Nanofils de ZnO résistifs synthétisés par dépôt en bain chimique pour capteurs piézoélectriques flexibles

Resistive ZnO nanowires synthesized by chemical bath deposition for flexible piezoelectric sensors

• Auteur / Autrice : José Guillermo Villafuerte Diaz
• Direction : Vincent Consonni, Julien Pernot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 13/07/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble, Isère, France ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Guylaine Poulin-Vittrant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégory Lefèvre, Skandar Basrour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Lérondel, Jean-Michel Chauveau
• DOI : 10.70675/359ce45ezb0e6z4e4ez81efzb1c4617a069d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

NFS (protocole de réseaux d'ordinateurs)

Oxyde de zinc

Piézoélectricité

Mots clés libres

NFs

Nanofil

ZnO

Nanorod

NWs

Nanowire

Piezoelectric

Résumé

Les NWs de ZnO hautement résistifs sont destinés à être utilisés comme capteurs de pression dans des substrats flexibles. Pour cela, il était important de développer le rôle important des défauts liés à l'hydrogène et à l'azote dans les NWs de ZnO cultivés par CBD, comme cela a été largement étudié dans cette thèse. Le chapitre 1 détaille l'état de l'art de la présente thèse et le chapitre 2 détaille les procédures expérimentales utilisées pour développer les différentes études de cette thèse. Dans le chapitre 3, la conduction électrique de type métallique des NWs de ZnO cultivés spontanément a été attribuée à une forte densité de porteurs de charge libre due aux défauts liés à l'hydrogène (c'est-à-dire le HBC et le VZn-3H agissant comme des donneurs superficiels). Ensuite, le chapitre 4 démontre la capacité d'ingénierie des NWs de ZnO par recuit thermique sous une atmosphère d'oxygène, montrant que la densité des défauts liés à l'hydrogène diminue à ~300 °C, et que l'activation thermique de VZn-NO-H (agissant comme accepteur profond) à ~450 °C favorise une compensation importante. De plus, l'incorporation intentionnelle d'atomes dopants de Sb dans les NWs de ZnO apporte une nouvelle approche en réalisant les croissances dans les régions à faible et à fort pH, comme cela a été fait dans le chapitre 5. Ainsi, le chapitre 6 élucide la modulation complexe entre les défauts liés à l'hydrogène, à l'azote et à l'antimoine dans les différentes conditions de croissance et de recuit. En particulier, le nouveau recuit en deux étapes à 300 °C pendant 4 heures et une heure consécutive à 450 °C illustre la possibilité de diffuser exogène les donneurs d'hydrogène et d'activer thermiquement les défauts liés au VZn-NO-H et au Sb. Enfin, le chapitre 7 montre l'incorporation de ces NWs de ZnO hautement résistifs comme capteurs piézoélectriques flexibles.

Highly resistive ZnO NWs are intended for their application as pressure sensors in flexible substrates. To achieve this, it was important to develop the important role of hydrogen- and nitrogen-related defects in ZnO NWs grown by CBD, as it has been extensively studied in this thesis. Chapter 1 details the state-of-the-art of the present thesis and Chapter 2 details the experimental procedures used to develop the different studies of this thesis. In Chapter 3, the metal-like electrical conduction of spontaneously grown ZnO NWs was attributed to a high density of free charge carriers due to hydrogen-related defects (i.e., HBC and VZn-3H acting as shallow donors). Then, Chapter 4 demonstrates the capacity to engineer the ZnO NWs by thermal annealing under an oxygen atmosphere, showing that the density of hydrogen-related defects would decrease at ~300 °C, and the thermal activation of VZn-NO-H (acting as deep acceptor) at ~450 °C would promote an important compensation. Furthermore, the intentional incorporation of Sb dopant atoms in the ZnO NWs bring a novel approach by performing the growths in the low- and high-pH regions, as performed in Chapter 5. Hence, Chapter 6 elucidates the complex modulation between the hydrogen-, nitrogen- and antimony-related defects at the different growth conditions and the different annealing conditions. Particularly, the novel two-step annealing at 300 °C for 4 h and a consecutive 1 h at 450 °C will illustrate the possibility to exo diffuse the hydrogen-donors and thermally activate the VZn-NO-H and Sb-related defects. Finally, Chapter 7 shows the incorporation of these highly resistive ZnO NWs as flexible piezoelectric sensors.