Functional engineering of hybrid heterostructures for application in electronic, optical and optoelectronic nanostructured devices

Interfacing materials with different intrinsic chemical-physical characteristics allows for the generation of a new system with multifunctional features. Here, this original concept is implemented for tailoring the functional properties of bi-dimensional black phosphorus (2D bP or phosphorene) and organic light-emitting transistors (OLETs). Phosphorene is highly reactive under atmospheric conditions and its small-area/lab-scale deposition techniques have hampered the introduction of this material in real-world applications so far. The protection of 2D bP against the oxygen by means of functionalization with alkane molecules and pyrene derivatives, showed long-term stability with respect to the bare 2D bP by avoiding remarkable oxidation up to 6 months, paving the way towards ultra-sensitive oxygen chemo-sensors. A new approach of deposition-precipitation heterogeneous reaction was developed to decorate 2D bP with Au nanoparticles (NP)s, obtaining a “stabilizer-free” that may broaden the possible applications of the 2D bP/Au NPs interface in catalysis and biodiagnostics. Finally, 2D bP was deposited by electrospray technique, obtaining oxidized-phosphorous flakes as wide as hundreds of µm2 and providing for the first time a phosphorous-based bidimensional system responsive to electromechanical stimuli. The second part of the thesis focuses on the study of organic heterostructures in ambipolar OLET devices, intriguing optoelectronic devices that couple the micro-scaled light-emission with electrical switching. Initially, an ambipolar single-layer OLET based on a multifunctional organic semiconductor, is presented. The bias-depending light-emission shifted within the transistor channel, as expected in well-balanced ambipolar OLETs. However, the emitted optical power of the single layer-based device was unsatisfactory. To improve optoelectronic performance of the device, a multilayer organic architecture based on hole-transporting semiconductor, emissive donor-acceptor blend and electron-transporting semiconductor was optimized. We showed that the introduction of a suitable electron-injecting layer at the interface between the electron-transporting and light-emission layers may enable a ≈ 2× improvement of efficiency at reduced applied bias.

Innovative photoresponsive materials & supramolecular structures

This thesis focuses on two main topics: photoresponsive azobenzene-based polymers and supramolecular systems generated by the self-assembly of lipophilic guanosines. In the first chapters describe innovative photoresponsive devices and materials capable of performing multiple roles in the field of soft robotics and energy conversion. Chapter 2 describes a device obtained by coupling a photoresponsive liquid-crystalline network and a piezoelectric polymer to convert visible light into electricity. Chapter 3 deals with a material that can assume different shapes when triggered by three different stimuli in different environments. Chapter 4 reports a highly performing artificial muscle that contracts when irradiated. The last two chapters report on supramolecular structures generated from functionalized guanosines dissolved in organic solvents. Chapter 6 illustrates the self-assembly into G-quadruplexes of 8- and 5’-functionalized guanosines in the absence of templating ions. Chapter 7 describes the supramolecular structure generated by the assembly of a lipophilic guanosine in the presence of silver cations. Chapter 6 is reproduced from an already published paper, while the other chapters are going to be submitted to different journals in a couple of months.

Produzione di biogas dagli scarti della lavorazione dell’alga ulva lactuca coltivata in mare aperto

Il presente lavoro si pone tre obiettivi: studio dei possibili utilizzi del sottoprodotto algale di Ulva L., a valle di un processo di estrazione dell’azienda South Agro srl che produce biofertilizzanti da alghe; digestione anaerobica del sottoprodotto, presso i laboratori dell’Università di Bologna, per determinarne il BMP; analisi costi-benefici per tre scenari diversi per un impianto a biogas di piccola taglia. Il primo obiettivo, è stato conseguito tramite una panoramica bibliografica delle vie di biovalorizzazione della biomassa Ulva L. Emerge che Ulva L. presenta numerose potenzialità dall’ambito alimentare ai chemicals, dall’ambito energetico a quello dei fertilizzanti. In questo lavoro esploreremo la conversione per valorizzazione energetica. Per il secondo obiettivo, è stato effettuato lo studio del potenziale biochimico del metano del residuo dell’azienda: ha prodotto una quantità di metano inferiore alla quota minima emersa dalle ricerche, che incrociano valutazioni del BMP alle fattibilità economiche di transformazione per la produzione di biometano. Questo suggerisce una possibile digestione anaerobica con un feed costituito da diversi residui algali a disposizione della stessa azienda, dato che tratta tre macroalghe. Considerando un valore di BMP di 180 Nmq / t SV, corrispondente a un feed di 3,3 t/g proveniente da tre alghe diverse, emerge una potenzialità di biometano prodotto economicamente possibile per un impianto a biogas di piccola taglia. Per il terzo obiettivo, è stata effettuata un’analisi costi-benefici tramite MATLAB e fogli Excel, basate su ricerche di impianti a biogas di piccola taglia e applicazione degli incentivi vigenti dalle normative. Il tutto è servito per creare tre scenari diversi (100, 200 e 300 kWel) che avvierebbero diversi benefici a livello territoriale, oltre che per l’azienda in questione: efficientamento energetico, economici, ambientali, simbiosi industriale e anche di avviamento di processi d’economia circolare.

Determination of local density of states in amorphous oxide semiconductors with Kelvin Probe Force Microscopy

Amorphous semiconductors are important materials as they can be deposited by physical deposition techniques on large areas and even on plastic substrates. Therefore, they are crucial for transistors in large active matrices for imaging and transparent wearable electronics. The most widely applied candidate for amorphous thin film transistors production is Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO). It is attracting much interest because of its optical transparency, facile processing by sputtering deposition and notable improved charge carrier mobility with respect to hydrogenated amorphous silicon a-Si:H. Degradation of the device and long-term performance issues have been observed if IGZO thin film transistors are subjected to electrical stress, leading to a modification of IGZO channel properties and subthreshold slope. Therefore, it is of great interest to have a reliable and precise method to study the conduction band tail, and the density of states in amorphous semiconductors. The aim of this thesis is to develop a local technique using Kelvin Probe Force Microscopy to study the evolution of IGZO DOS properties. The work is divided into three main parts. First, solutions to the non-linear Poisson-Boltzmann equation of a metal-insulator-semiconductor junction describing the charge accumulation and its relation to DOS properties are elaborated. Second macroscopic techniques such as capacitance voltage (CV) measurements and photocurrent spectroscopy are applied to obtain a non-local estimate of band-tail DOS properties in thin film transistor samples. The third part of my my thesis is dedicated to the KPFM measurements. By fitting the data to the developed numerical model, important parameters describing the amorphous conduction band tail are obtained. The results are in excellent agreement with the macroscopic characterizations. KPFM result is comparable also with non-local optoelectronic characterizations, such as photocurrent spectroscopy.

Implementazione di un sistema di controllo atto a ottimizzare l’efficienza di convertitori DC-DC impiegati in ambito Automotive e realizzati con tecnologia GaN

Lo scopo del presente progetto di ricerca è quello di dimostrare quelli che potrebbero essere i miglioramenti nell’adottare tecnologie GaN nei convertitori di potenza, soffermandosi sull’ambito Automotive. Si è dunque progettato, simulato ed infine analizzato un sistema di conversione bidirezionale DC-DC. Le prestazioni ottime sono state poi raggiunte attraverso l’introduzione di un sistema di controllo in grado di garantire, in ogni condizione, il miglior funzionamento possibile che garantisca il soddisfacimento delle richieste da parte del veicolo. Questo consentirà quindi di gestire il funzionamento del convertitore sia nelle fasi di scarica che in quelle di rigenerazione (regenerative braking). Al convertitore, è stato introdotto anche un controllo adattivo per la ricerca del dead-time ottimo dei segnali di pilotaggio dei transistor.

Prototipazione FPGA di sottosistemi integrati per power management basati su ISA RISC-V

Fino a 15 anni fa, era possibile aumentare il numero di transistor su un singolo chip e contemporaneamente la sua frequenza di clock mantenendo la densità di potenza costante. Tuttavia dal 2004 non è più possibile mantenere invariata la potenza dissipata per unità d’area a causa di limitazioni fisiche. Al fine di aumentare le performance dei processori e di impedire una diminuzione delle frequenze di clock, i processori moderni integrano on-die dei Power Controller Subsystems (PCS) come risorsa hardware dedicata che implementa complesse strategie di gestione di temperatura e potenza. In questo progetto di tesi viene progettata l'architettura dell'interfaccia di comunicazione di ControlPULP, un PCS basato su ISA RISC-V, per la connessione verso un processore HPC. Tale interfaccia di comunicaione integra il supporto hardware per lo scambio di messaggi secondo la specifica SCMI. L'interfaccia sviluppata viene successivamente validata attraverso simulazione ed emulazione su supporto hardware FPGA. Tale supporto hardware viene inoltre utilizzato per la caratterizzazione dell'utilizzo di risorse dell'architettura progettata. Oltre allo sviluppo dell'interfaccia hardware viene sviluppato e caratterizzato un firmware per la decodifica dei messaggi SCMI conforme ai requisiti di esecuzione su un sistema real-time.

Studio dell'anisotropia magnetica di bistrati ibridi ferromagnete-organico

L’anisotropia magnetica di film sottili ferromagnetici è un parametro fondamentale nel campo della spintronica. Recenti lavori hanno dimostrato che la formazione di un’interfaccia tra film sottili ferromagnetici e materiali organici è in grado di modificare, l’anisotropia magnetica del costituente inorganico. Questa specifica interfaccia è stata definita spinterface ed è di grande interesse in un’ottica di ingegnerizzazione delle proprietà magnetiche di dispositivi spintronici. Pertanto, in questo lavoro di tesi ho analizzato l’anisotropia magnetica di un film policristallino di Cobalto ricoperto da una molecola organica largamente utilizzata in dispositivi spintronici e optoelettronici, la Gallio-chinolina (Gaq3), con l’obiettivo di verificare il ruolo della molecola nella definizione delle proprietà magnetiche dello strato di Cobalto. Per valutare l’impatto della formazione di spinterface, ho confrontato i risultati sperimentali con quelli ottenuti per un bistrato di riferimento Cobalto/Alluminio (Co/Al). Per comprendere i risultati sperimentali introdurrò nel primo capitolo i concetti fondamentali del magnetismo di film sottili, in particolare i vari contributi di anisotropia magnetica, il concetto di dominio magnetico e il modello di Stoner Wohlfarth. Il secondo capitolo verrà dedicato alla descrizione del concetto di spinterface e come questa interfaccia possa modificare le proprietà magnetiche dei film sottili. Nel terzo capitolo verranno descritte le tecniche di deposizione in Ultra Alto Vuoto con cui sono stati realizzati i bistrati Co/Gaq3 e Co/Al mentre nel quarto capitolo descriver`o il funzionamento del magnetometro MOKE, lo strumento con cui ho studiato l’anisotropia magnetica dei campioni prodotti. I dati sperimentali e la loro discussione saranno presentati nel quinto capitolo dove ho verificato la presenza di effetti di spinterface attraverso l’osservazione di un aumento della coercitività del campione Co/Gaq3.

Sviluppo di biosensori reagentless basati sull'enzima fosfatasi alcalina

Negli ultimi anni i biosensori enzimatici sono diventati sempre più popolari nel campo delle determinazioni rapide di analiti di interesse industriale ed ambientale. L’utilizzo di tali biosensori consente di evitare, o comunque limitare, l’impiego di metodi analitici basati su tecniche più complesse e dispendiose in termini economici e temporali. Un grande obbiettivo della ricerca negli ultimi anni è quello di costruire biosensori reagentless, ossia dispositivi pronti all’uso da parte degli analisti, indipendentemente dalla loro esperienza. In questo lavoro di tesi sono stati sviluppati dei biosensori amperometrici reagentless che sfruttano l’enzima fosfatasi alcalina (ALP), come elemento di riconoscimento biologico, ed un elettrodo screen-printed (SPE) commerciale, come trasduttore. Per gli elettrodi SPE commerciali sono stati testati modificanti a base di nanomateriali carboniosi e del polimero conduttore PEDOT:ClO4. Sono inoltre stati messi a punto diversi biosensori costruiti utilizzando sia l’enzima ALP immobilizzato che lo stesso enzima in soluzione. I test sono stati eseguiti utilizzando il substrato enzimatico “ascorbil-fosfato di sodio (AAP)” ed alcuni inibitori enzimatici. I dispositivi reagentless sono stati fabbricati mediante stampa 3D e sono stati realizzati appositamente per gli elettrodi SPE commerciali utilizzati. Tali dispositivi sono stati utilizzati per effettuare la determinazione dell’AAP in campo cosmetico e la determinazione dell’enzima ALP in campo alimentare.

Il Terroir dell'azienda Fondo San Giuseppe

La coltivazione della vite e la produzione di vino possono trarre molteplici benefici dalle interazioni con una matrice paesaggistica ricca di biodiversità, come il miglioramento della fertilità del terreno, la prevenzione dei fenomeni di erosione del suolo, il contrasto degli effetti del cambiamento climatico. Il lavoro di Tesi, realizzato nell’azienda Fondo San Giuseppe, a Brisighella (RA), ha analizzato le principali componenti biotiche e abiotiche, che conferiscono unicità ai vini (clima, suolo, sapere collettivo, vitigni, microrganismi), focalizzando i rilievi sperimentali sul bosco, la componente più importante e più caratterizzante i sistemi viticoli dell’azienda e del territorio. È stata dapprima effettuata l’analisi della matrice paesaggistica, esaminando la copertura percentuale e la numerosità di specie che formano lo strato arbustivo e arboreo, e in seguito sono stati realizzati rilievi produttivi su ceppi di Trebbiano Romagnolo e un campionamento di uve a diversa distanze dalla matrice boschiva. Le principali specie arboree riscontrate sono frassino da manna e carpino nero, accompagnate da altre specie quali sanguinello, acero campestre, ciliegio selvatico, ginepro, rovo, vitalba, rosa canina, e ginestra, distribuite in maniera diversa nei diversi strati vegetazionali. Alcune di queste specie sono caratterizzate da un alta emissione di composti organici volatili (VOCs) in grado di influenzare il profilo aromatico delle uve, evidenziando la rilevanza di promuovere la salvaguardia e lo studio degli agroecosistemi attraverso una metodologia interdisciplinare.

Development of an impedance based biosensor for studies of spheroids formation

Three-dimensional (3D) multicellular spheroids are exceptional in vitro cell models for their ability to accurately mimic real cell-cell interaction processes. However, the challenges in producing well-defined spheroids with controlled size together with the deficiency of techniques to monitor them significantly restrict their use. Herein, a novel device to study spheroid formation in real time is presented. By exploiting electrochemical impedance spectroscopy, a multi-electrode array (MEA) attached to a calcium alginate scaffold is able to monitor the behaviour of 36 different hydrogel wells. The scaffold contains inverted shape pyramidal microwells, which guide the aggregation of cells into spheroids with controlled dimensions. Preliminar studies on calcium alginate, optimisation of fabrication strategy are shown, together with testing of the device in the presence and the absence of the hydrogel. Lastly, the device was tested for its intended aim, i.e. to monitor the formation of a spheroid, proving its potential as an impedance biosensor.

"Tecniche di Load Pull attivo a bassa frequenza per la caratterizzazione in banda base di transistori per applicazioni RF"

Una sempre crescente quantità di informazione digitale viene condivisa tra miliardi di dispositivi connessi in ogni angolo del pianeta. Per riuscire a sfruttare una banda più ampia ed aumentare la velocità di trasmissione dei dati, i prossimi standard di telecomunicazioni wireless dovranno adoperare frequenze operative sempre più alte, cercando di rispettare stringenti specifiche in termini di affidabilità ed efficienza energetica. In generale, le prestazioni di un transistor dipenderanno dalle terminazioni a cui esso è collegato. In un setup di caratterizzazione e test, è possibile, tramite un metodo noto come load pull attivo, sintetizzare un determinato valore di impedenza ad uno o più piani di riferimento all'interno di un circuito. Questa strategia si basa in generale sulla manipolazione del rapporto tra onde entranti ed uscenti da un piano di riferimento del dispositivo. Se da una parte tecniche di load pull attivo a banda larga a radiofrequenza hanno ricevuto un notevole interesse sia commerciale che accademico, dall'altra le strategie per la sintesi di impedenze presenti al terminale di alimentazione dell'amplificatore, sono state meno investigate. Questo elaborato si propone di introdurre un algoritmo per il load pull attivo a banda base per amplificatori per applicazioni RF. Dopo un'introduzione sui modelli comportamentali degli amplificatori, è stato considerato il problema degli effetti di memoria. È stata poi descritta la tecnica per l'emulazione di impedenze. Dapprima, è stato considerato il caso lineare. Poi, tramite il design di un amplificatore di potenza per applicazioni a radio frequenza usato come device under test (DUT), sono stati affrontati due esempi in presenza di non linearità, verificando la correttezza della tecnica proposta tramite l'uso di simulazioni.