POROUS SILICON MATERIALS DEVELOPMENT FOR APPLICATIONS IN ENVIRONMENTAL SENSORS

Il Silicio poroso, PS, prodotto dalla parziale dissoluzione anodica di un substrato di Si cristallino in una soluzione elettrolitica di acido fluoridrico, HF, può essere enumerato fra i materiali usati nei sensori ambientali. Abbiamo verificato che il materiale PS potrebbe rispondere ai requisiti principali di un buon sensore, i.e.: i) riproducibilità della risposta che implica anche la stabilità nel tempo del materiale invero l'ossidazione controllata o la protezione con specie chemisorbite contro l'ossidazione offrono un metodo per avere una migliore stabilità del materiale; ii) sensibilità: abbiamo dimostrato che con sistemi Fabry-Perot, FP, di PS la risposta ottenuta aumenta di due o più ordini di grandezza; iii) specificità: i sistemi di PS funzionalizzati con molecole organiche appropriate potrebbero offrire una specificità al sensore. I principali argomenti di ricerca sono stati: i) l'effetto dell'interazione tra i sistemi di PS e l'ambiente; ii) la funzionalizzazione dei sistemi di PS in prospettiva di applicazioni del PS nella tecnologia dei sensori. I principali risultati scientifici sono riassunti qui: i) Studi degli effetti dell'interazione, e.g. la conseguente ossidazione, del PS con l’aria ambiente resa satura con H2O e vapori di diverse basi organiche mostrano che la velocità del processo ossidativo, sembra soprattutto influenzato dalla concentrazione in fase gassosa delle basi organiche. Abbiamo proposto una applicazione pratica dei nostri campioni di PS nel campo della sensoristica ambientale, vale a dire come dosimetro per vapori di urotropina (una molecola tossica usata in molte aree applicative). Infine, siamo stati capaci di vedere, per la prima volta, su campioni di PS, un segnale SFG piuttosto chiaro nell’intervallo spettrale dei modi di stretching delle specie Si-Hx e OSi-Hx. ii) E’ stato ideato ed esaminato un nuovo metodo di formazione-funzionalizzazione “in-situ” di strati di PS, che è stato applicato in primo luogo ad una semplice molecola organica. Ulteriori approfondimenti ci hanno resi capaci di estendere questa funzionalizzazione a diverse molecole organiche (anche non resistenti all’HF e/o senza un triplo o doppio legame carbonio-carbonio terminale), utilizzando un processo a uno o più passi. Il nostro metodo è semplice, veloce ed efficace e ha una caratteristica unica e molto interessante, vale a dire la possibilità di confinare la specie adsorbite in strati selezionati in una pila di PS (o sistema multi-strato di PS). In conclusione questo nuovo metodo di funzionalizzazione di PS permette di sfruttare la sua particolarità di localizzazione per generare sensori di PS di nuova concezione ed anche nuove apparecchiature di multisensori di PS.Porous silicon, PS, the product of the partial anodic dissolution of a substrate of crystalline silicon in an electrolytic solution of hydrofluoric acid, HF, can be enumerated among the materials used in the environmental sensors. We have verified that PS material could match the main requirements of a good sensor, i.e.: i) response reproducibility, that implies also the material time stability indeed the controlled oxidation or the protection by chemisorbed species against the oxidation provide a tool towards a better stability of the material; ii) sensibility: we demonstrated that with PS FP systems the response signal obtained increase of two or more orders of magnitude; iii) specificity: the functionalization of PS systems with suitable organic molecules could provide some specificity to the sensor. The main subjects of research have been: i) the effect of the interaction between PS systems and the environment; ii) the functionalization of PS systems in view of application of PS in sensor technology. The main scientific results are summarized here: i) Studies of the effects of the interaction, e. g. the consequent oxidation, of PS with ambient air saturated with H2O and several organic bases vapors show that the rate of the oxidizing process, seems mostly influenced from the gas phase concentration of the organic bases. We have proposed a practical application of our PS samples in the environmental sensor field, namely, as a dosimeter for urotropin (a toxic molecule used in several application areas) vapors. Finally, we were able to detect, for the first time, on PS samples, a quite clear SFG signal in the spectral range of the Si-Hx and of the OSi-Hx stretching modes. ii) A new method of “in-situ” formation-functionalization of PS layers has been devised and tested, firstly with a simple organic molecule then, it has been applied also to other organic molecules. Further work made us able to extend the functionalization process to different organic molecules (even not fluoridic acid resistant and/or without a triple or double carbon-carbon terminal bond), utilizing a two or more steps process. Our method is simple, fast and effective and it has a unique and very appealing feature, namely the possibility to confine the adsorbed species in selected layers in a PS stack (or multi-layer PS system). In conclusion this new PS functionalization method allows to exploit its localization peculiarity to generate PS sensors of new design and even new PS multisensor devices