Micro-supercondensateurs 3D tout solide à électrodes hiérarchiques fabriqués à l'échelle du wafer

par Botayna Bounor

Thèse de doctorat en Chimie des materiaux

Soutenue le 23-10-2019

à Nantes , dans le cadre de École doctorale Matière, Molécules et Matériaux (Le Mans) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (COMUE) et de Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes) (laboratoire) .

Le président du jury était Liliane Demourgues-Guerlou.

Le jury était composé de Saïd Sadki, Pierre-Louis Taberna.

  • Titre traduit

    Towards solid state micro-supercapacitors based on 3D hiererachical electrodes


  • Résumé

    Notre étude porte sur la fabrication des micro-supercondensateurs à base d'électrodes hiérarchiques à large surface spécifique. Ces électrodes hiérarchiques combinent des approches top down et bottom up afin de développer des surfaces spécifiques importantes en cumulant les gains des microstructures 3D (top down - gravure) et des nanofils (bottom up - croissance). Des microstructures 3D usinées dans un substrat de silicium (microtubes / micropiliers / micromurs) constituent le socle de base de ces électrodes hiérarchiques. Deux volets ont été donc explorés pour décorer ces microstructures 3D par des nanofils. La première voie est basée sur la synthèse hydrothermale des nanofils de ZnO à partir d'une couche de germination nanométrique déposée par ALD sur ces microstructures 3D. La seconde voie explorée s'articule autour d'un procédé de recuit rapide (< 10 min) à haute température (1000 °C) d'un empilement SiO2/Pt. Ce recuit rapide permettait la formation des nanofils de silice (SiO2). Les matériaux pseudocapacitifs ont été ensuite déposés par voie électrolytique sur ces électrodes hiérarchiques. Le procédé d'élaboration de ces électrodes était couplé à celui de fabrication des MSCs complets afin d'obtenir des densités d'énergie surfaciques encore jamais atteintes à ce jour (>100 µWh/cm2) en maintenant les performances en densité de puissance raisonnables (> 10 mW/cm2) par l'utilisation des couches minces (-200 nm). Cette thèse a été réalisée dans 3 laboratoires du RS2E : l'IMN, l'ICGM et l'IEMN.


  • Résumé

    Our study focuses on the fabrication of micro-supercapacitors based on hierarchical electrodes with a large surface area. These electrodes combine top down and bottom up approaches in order to develop important specific area by combining the surface gain of the 3D microstructures (top down / etching) and the nanowires (bottom up / growth). 3D microstructures etched within silicon substrate (microtubes / micropiliers / micromurs) forme the base of these hierarchical electrodes. Two aspects was explored to decorate 3D microstructures with nanowires. The first route is based on the hydrothermal synthesis of ZnO nanowires from a nanometric seed layer deposited by ALD on these 3D microstructures. The second explored route is based on a fast annealing process (<10 min) at high temperature (1000 ° C) of a SiO2 / Pt stack. This rapid annealing allowed therefore the formation of silica nanowires. The pseudocapacitive materials was then deposited electrolytically on these hierarchical electrodes. The method of elaboration of these electrodes was coupled with that of manufacturing complete MSCs in order to obtain high surface energy densities never before reached (> 100 uWh / cm2) while maintaining reasonable power density performances. (> 10 mW / cm2) by the use of thin films (~ 200 nm). This thesis was conducted between 3 laboratories of the RS2E: IMN, ICGM and IEMN.


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