Piezoelectric generators based on semiconducting nanowires : simulation and experiments

par Ran Tao

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Mireille Mouis et de Laurent Montès.

Le président du jury était Carole Rossi.

Le jury était composé de Gustavo Adolfo Ardila Rodriguez, Daniel Alquier.

Les rapporteurs étaient Philippe Dollfus, Alain Foucaran.

  • Titre traduit

    Générateurs piézoélectrique à base de nanofils semi-conducteurs : simulations et études expérimentales


  • Résumé

    L’alimentation en énergie des réseaux de capteurs miniaturisés pose une question fondamentale, dans la mesure où leur autonomie est un critère de qualité de plus en plus important pour l’utilisateur. C’est même une question cruciale lorsque ces réseaux visent à assurer une surveillance d’infrastructure (avionique, machines, bâtiments…) ou une surveillance médicale ou environnementale. Les matériaux piézoélectriques permettent d’exploiter l’énergie mécanique inutilisée présente en abondance dans l’environnement (vibrations, déformations liées à des mouvements ou à des flux d’air…). Ils peuvent ainsi contribuer à rendre ces capteurs autonomes en énergie. Sous la forme de nanofils (NF), les matériaux piézoélectriques offrent une sensibilité qui permet d’exploiter des sollicitations mécaniques très faibles. Ils sont également intégrables, éventuellement sur substrat souple.Dans cette thèse nous nous intéressons au potentiel des nanofils de matériaux semi-conducteurs piézoélectriques, tels que ZnO ou les composés III-V, pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. Depuis peu, ceux-ci ont fait l’objet d’études relativement nombreuses, avec la réalisation de nanogénérateurs (NG) prometteurs. De nombreuses questions subsistent toutefois avec, par exemple, des contradictions notables entre prédictions théoriques et observations expérimentales.Notre objectif est d’approfondir la compréhension des mécanismes physiques qui définissent la réponse piézoélectrique des NF semi-conducteurs et des NG associés. Le travail expérimental s’appuie sur la fabrication de générateurs de type VING (Vertical Integrated Nano Generators) et sur leur caractérisation. Pour cela, un système de caractérisation électromécanique a été construit pour évaluer les performances des NG réalisés et les effets thermiques sous une force compressive contrôlée. Le module d’Young et les coefficients piézoélectriques effectifs de NF de GaN; GaAs et ZnO et de NF à structure cœur/coquille à base de ZnO ont été évalués également dans un microscope à force atomique (AFM). Les nanofils de ZnO sont obtenus par croissance chimique en milieu liquide sur des substrats rigides (Si) ou flexibles (inox) puis sont intégrés pour former un générateur. La conception du dispositif VING s’est appuyée sur des simulations négligeant l’influence des porteurs libres, comme dans la plupart des études publiées. Nous avons ensuite approfondi le travail théorique en simulant le couplage complet entre les effets mécaniques, piézoélectriques et semi-conducteurs, et en tenant compte cette fois des porteurs libres. La prise en compte du piégeage du niveau de Fermi en surface nous permet de réconcilier observations théoriques et expérimentales. Nous proposons notamment une explication au fait que des effets de taille apparaissent expérimentalement pour des diamètres au moins 10 fois plus grands que les valeurs prévues par simulation ab-initio ou au fait que la réponse du VING est dissymétrique selon que le substrat sur lequel il est intégré est en flexion convexe ou concave.


  • Résumé

    Energy autonomy in small sensors networks is one of the key quality parameter for end-users. It’s even critical when addressing applications in structures health monitoring (avionics, machines, building…), or in medical or environmental monitoring applications. Piezoelectric materials make it possible to exploit the otherwise wasted mechanical energy which is abundant in our environment (e. g. from vibrations, deformations related to movements or air fluxes). Thus, they can contribute to the energy autonomy of those small sensors. In the form of nanowires (NWs), piezoelectric materials offer a high sensibility allowing very small mechanical deformations to be exploited. They are also easy to integrate, even on flexible substrates.In this PhD thesis, we studied the potential of semiconducting piezoelectric NWs, of ZnO or III-V compounds, for the conversion from mechanical to electrical energy. An increasing number of publications have recently bloomed about these nanostructures and promising nanogenerators (NGs) have been reported. However, many questions are still open with, for instance, contradictions that remain between theoretical predictions and experimental observations.Our objective is to better understand the physical mechanisms which rule the piezoelectric response of semiconducting NWs and of the associated NGs. The experimental work was based on the fabrication of VING (Vertical Integrated Nano Generators) devices and their characterization. An electromechanical characterization set-up was built to evaluate the performance and thermal effects of the fabricated NGs under controlled compressive forces. Atomic Force Microscopy (AFM) was also used to evaluate the Young modulus and the effective piezoelectric coefficients of GaN, GaAs and ZnO NWs, as well as of ZnO-based core/shell NWs. Among them, ZnO NWs were grown using chemical bath deposition over rigid (Si) or flexible (stainless steel) substrates and further integrated to build VING piezoelectric generators. The VING design was based on simulations which neglected the effect of free carriers, as done in most publications to date. This theoretical work was further improved by considering the complete coupling between mechanical, piezoelectric and semiconducting effects, including free carriers. By taking into account the surface Fermi level pinning, we were able to reconcile theoretical and experimental observations. In particular, we propose an explanation to the fact that size effects are experimentally observed for NWs with diameters 10 times higher than expected from ab-initio simulations, or the fact that VING response is non-symmetrical according to whether the substrate on which it is integrated is actuated with a convex or concave bending.


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