Maria Cristina CarottaMaria Cristina Carotta

Dipartimento di Fisica - Laboratorio Sensori e SemiconduttoriDipartimento di Fisica - Laboratorio Sensori e Semiconduttori

Ferrara, 15 ottobre 2009

SEMICONDUTTORISEMICONDUTTORI

materiali funzionali per materiali funzionali per l’elettronica e la sensoristical’elettronica e la sensoristica

STUDENTS MEETINGSTUDENTS MEETING

ATTIVITÀ DEL LABORATORIO SENSORI E ATTIVITÀ DEL LABORATORIO SENSORI E SEMICONDUTTORISEMICONDUTTORI

• Ricerche fondamentali in fisica della materiae scienza dei materiali

• Sviluppo di materiali innovativi

• Realizzazione e caratterizzazione di sensori di gase celle fotovoltaiche (tradizionali e a concentrazione)

SEMICONDUTTORISEMICONDUTTORI

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

Attività di ricerca:

Microsistemi (MEMS) Sensoristica per gas

Attività di ricerca Sistemi fotovoltaici a concentrazione

Celle fotovoltaiche

TecnologieTecnologieSintesi di nano-polveri di ossidi semiconduttoriTecnologia serigrafica per la deposizione di film spessiForni UV, IR e a muffola per trattamenti termiciLinea di fotolitografiaWedge Wire Bonding (saldature a termocompressione)Preparazione di miscele di gas tramite MFCsReattori atmosferici per drogaggio ed ossidazione dei wafer di silicioReattore LPCVD per ossidazione e nitrurazione di wafer di silicioPVD da sorgenti termiche ed e-gunWet benchesPlasma etcherProbe station Ellissometria

Silicio policristallin

o

Silicio monocristallin

o

I difetti nei cristalli semiconduttoriI 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

EFFETTI DELLE IMPUREZZEEFFETTI DELLE IMPUREZZE

-

La cella fotovoltaica

DISPOSITIVI A SEMICONDUTTORIDISPOSITIVI A SEMICONDUTTORI

Il diodo

Sistema di concentrazione della luce solareSistema di concentrazione della luce solare

IL SUGGERIMENTO DELL’ARCOBALENOIL SUGGERIMENTO DELL’ARCOBALENO

Prototipo di dispositivo fotovoltaico a Prototipo di dispositivo fotovoltaico a concentrazione con separazione spettrale concentrazione con separazione spettrale

SENSORI PER GAS A OSSIDI SENSORI PER GAS A OSSIDI

SEMICONDUTTORI: SEMICONDUTTORI:

APPLICAZIONE AL MONITORAGGIO APPLICAZIONE AL MONITORAGGIO DEGLI INQUINANTI ATMOSFERICIDEGLI INQUINANTI ATMOSFERICI

Sensori per gasSensori per gas

Gli strati sensibili sono policristallini, costituiti di nanoparticelle di ossidi metallici semiconduttori

50nm

nanostructured nanostructured semiconductor oxidesemiconductor oxide

Gel dry precursor of the semiconductor oxide

Starting materials:

Inorganic Salts in aqueous solutionAlkoxides in non aqueous solution

SOL

Gelation3D network formation in a continuous liquid

phase

Hydrolisis and Condensation

[[H+], T, H2O/M]

Gel-precipitationnanostructured

particles precursors of the semiconductor

oxide

Conversion precursor/oxide

thermal Treatments

Sintesi di ossidi attraverso processi di wet Sintesi di ossidi attraverso processi di wet chemistrychemistry

200 µm200 µm

Dalle nanoparticelle di semiconduttori ai Dalle nanoparticelle di semiconduttori ai sensori di gas inquinanti sensori di gas inquinanti

Sensori per NOx, CO e

ozono

SVILUPPO DI UNA STAZIONE DI SVILUPPO DI UNA STAZIONE DI MONITORAGGIO BASATA SU SENSORI A MONITORAGGIO BASATA SU SENSORI A STATO SOLIDO DA OSSIDI STATO SOLIDO DA OSSIDI SEMICONDUTTORI NANOSTRUTTURATISEMICONDUTTORI NANOSTRUTTURATI

200 µm

Monitoraggio atmosferico degli inquinanti Monitoraggio atmosferico degli inquinanti gassosi:gassosi:

Monossido di Monossido di carbonio carbonio (10 (10 mg/mmg/m33 – media su 8 h) – media su 8 h)

Ossidi di azoto Ossidi di azoto (NO(NO22 -200 -200 µµg/mg/m33 – media su 1 h) – media su 1 h)

Ozono Ozono (120 (120 µµg/mg/m33 – media su 8 h) – media su 8 h)

Benzene Benzene (5 (5 µµg/mg/m33 – media su 1 anno) – media su 1 anno)

Confronto tra tecnologia Confronto tra tecnologia convenzionale ed innovativaconvenzionale ed innovativa

Strumenti analitici

Misure accurate e precise

ingombranti

costi elevati

necessità di personale qualificato

manutenzione costante

Sensori chemio-resistivi

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

Confronto fra le concentrazioni di CO misurate da un Confronto fra le concentrazioni di CO misurate da un sensore a base di una soluzione solida di SnO2, TiO2 e sensore a base di una soluzione solida di SnO2, TiO2 e Nb e uno spettrofotometro IRNb e uno spettrofotometro IR

0

1

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04/01/07 06/01/07 08/01/07 10/01/07 12/01/07

CO SensCO analizzatore

Tempo

CO

[ppm

]

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1

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13/12/06 15/12/06 17/12/06 19/12/06 21/12/06

CO SensCO analizzatore

CO

[pp

m]

inverno

Installazione a MALTAInstallazione a MALTA

0

1000

2000

3000

4000

06/05/09 16:48:00 19:12:00 21:36:00 07/05/09

RH

T

W11

W11

LF4

STN

STN

V

HIMALAYA 5078 mt

Monitoraggio dell’inquinamento atmosferico Monitoraggio dell’inquinamento atmosferico nel Nepal nel Nepal

Himalaya (5078 m)Himalaya (5078 m)

Esperimenti di monitoraggioEsperimenti di monitoraggio

24 ore di monitoriaggio giornaliere dal 9 al 15 gennaio 2006 - Palazzo Turchi di Bagno (Ferrara, 2 – 8 m)

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.

0

100

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500

00:00:00 04:00:00 08:00:00 12:00:00 16:00:00 20:00:00 24:00:00January 9-15 2006

NO

x [µ

g/m

3 ]

Monday – lower levelMonday – upper levelSunday – lower levelSunday – upper level