THREE-DIMENSIONAL NANO-HETEROJUNCTIONS FOR PHOTO- AND CHEMICAL SENSING
Creators: name: PARGOLETTI, ELEONORA
Publisher: name: Universit� degli Studi di Milano
Year: 2020

description: La percezione sensoriale dell'ambiente circostante � strettamente correlata allo sviluppo della vita animale e umana; in particolare, il rilevamento di gas � un'esperienza sensoriale complessa che influenza le nostre decisioni e azioni. Tuttavia, il sistema olfattivo umano � limitato ad una rilevazione qualitativa di pochi gas. Inoltre, lo sviluppo industriale negli ultimi decenni, insieme al drastico miglioramento della qualit� della vita e della mobilit�, ha aumentato le esigenze di rilevazione quantitativa di diversi analiti. L'analisi di miscele di gas online � fondamentale in molti campi di ricerca e, al giorno d'oggi, l'attenzione � rivolta al rilevamento analitico a fini diagnostici. In particolare, il crescente sviluppo di dispositivi innovativi ha portato all?ottenimento di nuovi sensori miniaturizzati, capaci di sentire basse concentrazioni di differenti biomarker, con veloci tempi di risposta a temperatura ambiente. Nello specifico, i principali parametri da considerare per la fabbricazione di dispositivi ottimali sono i seguenti: sensibilit�, basse temperature di lavoro, tempi di risposta/recupero e selettivit�. A tal proposito, i nanomateriali a base di carbonio, nonostante mostrino numerose propriet� come una bassa resistivit� e buona resistenza meccanica, non possiedono buone capacit� di rilevazione e trasduzione nei confronti di molecole o fotoni. D'altra parte, i chemoresistori a base di Semiconduttori di Ossidi Metallici (MOS) nonostante siano ampiamente utilizzati, presentano ancora numerosi inconvenienti, in particolare legati alle alte temperature operative e alla scarsa selettivit�. Lo scopo del presente progetto di dottorato �, quindi, la sintesi di nanostrutture tridimensionali, caratterizzate da eterogiunzioni perfettamente integrate di Ossido di Grafene (GO) e MOS (di tipo n) per il rilevamento a bassa temperatura e sotto irraggiamento UV di Composti Organici Volatili (VOC come ad esempio etanolo, acetone, toluene ed etilbenzene). Nello specifico, sono stati investigati diversi ossidi di metalli di transizione (ZnO, SnO2, WO3, TiO2 o una soluzione solida di SnO2-TiO2) al fine di preparare film porosi e micrometrici (alcuni micron) aventi promettenti propriet� chemoresistive. Inoltre, mentre il semiconduttore a base ossidica � di solito responsabile del rilevamento di gas ad alte temperature, l?ossido di grafene svolge il ruolo fondamentale di migliorare la sensibilit� e soprattutto la detection a bassa temperatura, anche grazie alla presenza della luce UV. I materiali cos� ottenuti, avendo un'eccellente risposta alle radiazioni ultraviolette, risultano essere anche ottimi fotorilevatori. Successivamente, � stato studiato l'effetto della quantit� di GO sulle performance dei semiconduttori, specialmente in presenza di una matrice di ZnO o di SnO2. Nel caso del biossido di stagno, infatti, un alto contenuto di GO consente di ottenere sia una risposta a temperatura ambiente, che una maggiore selettivit� verso molecole pi� grandi e non polari, come l'etilbenzene. Al contrario, basse quantit� di GO aumentano la selettivit� verso molecole polari come l?etanolo, aprendo di fatto nuovi orizzonti alla sintesi e all?ingegnerizzazione di nuovi materiali, in grado di rilevare concentrazioni di VOC dell?ordine dei ppb. In aggiunta, la matrice di SnO2 porta a performance migliori rispetto a quelle ottenute con l?ossido di zinco, sia in termini di intensit� del segnale che di sensibilit�. Quindi, studi preliminari, volti a migliorare ulteriormente la selettivit�, sono stati condotti preparando composti ternari formati da una soluzione solida SnO2-TiO2 e GO: in questo caso � stata osservata una maggiore selettivit� per le molecole grandi e non polari, come il toluene. Inoltre, � noto che le propriet� chimico-fisiche dei chemoresistori influenzano fortemente le loro caratteristiche di detection. Quindi, parallelamente al precedente studio, l?attenzione � stata focalizzata sulla sintesi ad hoc di ossido di tungsteno adottando diversi precursori e agenti strutturanti. In particolare, si � osservato che il diametro dei cristalliti, l?area superficiale e il volume/forma dei pori sono i principali parametri alla base delle performance sensoristiche in termini di intensit� del segnale e tempi di risposta/recupero. Allo stesso tempo, calcoli computazionali e misurazioni XANES in situ presso il sincrotrone (ESRF) di Grenoble sono stati effettuati al fine di confermare/ipotizzare il meccanismo di sensing. Particolare attenzione � stata, poi, rivolta ai sistemi misti MOS-GO, dove la formazione di giunzioni p (GO) ? n (MOS) amplifica e migliora il segnale. In conclusione, i risultati ottenuti con questo progetto di dottorato possono essere considerati delle linee guida per l?ingegnerizzazione di nuovi dispositivi ibridi a base di materiali carboniosi e ossidi di metallo, per applicazioni che vanno dall'optoelettronica al campo sensoristico e a quello dell'elettrocatalisi.