RICERCA - Prof. Giampiero de Cesare


AREA DI RICERCA: Applicazioni elettroniche e sensoristiche del silicio amorfo idrogenato e sue leghe.

Il percorso della attività scientifica di G.d.C. ha seguito, in una logica ingegneristica, le fasi di:


1) studio del materiale, volto alla ottimizzazione delle caratteristiche opto-elettroniche del a-Si:H e delle sue leghe,
2) progetto e realizzazione di dispositivi in a-Si:H per applicazioni sensoristiche ed elettroniche,
3) sviluppo di sistemi integrati basati su array di sensori a film sottile per applicazioni nel campo delle analisi biomolecolare (micro-array, Lab-on-Glass).


ATTIVITA’ DI RICERCA

Il percorso della attività scientifica di G.d.C. ha seguito, in una logica ingegneristica, le fasi di: 

1) studio del materiale, volto alla ottimizzazione delle caratteristiche opto-elettroniche del a-Si:H e delle sue leghe, 

2) progetto e realizzazione di dispositivi in a-Si:H per applicazioni sensoristiche ed elettroniche, 

3) sviluppo di sistemi integrati basati su array di sensori a film sottile per applicazioni nel campo delle analisi biomolecolare (micro-array, Lab-on-Glass). 

L’attività di ricerca di G.d.C., caratterizzata da un forte carattere di interdisciplinarità, ha coinvolto competenze in ambito elettronico, chimico, fisico, medico e biologico fornite in maniera esaustiva dalle collaborazioni con numerosi centri di ricerca Universitari e/o Industriali, sia in ambito nazionale che internazionale. Tali collaborazioni risultano evidenti nei lavori pubblicati nelle diverse fasi temporali del percorso della attività scientifica di G.d.C, e dai gruppi di ricerca coinvolti nei progetti di ricerca europei: “HETSI", “OTASENS” e DEMOTOX”

Partendo dalla ottimizzazione delle proprietà elettriche ed ottiche del materiale l'attività di ricerca di G.d.C. ha portato allo sviluppo di dispositivi in silicio amorfo, in molti casi innovativi e oggetto di brevetti internazionali, per applicazioni nel campo della conversione fotovoltaica, dei dispositivi elettronici per il pilotaggio di matrici attive, e sensoristico. In particolare:

Fotovoltaico

-Cella solare ad eterostruttura. Tramite l'uso di un tecnologia innovativa per la realizzazione di un particolare “window layer” in CrSi, (brevettata da G.d.C), è stata realizzata, in collaborazione del centro Ricerche ENEA Casaccia, una cella ad eterostruttura con 17% di efficienza, che ha rappresentato (al 2004) il valore più elevato riportato in letteratura per questo tipo di dispositivi. Tale tecnologia è parte di un brevetto (G.d.C. coautore): "Method of manufacturing an amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cell" (United States Patent N° US 20120301999 A1) di proprietà Energy Research Centre of the Netherlands (ECN).

Componenti Elettronici

-Dispositivo switch a due terminali per matrici attive. In questo ambito sono stati progettati e realizzati nuovi dispositivi a due terminali, con caratteristiche corrente-tensione a soglia simmetriche (range 1-30V), costituiti da strutture impilate di strati di silicio amorfo.

-Dispositivo bistabile a film sottile. Un nuovo dispositivo bistabile è stato progettato, realizzato e caratterizzato. Le simulazioni hanno mostrato la dipendenza della tensione di accensione e della ampiezza dell'isteresi del componente dallo spessore e drogaggio dello strato centrale della struttura. 

-Transistore FET a giunzione. E' stato progettato e realizzato il primo transistore a giunzione ad effetto di campo (JFET) costituito fondamentalmente da una giunzione p+-i-nin silicio amorfo idrogenato con tensione di soglia di 3 V ed una transconduttanza di 3x10-5 A/V.

Sensori

Fotosensore a due terminali per la rivelazione dei tre colori fondamentali, blu, verde e rosso, dello spettro visibile. Il dispositivo è realizzato in configurazione “stacked”, come sovrapposizione di tre sensori in silicio amorfo, ognuno sensibile ad uno dei tre colori. Una polarizzazione esterna di +2 V, - 0,5 V, o -2 V, rende attivo per la rivelazione della luce solo una delle tre zone costituenti il sensore.

Fotorivelatore per la radiazione U.V. cieco alle radiazioni visibili, è basato su eterostruttura silicio amorfo/silicio-carbonio amorfo. Un prototipo realizzato ha mostrato efficienza quantica del 50% nell'ultravioletto da vuoto. Problemi legati alla stabilità ed alla linearità della fotorisposta sono stati risolti tramite una tecnologia innovativa per lo strato ”finestra” del dispositivo. 

-Matrice attiva per rivelazioni di immagini colorate. Nel campo della rivelazione di immagini è stato sviluppato un particolare dispositivo a due terminali, in cui, in configurazione “stacked”, sono impilati un fotorivelatore per due colori ed un componente switch a film sottile a doppia soglia. Tale dispositivo ha portato alla progettazione e realizzazione di una matrice attiva per la rivelazione di immagini a due colori ad alta risoluzione con un fill factor (rapporto tra area attiva e area della matrice) maggiore del 80%.

-Fotosensore accordabile per la rivelazione di luce visibile e infrarossa. ad eterostruttura silicio cristallino/silicio amorfo con efficienza quantica di 0.85 alla lunghezza d’onda  di 500 nm, e di 0.80 a l = 850 nm con tensioni applicate di –2 V e +2 V rispettivamente. 

-Sensore di stress meccanico. E’ stato realizzato un sensore innovativo di stress meccanico, costituito da una struttura staked di silicio amorfo n-type e film di siliciuro di cromo. In particolare la bassa temperatura di deposizione permette la realizzazione del sensore direttamente sulle parti meccaniche da monitorare o su substrati plastici flessibili, proprietà queste interessanti nella applicazione come sensori di forza e tattili in sistemi di robotica avanzati ("dito elettronico").

-Sensore di temperatura a film sottile in, basato sull'utilizzo di una giunzione in a-Si:H polarizzata in corrente diretta. Sensibilità di 3,3 mV/K, maggiori delle sensibilità dei diodi in silicio cristallino, sono state ottenute con strutture ad eterogiunzione a-Si/a-SiC.

 

Recentemente G.d.C. è impegnato in applicazioni di dispositivi a film sottile in sistemi complessi nel campo delle apparecchiature medicali, e delle analisi biomolecolare, in particolare:

Sistema per chirurgia oftalmica con misura real time della temperatura dell’occhio.

Il sistema è stato sviluppato e realizzato nell’ambito di un progetto di ricerca che G.d.C. ha svolto in collaborazione con la ditta OPTIKON  2000 S.p.A. di Roma, ed è basato sull’utilizzo di un diodo in silicio amorfo come sensore di temperatura. La misura della temperatura è di grande interesse nella chirurgia della cataratta. Il programma ha previsto la realizzazione di un prototipo di sistema in grado di rilevare la temperatura locale dell’occhio durante l’intervento chirurgico. Per la realizzazione del sistema è stata progettata e realizzata da G.d.C. una tecnologia innovativa che ha permesso la fabbricazione di una giunzione p-i-n in silicio amorfo, sulla estremità del bisturi oftalmico, e la sua connessione elettrica ad un circuito di polarizzazione e lettura dei dati dal sensore. Il sistema è alla base di un brevetto internazionale: “Scalpel for ophthalmic surgerywith integrated temperature measurement, and process for realizing the same” (EP1997461A2)

Sistema integrato per controllo di qualità di alimenti

E' stato progettato e realizzato. un sistema Lab on Glass per la particolare applicazione della tecnica di analisi cromatografica su strato sottile (TLC) con uno strumento compatto su vetrini standard da laboratorio (Smart TLC) Il sistema è alla base di due progetti europei di ricerca, in ambito FP7, finalizzati alla progettazione di un prototipo (OTASENS project) e allo sviluppo per produzione industriale (DEMOTOX project) del sistema “Smart TLC” per applicazioni nel campo dell’analisi tossicologica “in situ” di sostanze destinate all’alimentazione, per le quali esiste una normativa severa del controllo di qualità.

Sistema integrato di analisi chimica e/o biomolecolare

Il campo di ricerca di maggior interesse di G.d.C. è attualmente quello dello sviluppo di sistemi integrati "Lab on Chip" (LoC), capaci di effettuare diagnosi complesse in modo automatizzato e veloce, utilizzando piccole quantità del campione sotto analisi. L'idea consiste nell'integrare su un unico supporto, ad esempio un vetrino standard da laboratorio, le operazioni fondamentali di un'analisi chimica e/o bio-molecolare, compresa la "on-chip detection" tramite array di sensori in silicio amorfo. In questo ambito G.d.C. è coinventore di un brevetto, è stato Responsabile Scientifico di Unità di due progetti PRIN (03-04, 05-06), per lo sviluppo di tecniche “label free” per il riconoscimento di molecole di DNA, basate sulla misura, tramite array di fotosensori UV in silicio amorfo, della variazione di assorbimento ottico nell’UV di molecole ibribizzate.

Attualmente, nell'ambito del progetto di ricerca "Life-NanoScience" tra l'Istituto Italiano Tecnologie (ITT) e "Sapienza" Università, è in corso la progettazione e realizzazione di un sistema LoC per il processo di amplificazione molecolare tramite Real Time Polimerase Chain Reaction (PCR). In particolare il sistema è fabbricato su un vetrino da microscopio e comprende un resistore a film sottile e un sensore di temperatura in a-Si:H per il controllo termico dei processo PCR, un fotosensore in silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) per in monitoraggio "real time" del processo, e un circuito di microfluidica in polidimetilsilossano (PDMS) per il contenimento e movimentazione della soluzione biologica.

 

PROGETTI DI RICERCA
G.d.C. ha coperto, nell’ambito dei seguenti progetti di ricerca finanziati, il ruolo di:
  • Responsabile Scientifico del progetto di ricerca finanziato dall’Ateneo: “Dispositivi switch a film sottile per matrici attive”; Finanziamento: Lire 30.000.000  (2000).
  • Responsabile Scientifico del progetto di ricerca finanziato dalla Facoltà: “Dispositivi switch in silicio amorfo idrogenato per array di fotorivelatori”; Finanziamento: Lire 5.000.000 (2001).
  • Responsabile Scientifico del progetto di ricerca finanziato dalla Facoltà: “Sensori di stress in silicio amorfo”; Finanziamento: 3.900 € (2002).
  • Responsabile Scientifico del progetto di ricerca finanziato dall’Ateneo: “Sensori di stress meccanico a film sottile su substrati flessibili”; Finanziamento: 19.300 € (2004).
  • Partecipazione "attiva e costante" nel contratto di ricerca con ENEA: “Modellizzazione e svilupppo di processi tecnologici per la realizzazione di celle solari ad eterostrutture silicio cristallino - silicio amorfo.”; (2003-2004).
  • Responsabile Scientifico di Unità del progetto di ricerca PRIN finanziato dal MIUR: “Progettazione e realizzazione di sensori ottici a film sottile per il riconoscimento biomolecolare”; Finanziamento: 45.900 € (2003-2004).
  • Responsabile Scientifico del progetto di ricerca finanziato dalla Facoltà “Sviluppo di fotorivelatori UV per il riconoscimento biomolecolare”; Finanziamento: 3.600 € (2004).
  • Responsabile Scientifico di Unità del progetto di ricerca PRIN finanziato dal MIUR: “Matrice di fotorivelatori di radiazione ultravioletta per riconoscimento biomolecolare”.  Finanziamento: 35.000 € (2005-2006)
  • Responsabile Scientifico del progetto di ricerca biennale finanziato dall’Università (ex Ateneo) “Sistema di analisi cromatografica di sostanze biologicamente attive, basato su fotosensori in silicio amorfo” Finanziamento totale : 32.400 €. (2007-2008).
  • Responsabile Scientifico del contratto di ricerca finanziato da OPTIKON 2000 SpA: “Termometro a film sottile fabbricato su accessorio per chirurgia oftalmica”. Finanziamento: 120.000 €.  (2007-2008).
  • Capo Progetto -Business Lab- finanziato da FILAS (Finanziaria Laziale di Sviluppo): “Smart TLC Plate – Sistema intelligente per analisi cromatografica”. Budget assegnato: 82.000 €.  (2007-2008).
  • Coordinatore Scientifico del progetto di ricerca europeo “ Research for SMEs” - Call ID “FP7-SME-2008-1” Proposal N 232245 – OTASENS, “Novel photosensor-based device for rapid and quantitative ochratoxin A determination in wine, beer and feed”. Finanziamento: 591.500 €. (2009-2011)
  • Responsabile Scientifico del contratto di ricerca con ENEA Casaccia finanziato dalla Comunità Europea in ambito FP7: "HETSI-Hetero-junction solar cells based on a-Si:H / c-Si". Finanziamento: 27.600 €. (2012)
  • Responsabile Scientifico del contratto di ricerca con ENEA Casaccia “Sviluppo di strati sottili di silicio amorfi drogati ed intrinseci per applicazioni in celle solari da eterogiunzioni silicio amorfo-silicio criistallino per celle a contatti interdigitali posteriori”. Finanziamento: 9.800 €. (2012)
  • Responsabile scientifico del progetto di Ateneo: "Sistema microfluidico, attuato tramite elettrowetting, integrato con sensori per la rivelazione di reazioni chemiluminescenti in analisi biomolecolare" Finanziamento: 10.000 € (2012-13)
  • Coordinatore Scientifico del progetto di ricerca europeo “ Research for SMEs” - Call ID “FP7-SME-2013-3”– DEMOTOX, “An innovative device to detect quickly and friendly ochratoxin A and other myco-toxins in feed, food and beverage”. Finanziamento: 168.800 € (2013-2015).
  • Responsabile Scientifico per Accordo di collaborazione ENEA-DIET "Sapienza" per: “Sviluppo di strati sottili di ossido trasparente e conduttivo e metallizzazioni per celle ad eterogiunzione silicio amorfo / silicio cristallino” Finanziamento: 36.300x3 = 108.900 € (2013-2015).
  • Referente Scientifico di due task nell'ambito del progetto di ricerca  "Life-NanoScience" tra l'Istituto Italiano Tecnologie (ITT) e "Sapienza" Università di Roma (2011-2016) con budget totale di 25 M€. 1-"Novel lab-on-chip methodologies for easy and cheap detection of miRNAs as biomarkers of neurodegenerative disorders"; 2-"Development of a very compact and high sensitivity system for PCR-based detection of nucleid acids in CSCs" Finanziamento (2013): 45.000+ 72.000 € (una borsa di dottorato).
  • Responsabile Scientifico per Accordo di collaborazione ENEA-DIET "Sapienza" per: “Studio dei processi di passivazione dei wafer di silicio” Finanziamento: 45.000 € (2015-2016)
  • Responsabile scientifico del progetto di Ateneo: "Sistema opto-elettronico integrato su vetro per amplificazione molecolare di DNA" Finanziamento: 33.600 € (2017).
  • Responsabile Scientifico per Accordo di collaborazione ENEA-DIET "Sapienza" per: “Studio dei processi di passivazione dei wafer di silicio” /in fase di finalizzazione) Finanziamento: 45.000 € (2016-2017)

 

                                    TOTALE FINANZIAMENTI      € 1.516.800

 

 

       BREVETTI

  1. G. de Cesare, F. Irrera, F. Palma " Fotorivelatore a spettro variabile controllato in tensione, per applicazioni di rivelazione e ricostuzione di immagini bidiminsionali a colori"; Brevetto No. RM94A000294; DE69503565D1, DE69503565T2, EP0682375A1, EP0682375B1, US No 5.557.133; (http://www.google.co.in/patents/US5557133) Proprietà: Università di Roma “La Sapienza”, (1994)  Premio Philip Morris per la ricerca scientifica e tecnologica 1994. Area tematica: Tecnologie dell'informazione e delle comunicazioni.
  2.  G. de Cesare, F. Irrera, F. Palma, "Rivelatore di radiazione ultravioletta in film sottile, con opzione di elevata selettività spettrale"; Brevetto No RM95A000073; EP0726605A2, EP0726605A3; US No 5682037, (http://www.google.com/patents/EP0726605A2?cl=en&hl=it) Proprietà: Università di Roma “La Sapienza” (1995).
  3.  G. de Cesare, F Palma “Sensore di stress meccanico a strati sottili di siliciuro di cromo”. Brevetto N° RM2004A000532, EP 1828733A1, EP 1828733B1, WO2006046269A1, (https://www.google.com/patents/WO2006046269A1?hl=it&dq=WO+2006/046269&ei=skHsVNeqNMa_ywOQpIHQCw&cl=en) Proprietà: Università di Roma “La Sapienza” (2004).
  4.  G. de Cesare “Dispositivo per conversione fotovoltaica e/o fotorivelazione con strato finestra in siliciuro di cromo, e relativo procedimento di fabbricazione” Brevetto N° RMA000593, Proprietà: Università di Roma “La Sapienza” (2004).
  5. D. Caputo, G. de Cesare, A. Nascetti, C. Manetti, “Sistema integrato per analisi chimica e/o biomolecolare, e relativo procedimento di fabbricazione” Brevetto N° RM2007A000028, EP21066546A1, WO2008090578 A1, (https://www.google.com/patents/WO2008090578A1?cl=en&dq=WO/2008/090578&hl=it&sa=X&ei=6kLsVO2nJKHPygPC2ILYAw&ved=0CB8Q6AEwAA) Proprietà: Università di Roma “La Sapienza” (2007).
  6. G. de Cesare, G. B. Angelini, “Bisturi per chirurgia oftalmica con misura di temperatura integrata, e relativo procedimento di realizzazione” Brevetto N° RM2007A000293, EP1997461A2, (https://www.google.com/patents/EP1997461A2?cl=en&hl=it) Proprietà: OPTIKON 2000 S.p.A. (2007).
  7. M. Tucci,  S.De Iuliis, L. J. Geerlings, L. Serenelli, E. Salza, L. Pirozzi, D. Caputo, G. de Cesare, "Method of manufacturing an amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cell", Application No. US20120301999A1 (12/128,109), Proprietà: STICHTING ENERGIEONDERZOEK CENTRUM NEDERLAND, (https://www.google.com/patents/US20120301999?dq=ininventor:%22Giampiero+de+Cesare%22&hl=en&sa=X&ei=6Mn9U_u0O8zWaOncgfAL&ved=0CDQQ6AEwAw) (USA 2012).