Films piézoélectriques sans plomb par une approche sol gel et applications potentielles dans les MEMS

Lead-free piezoelectric films prepared by sol-gel and potential applications in MEMS

• Auteur / Autrice : Sara Abou Dargham
• Direction : Denis Remiens, Doumit Zaouk, Freddy Ponchel, Youssef Zaatar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique. Micro et nano technologie
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Valenciennes en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Malek Tabbal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Remiens, Doumit Zaouk, Freddy Ponchel, Youssef Zaatar, Benoît Guiffard, Jamal Assaad, Marie Abboud, Nathalie Lemée, Nadine Abboud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Malek Tabbal, Benoît Guiffard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Diélectriques

Ferroélectricité

Matériaux piézoélectriques

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Piézoélectrique

Ferroélectrique

Sans-Plomb

Couches minces

Sol-Gel

Bnt.

Piezoelectric

Ferroelectric

Lead-Free

Thin films

Sol-Gel

Bnt.

Résumé

Les composés à base du plomb sont très utilisés dans l'industrie microélectronique en raison de leurs propriétés ferroélectriques et piézoélectriques. Cependant, en raison de la toxicité du plomb, la recherche est dirigée vers le développement des matériaux piézoélectriques « écologiques » (sans plomb). L’objectif de ce travail consiste donc à synthétiser par procédé sol-gel un matériau piézoélectrique écologique : le Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT). Les films minces ont été déposés à l’aide d’une tournette sur des substrats de Pt/TiOx/SiO2/Si. Une étape de séchage sur plaque est appliquée à 100ºC après chaque dépôt. L’utilisation du procédé thermique rapide (RTP) permet la densification et la cristallisation de BNT. Ainsi une pyrolyse est appliquée après le séchage pour densifier le film ; la température a été fixée à 200ºC. Enfin un recuit à 700ºC a permis la cristallisation des films dans la structure pérovskite. Les résultats de caractérisations électriques macroscopiques ainsi que les caractérisations à l’échelle locale ont mis en évidence des performances diélectrique, ferroélectrique et piézoélectrique encourageantes.

Lead based materials are widely used in microelectronic industry due to their ferroelectric and piezoelectric properties. However, due to lead toxicity, it has recently desired to develop lead-free piezoelectric materials for environmental protection. The aim of this work is to synthesize a lead-free piezoelectric material by sol-gel method: Bi0.5Na0.5TiO3. BNT films were deposited by spin coating on Pt/TiOx/SiO2/Si substrate. The films were dried at 100ºC on a hot-plate after each layer deposition. Rapid thermal process (RTP) was used for the densification and crystallization of BNT films. Thus a pyrolysis step is applied to densify the dried film; the temperature was set at 200ºC. The film annealed at 700ºC is well crystallized in the perovskite phase. Macroscopic and local electrical characterizations showed promising dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties.