Sviluppo di una piattaforma multisensore per rilevatori innovativi basati su quantum dot colloidali

Abstract

Oggi, a livello mondiale si investono risorse sempre maggiori per tecnologie e dispositivi innovativi necessari al monitoraggio e all’analisi ambientale per il miglioramento della qualità della vita della popolazione. In particolare, queste piattaforme sono utilizzate per la raccolta, l’elaborazione e l’analisi dei dati provenienti dall'ambiente stesso grazie all’impiego di vari tipi di sensori, che acquisiscono queste informazioni mediante frequenti campionamenti. I dati ottenuti dai sensori passano per un sistema elettronico, detto interfaccia, che filtra e amplifica tali segnali per consentire una loro corretta interpretazione da parte dell’elaboratore. Inoltre, la possibilità' di trasmettere queste informazioni nella rete (Internet of Things) consente di ridurre al minimo l'intervento umano diretto sull’ambientale, permettendo a tali dispositivi di rilevare in automatico i vari cambiamenti dell’ecosistema ed eventualmente agire di conseguenza sul sistema stesso tramite la gestione di attuatori e l’invio di dati in remoto. Essendo i sensori e l’interfaccia le parti cruciali della piattaforma di rilevamento, viene posta in evidenza la necessità di avere:  Sensori lineari, affidabili, a basso costo, facilmente riproducibili e con una buona precisione statica (accuratezza, precisione, risoluzione) e dinamica.  Un’interfaccia robusta alle interferenze, a basso consumo, che permetta la caratterizzazione, la lettura e l’immagazzinamento/trasmissione corretta dei dati provenienti da sensori multipli. In questo lavoro di ricerca, tutti questi punti sono stati presi in esame per la realizzazione di una piattaforma multisensore per l’analisi ambientale tramite l’utilizzo di sensori innovativi per fotorilevazione e alla rilevazione di gas, basati sull’impiego di quantum dot colloidali (CQD). In particolare, quest’ultimi hanno recentemente attirato molto interesse nella fabbricazione di dispositivi optoelettronici nel vicino infrarosso (NIR) per via delle loro proprietà ottiche. Inoltre, rappresentano una valida alternativa ai fotorivelatori NIR (vicino infrarosso) basati su semiconduttori composti III-V come InGaAs e InGaAsP, grazie al fatto che possono essere fabbricati a basse temperature di processo, a basso costo, su larga scala e risultano compatibili con un’ampia varietà di substrati, compreso il silicio. Per questo motivo i CQD sono stati impiegati per la fabbricazione di dispositivi optoelettronici come LED, laser, celle solari e sensori ottici. Oltre alle applicazioni nel campo della fotorivelazione, i CQD hanno dimostrato un alto potenziale come sensori di gas. Infatti, grazie all’elevato rapporto superficie/volume, la parte attiva del sensore consente un rapido ed efficace accesso alle molecole di gas. Queste ultime possono legarsi con i CQD e variarne le proprietà elettriche. Inoltre, questi sensori possono essere prodotti a basse temperature di processo, con grandi vantaggi rispetto ai sensori chemo-resistivi commerciali, che richiedono tipicamente alte temperature di funzionamento (200 - 600°C) [10]. Infine, essendo nanoparticelle di semiconduttore sospese in soluzione che possono essere sintetizzate facilmente, i CQD permettono la realizzazione di rilevatori affidabili, a basso costo e con tecnica di deposizioni semplici che non richiedono alte temperature di processo. Nel corso dei primi due anni di dottorato, sono stati studiati, fabbricati e caratterizzati fotorivelatori operanti nell’infrarosso e sensori di gas basati sull’impego dei quantum dot colloidali. In particolare, sono state affrontate le problematiche quali la degradazione dei dispositivi nel tempo e le tecniche di deposizione della soluzione. In seguito, durante il terzo e ultimo anno di dottorato, si è passato allo sviluppo della piattaforma multisensore per la lettura e caratterizzazione dei segnali ottenuti da questi rilevatori innovativi. Nel dettaglio, sono stati sviluppati gli interdigitati su circuito stampato, la tecnica di deposizione dei quantum dot e la fabbricazione di un’interfaccia elettronica per la lettura dei sensori. Infine, dopo la prototipazione della piattaforma elettronica, sono stati eseguiti i test finali sulla lettura e caratterizzazione dei segnali ottenuti dalla scheda elettronica.