SEMICONDUTTORI. materiali funzionali per l elettronica e la sensoristica

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1 STUDENTS MEETING SEMICONDUTTORI materiali funzionali per l elettronica e la sensoristica Maria Cristina Carotta Dipartimento di Fisica - Laboratorio Sensori e Semiconduttori Ferrara, 15 ottobre 2009

2 ATTIVITÀ DEL LABORATORIO SENSORI E SEMICONDUTTORI Ricerche fondamentali in fisica della materia e scienza dei materiali Sviluppo di materiali innovativi Realizzazione e caratterizzazione di sensori di gas e celle fotovoltaiche (tradizionali e a concentrazione)

3 SEMICONDUTTORI Semiconduttori convenzionali (silicio, germanio, arsenuro di gallio, ) legame covalente - proprietà di bulk (massive) applicazioni: elettronica - dispositivo di base: diodo Ossidi metallici semiconduttori (es: biossido di stagno,.) - prevalente legame ionico - proprietà di superficie applicazioni: sensoristica principalmente sensori per gas

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5 Attività di ricerca: Sensoristica per gas Microsistemi (MEMS)

6 Attività di ricerca Celle fotovoltaiche Sistemi fotovoltaici a concentrazione

7 Tecnologie Sintesi di nano-polveri di ossidi semiconduttori ecnologia serigrafica per la deposizione di film spessi orni UV, IR e a muffola per trattamenti termici inea di fotolitografia Wedge Wire Bonding (saldature a termocompressione) reparazione di miscele di gas tramite MFCs Reattori atmosferici per drogaggio ed ossidazione dei wafer di silicio Reattore LPCVD per ossidazione e nitrurazione di wafer di silicio VD da sorgenti termiche ed e-gun Wet benches lasma etcher robe station Ellissometria

8 Silicio monocristallin o Silicio policristallin o

9 I difetti nei cristalli semiconduttori Un cristallo perfetto non esiste: in qualunque cristallo ci sono imperfezioni e impurezze I difetti modificano le proprietà fisiche dei cristalli L introduzione controllata di difetti modula le proprietà del cristallo

10 EFFETTI DELLE IMPUREZZE -

11 DISPOSITIVI A SEMICONDUTTORI Il diodo La cella fotovoltaica

12 Sistema di concentrazione della luce solare

13 IL SUGGERIMENTO DELL ARCOBALENO

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15 Prototipo di dispositivo fotovoltaico a concentrazione con separazione spettrale

16 SENSORI PER GAS A OSSIDI SEMICONDUTTORI: APPLICAZIONE AL MONITORAGGIO DEGLI INQUINANTI ATMOSFERICI

17 Sensori per gas Gli strati sensibili sono policristallini, costituiti di nanoparticelle di ossidi metallici semiconduttori 50nm

18 Sintesi di ossidi attraverso processi di wet chemistry Hydrolisis and Condensation Gelation 3D network formation in a continuous liquid phase [[H+], T, H2O/M] Starting materials: Inorganic Salts in aqueous solution Alkoxides in non aqueous solution SOL Gel-precipitation nanostructured particles precursors of the semiconductor oxide Gel dry precursor of the semiconductor oxide thermal Treatments Conversion precursor/oxide nanostructured semiconductor oxide

19 Dalle nanoparticelle di semiconduttori ai sensori di gas inquinanti 200 µm Sensori per NOx, CO e ozono

20 SVILUPPO DI UNA STAZIONE DI MONITORAGGIO BASATA SU SENSORI A STATO SOLIDO DA OSSIDI SEMICONDUTTORI NANOSTRUTTURATI 200 µm

21 Monitoraggio atmosferico degli inquinanti gassosi: Monossido di carbonio (10 mg/m3 media su 8 h) Ossidi di azoto (NO2-200 µg/m3 media su 1 h) Ozono (120 µg/m3 media su 8 h) Benzene (5 µg/m3 media su 1 anno)

22 Confronto tra tecnologia convenzionale ed innovativa Strumenti analitici Misure accurate e precise Sensori chemio-resistivi ingombranti costi elevati necessità di personale qualificato manutenzione costante Facili da installare e da usare piccole dimensioni portatili basso costo Utilizzi: adatti al monitoraggio continuo affiancamento alla strumentazione convenzionale validazione di modellistica di dispersione

23 Confronto fra le concentrazioni di CO misurate da un sensore a base di una soluzione solida di SnO2, TiO2 e Nb e uno spettrofotometro IR CO[ppm] 4 CO Sens CO analizzatore /12/06 17/12/06 19/12/06 21/12/06 4 CO[ppm] invern o 0 13/12/06 CO Sens CO analizzatore /01/07 06/01/07 08/01/07 Tempo 10/01/07 12/01/07

24 Installazione a MALTA

25 Monitoraggio dell inquinamento atmosferico nel Nepal Himalaya (5078 m) RH HIMALAYA 5078 mt T 4000 W11 W11 LF STN V STN /05/09 16:48:00 19:12:00 21:36:00 07/05/09

26 Esperimenti di monitoraggio Di notte, le concentrazioni di NOx sono maggiori al piano superiore, quando il traffico, sorgente di inquinanti a livello del suolo è assente e le sorgenti di NOx sono più alte, come I camini domestici e industriali. 500 Monday lower level Monday upper level Sunday lower level Sunday upper level 3 NOx [µg/m ] ore di monitoriaggio giornaliere dal 9 al 15 gennaio Palazzo Turchi di Bagno (Ferrara, 2 8 m) :00:00 04:00:00 08:00:00 12:00:00 16:00:00 January :00:00 24:00:00