendo sui parametri operativi senza grandi variazioni nella selettività del prodotto di interesse; sui sistemi acido/base (ossido misto di Mg e Al) si è invece dimostrato possibile orientare l’alchilazione alternativamente all’ossigeno (fenetoli) o al carbonio (etilfenoli) aumentando la temperatura.

In-situ detection of defect formation in organic flexible electronics by Kelvin Probe Force Microscopy

Organic semiconductor technology has attracted considerable research interest in view of its great promise for large area, lightweight, and flexible electronics applications. Owing to their advantages in processing and unique physical properties, organic semiconductors can bring exciting new opportunities for broad-impact applications requiring large area coverage, mechanical flexibility, low-temperature processing, and low cost. In order to achieve highly flexible device architecture it is crucial to understand on a microscopic scale how mechanical deformation affects the electrical performance of organic thin film devices. Towards this aim, I established in this thesis the experimental technique of Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) as a tool to investigate the morphology and the surface potential of organic semiconducting thin films under mechanical strain. KPFM has been employed to investigate the strain response of two different Organic Thin Film Transistor with active layer made by 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS-Pentacene), and Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT). The results show that this technique allows to investigate on a microscopic scale failure of flexible TFT with this kind of materials during bending. I find that the abrupt reduction of TIPS-pentacene device performance at critical bending radii is related to the formation of nano-cracks in the microcrystal morphology, easily identified due to the abrupt variation in surface potential caused by local increase in resistance. Numerical simulation of the bending mechanics of the transistor structure further identifies the mechanical strain exerted on the TIPS-pentacene micro-crystals as the fundamental origin of fracture. Instead for P3HT based transistors no significant reduction in electrical performance is observed during bending. This finding is attributed to the amorphous nature of the polymer giving rise to an elastic response without the occurrence of crack formation.

Progetto di un dispositivo wireless di feedback tattile per un sistema di ausilio per non vedenti o ipovedenti

La tesi è incentrata sullo studio e sulla progettazione di un dispositivo wireless di feedback tattile per un sistema di ausilio per non vedenti o ipovedenti. Il dispositivo composto da micro motori vibranti avvisa l'utente di imminenti ostacoli nel suo cammino. La rilevazione degli ostacoli è opera del visore, un sistema composto da una videocamera stereo, con elaborazione su FPGA, collegata ad un Odroid-U3. Viene trattato anche lo sviluppo di un'applicazione server, con relativa libreria di funzioni, che permette al visore di comunicare con dispositivi iOS esterni. Quest'ultima parte è avvenuta in collaborazione con il collega Luca Ranalli che si è occupato dell' App client per smartphone e tablet iOS.

Studio di fotoconducibilità di cristalli di TIPS-pentacene

I semiconduttori organici presentano proprietà che consentono la produzione di dispositivi impensabili fino a pochi anni fa: sono flessibili, leggeri e robusti, ed inoltre facili ed economici da depositare. La loro capacità di rivelare direttamente la radiazione ionizzante, convertendola in segnale elettrico, li pone come ottimi candidati per una nuova generazione di rivelatori a stato solido per raggi X, utilizzabili in situazioni e luoghi prima inaccessibili a quelli inorganici, o addirittura comodamente indossabili. Tuttavia i fenomeni di fotogenerazione e raccolta di carica in questi materiali non sono ancora completamente compresi. Ottimali per lo studio di queste ed altre proprietà intrinseche sono le forme di impacchettamento a cristallo singolo. Questa tesi analizza e confronta i segnali elettrici di campioni di cristalli singoli di TIPS-pentacene quando esposti a flussi crescenti di radiazione visibile e di raggi X a diversi voltaggi, proponendo dei modelli per la loro interpretazione. Viene inoltre riportato un confronto con le stesse misure effettuate su un campione dello stesso materiale in forma di film sottile.

Electrochemical scanning tunnelling spectroscopy of a ferrocene-modified n-Si(111)-surface: electrolyte gating and ambipolar FET behaviour

As revealed for the first time by in situ scanning tunnelling spectroscopy (STS), ferrocene-modified Si(111) substrates show ambipolar field effect transistor (FET) behaviour upon electrolyte gating.

3CAM - A NOVEL TERNARY CONTENT ADDRESSABLE MEMORY USING THREE-VALUED LOGIC

Content Addressable Memory (CAM) is a special type of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) storage element that allows for a parallel search operation on a memory stack in addition to the read and write operations yielded by a conventional SRAM storage array. In practice, it is often desirable to be able to store a “don’t care” state for faster searching operation. However, commercially available CAM chips are forced to accomplish this functionality by having to include two binary memory storage elements per CAM cell,which is a waste of precious area and power resources. This research presents a novel CAM circuit that achieves the “don’t care” functionality with a single ternary memory storage element. Using the recent development of multiple-voltage-threshold (MVT) CMOS transistors, the functionality of the proposed circuit is validated and characteristics for performance, power consumption, noise immunity, and silicon area are presented. This workpresents the following contributions to the field of CAM and ternary-valued logic:• We present a novel Simple Ternary Inverter (STI) transistor geometry scheme for achieving ternary-valued functionality in existing SOI-CMOS 0.18µm processes.• We present a novel Ternary Content Addressable Memory based on Three-Valued Logic (3CAM) as a single-storage-element CAM cell with “don’t care” functionality.• We explore the application of macro partitioning schemes to our proposed 3CAM array to observe the benefits and tradeoffs of architecture design in the context of power, delay, and area.

Photolithography based patterning of bacteriorhodopsin films

The patterning of photoactive purple membrane (PM) films onto electronic substrates to create a biologically based light detection device was investigated. This research is part of a larger collaborative effort to develop a miniaturized toxin detection platform. This platform will utilize PM films containing the photoactive protein bacteriorhodopsin to convert light energy to electrical energy. Following an effort to pattern PM films using focused ion beam machining, the photolithography based bacteriorhodopsin patterning technique (PBBPT) was developed. This technique utilizes conventional photolithography techniques to pattern oriented PM films onto flat substrates. After the basic patterning process was developed, studies were conducted that confirmed the photoelectric functionality of the PM films after patterning. Several process variables were studied and optimized in order to increase the pattern quality of the PM films. Optical microscopy, scanning electron microscopy, and interferometric microscopy were used to evaluate the PM films produced by the patterning technique. Patterned PM films with lateral dimensions of 15 μm have been demonstrated using this technique. Unlike other patterning techniques, the PBBPT uses standard photolithographic processes that make its integration with conventional semiconductor fabrication feasible. The final effort of this research involved integrating PM films patterned using the PBBPT with PMOS transistors. An indirect integration of PM films with PMOS transistors was successfully demonstrated. This indirect integration used the voltage produced by a patterned PM film under light exposure to modulate the gate of a PMOS transistor, activating the transistor. Following this success, a study investigating how this PM based light detection system responded to variations in light intensity supplied to the PM film. This work provides a successful proof of concept for a portion of the toxin detection platform currently under development.