Joint research project

Advanced nanoparticle gas sensors for environment protection, healts improvement and explosive detection.

Project leaders
Roberto Rella, Stefan Luby
Agreement
REPUBBLICA SLOVACCA - SAS - Slovak Academy of Sciences
Call
CNR/SAV 2013-2015
Department
Materials and Devices
Thematic area
Physical sciences and technologies of matter
Status of the project
New

Research proposal

Sensori innovativi a base di ossidi metallici nanostrutturati a comportamento semiconduttore sono attualmente oggetto di studio. La letteratura riporta sistemi costituiti da varie nanostrutture, come nanotubi, nanotubi funzionalizzati o nano particelle (nanorods, nanodots). A differenza dei film sottili finora studiati, questi dispositivi presentano un elevato rapporto superficie/volume idoneo per applicazioni sensoristiche. Alla base di tali dispositivi infatti e’ peculiare ottimizzare e monitorare il piu’ possibile tutti quei fenomeni di interazione gas/superficie sensibile. L’aumento dei siti di adsorbimento disponibili in queste condizioni produce un incremento della conducibilita’ elettrica misurata su questi sistemi e di conseguenza un miglioramento sia delle risposte che dei tempi di risposta e di recupero. L’aumento dei siti di adsorbimento disponibili genera una maggiore dispersione dei portatori di carica generati sulla superficie attiva del materiale sensibile  e di conseguenza la risposta del segnale, cioè la variazione della conducibilità del sensore, subisce una modifica. L’utilizzo di nano-particelle metalliche disperse nella matrice di ossido metallico nano strutturato consente inoltre un miglioramento delle caratteristiche del sensore. Tali metalli hanno infatti un effetto catalizzatore incrementando la resa dei processi di reazione gas/superficie facendo diminuire la temperatura di lavoro del sensore e aumentare la risposta. Anche la sensibilita’ del sistema subisce un netto miglioramento come dimostrato dalla letteratura piu’ recente. Ad esempio i gruppi coinvolti in questo progetto hanno gia’ ottenuto un importante segnale di risposta Rgas/Rair = 10 relativa a sensori a base di film nano strutturati di  Fe2O3 in presenza di 500 ppb di NO2 miscelato in aria secca a temperature di lavoro  di 250°C. Sensori con capacità di rilevare NO2 nel range ppb sono strumenti efficaci per il monitoraggio dell'aria ambiente (inquinamento, gas di scarico) , in applicazioni mediche (prevenzione di asma, malattie del sistema nervoso), ma anche per il rilevamento di esplosivi quali nitrati e loro componenti, come EGDN, TNT, PETN, RDX, nitroglicerina, ecc..I sistemi nano strutturati caratterizzati preliminarmente presso i gruppi di ricerca coinvolti in questo progetto bilaterale sono stati depositati in forma di film sottili mediante evaporazione assistita da  laser pulsato (MAPLE) e mediante la tecnica chimica di Langmuir-Blodgett. Le tendenze attuali nella ricerca di sensori di gas a base di ossido metallico a comportamento semiconduttore sono finalizzate all'aumento della loro sensibilità, selettivita’, al miglioramento della dinamica di risposta, a una migliore stabilità, affidabilità e integrabilità in circuiti elettronici. Queste esigenze sono spesso in contrapposizione e di solito e’ necessario giungere a situazioni di compromesso in modo da ottimizzare le performance del dispositivo finale. La sensibilità è molto spesso migliorata facendo uso di materiali compositi. Molte volte tali strutture composite hanno anche il vantaggio di migliorare la selettivita’ del sensore. Questi ultimi sono  vantaggiosi anche perché presentano un elevato grado di porosita’ tale da generare un’alta concentrazione di siti di adsorbimento per il gas da rivelare. La sensibilità nei confronti del biossido di azoto puo’ anche essere migliorata attraverso attivazione ottica illuminando lo strato sensibile nel range UV. Ovviamente in tal caso, la fonte di radiazione luminosa che investe lo strato sensibile deve essere costituita da sistemi in fibra ottica allo scopo di integrarsi il piu’ possibile nel dispositivo finale. La temperatura di lavoro del sensore puo’, in questo caso, subire modifiche sino a ottenere sistemi che lavorano anche a temperatura ambiente. Altri parametri di interesse sono stabilità e riproducibilità dei sensori. Questi possono essere  migliorati facendo uso di sistemi basati sulla tecnologia del silicio con la possibilita’ di inglobare nel supporto che ospita lo strato sensibile sia il meandro riscaldatore che i contatti interdigitati.  Sulla base di tali considerazioni sono state condotte in via preliminare ricerche  dai gruppi di ricerca coinvolti in questa proposta bilaterale. Tali studi si sono concentrati sulla caratterizzazione di nanoparticelle di Fe2O3 e CoFe2O4. Film sottili nanostrutturati di tali materiali hanno messo in evidenza sensibilità confrontabili con quanto riportato a livello internazionale. La presente proposta intende investigare in maniera piu’ sistematica tali nanostrutture allo scopo di ottenere dispositivi altamente sensibili e selettivi facendo uso di materiali compositi ibridi attivati otticamente mediante inserimento di metalli catalizzatori nano strutturati plasmonici il piu’ possibile monodispersi allo scopo di amplificare il segnale prodotto dall’interazione gas superificie sensibile mediante eccitazione ottica.
References
A. P. Caricato, A. Luches, R. Rella,  Sensors 9, 2009, 2682 – 2696. A. P. Caricato, M. Epifani, M. Martino, F. Romano, R. Rella, A. Taurino, T. Tunno, D. Valerini,  J. Phys.D: Appl. Phys. 42, 2009, 095105. S. Luby, L. Chitu, M. Jergel, E. Majkova, P. Siffalovic, A. P. Caricato, A. Luches, M. Martino, R. Rella, M. G. Manera,  Vacuum 86, 2012, 590 – 593. S. Luby, M. Jergel, E. Majkova, P.Siffalovic, L. Chitu, R. Rella, M. G. Manera, A. P. Caricato, A. Luches, M. Martino, Physics Procedia 32, 2012, 152 – 156. M. G. Manera, A. Taurino, M. Catalano, R. Rella, A. P. Caricato, R. Buonsanti, P. D. Cozzoli, M. Martino, Sensors and Actuators B 161, 2012, 869 – 879. S. Luby, E. Majkova, P. Siffalovic, M. Benkovicova, M. Jergel, R. Rella, M. G. Manera, 14th Joint Vacuum Conf., Dubrovnik, June 2012, invited paper.

Research goals

Le finalità del progetto: 1. Un ulteriore miglioramento della tecnologia di preparazione di nano particelle di Fe2O3 e CoFe2O4 con dispersione nelle dimensioni inferiore al 10%. 2. Sintesi di nano particelle di Pt, Pd e Au quali metalli catalizzatori potenzialmente attivabili anche otticamente attraverso effetti plasmonici localizzati. 3. Elaborazione del processo di litografia di substrati di silicio con elettrodi interdigitali sepolti nel substrato e riscaldatore integrato nel bulk. 4. Misurazione e analisi della conducibilità elettrica in array di nanoparticelle e studio dei  meccanismi di conducibilita’. Studio degli eventuali effetti di percolazione, e analisi della dipendenza della conducibiltia’ dalla temperatura. Misura della energia di attivazione del processo di conducibilita’. 5. Miglioramento dei parametri di deposizione degli strati sensibili preparati dai gruppi di  Bratislava (LB) e dal gruppo di Lecce (MAPLE) in funzione dei parametri di sensing sia per analiti quali CO (gas riducenti) che NO2 (gas ossidante).  L’obiettivo sara’ di ottenere limiti di rivelazione intorno ai 50 ppb di NO2 e circa 1 ppm di CO. 6. Studio del meccanismo di conduzione e di rivelazione degli analiti in funzione dello spessore dello strato sensibile (numero di monostrati nel caso di deposizione LB).
 

Last update: 27/11/2021