Etude de propriétés piézoélectriques de nanocomposites à base de ZnO et application à la récupération d'énergie pour capteurs autonomes

par Andres jenaro Lopez Garcia

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Mireille Mouis et de Gustavo Ardila rodriguez.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (laboratoire) et de COMPOSANTS CMOS AVANCES SILICIUM ET SOI (equipe de recherche) depuis le 31-08-2018 .


  • Résumé

    Des études théoriques par simulation ab initio prévoient une amélioration des propriétés piézoélectriques des nanofils (NFs) semi-conducteurs intrinsèques (GaN et ZnO entre autres) pour des diamètres très petits, inférieurs à quelques nanomètres.[1] Des études expérimentales semblent montrer des performances intéressantes, même à plus grand diamètre.[2] La flexibilité extrême des nanofils est un autre avantage par rapport au matériau massif ou en film mince. Ces différentes caractéristiques les rendent très sensibles à des forces très faibles. L'intégration de ces nanostructures dans de nanocomposites (réseaux de NFs dans une matrice diélectrique) est intéressante pour différentes applications, principalement capteurs et récupération d'énergie mécanique [3, 4]. Plus récemment, notre équipe a montré que ces nanocomposites peuvent en théorie présenter des performances améliorées par rapport aux couches minces [5, 6]. Toutefois le développement de ces applications est actuellement entravé par un manque de compréhension, en particulier en ce qui concerne le couplage, à l'échelle nano, entre polarisabilité du matériau (aspect piézoélectrique), dopage et modulation de la charge de porteurs libres (aspects semi-conducteur). A cette échelle, des effets non-linéaires peuvent aussi devenir très importants. Du point de vue fondamental, la thèse aura comme objectif d'approfondir la compréhension des phénomènes électromécaniques à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire l'effet de la taille sur les propriétés intrinsèques, mécaniques et piézoélectriques, du NF, en tenant compte des effets d'écrantage, par les dopants ionisés, les porteurs libres et, ce qui est nouveau par rapport à la littérature, les pièges d'interface. D'autres effets, mal pris en compte pour l'instant, seront aussi étudiés: les non-linéarités mécaniques et électromécaniques, notamment les ordres supérieurs de l'effet piézoélectrique, ainsi que l'effet flexoélectrique, qui jouent vraisemblablement un rôle très important dans la réponse piézoélectrique des nanostructures. On s'intéressera aux propriétés des nanofils en tant que tels, mais aussi lorsqu'ils sont immergés dans une matrice diélectrique sous forme de nanocomposite. Pour cela plusieurs paramètres seront étudiés, notamment le dopage et la dimension des nanofils. L'étudiant aura à sa disposition tous les moyens expérimentaux du laboratoire, ainsi qu'un accès à la plateforme technologique PTA pour la préparation de structures de test spécifiques (métallisation de contacts, connexions, membranes souples pour déflection, etc.). Les nanofils seront développés à l'IMEP-LaHC ou seront accessibles via des collaborations existantes (LMGP, INL, Institut Néel par exemple). Le doctorant contribuera au développement des techniques de caractérisation. Le laboratoire IMEPLaHC a été précurseur en développant dès 2008 des méthodes qualitatives de caractérisation du phénomène piézoélectrique sur des NF individuels de GaN, par la mesure du potentiel généré quand une force contrôlée est appliquée sur le NF à l'aide d'une pointe AFM [2]. Ces techniques ont été récemment modifiées pour réaliser des mesures en courant sous force contrôlée [7]. Elles seront approfondies dans le cadre de cette thèse et corrélées à des mesures plus standards (PFM, KFM) ou par Scanning Microwave Microscopy[8] grâce à un nouvel équipement qui offre la possibilité de développer des méthodologies de mesure originales. Certaines de ces techniques ont l'avantage de pouvoir se réaliser sur le même NF, et donc d'être corrélables entre elles. Parallèlement, grâce à une collaboration en cours, l'étudiant pourra faire caractériser ses échantillons par une technique in-operando inédite, mise en place par l'IM2NP à l'ESRF, pour combiner mesure de déformation par diffraction de rayons X, mesure du courant et mesure du potentiel de surface sous contrainte mécanique, grâce à un AFM placé sur une des lignes de l'ESRF. En s'appuyant sur l'expertise développée dans l'équipe, il effectuera des simulations multi-physiques (modèles analytiques, éléments finis) qui serviront de support pour interpréter les résultats expérimentaux. La compréhension acquise devrait permettre à l'étudiant d'atteindre le second objectif, de valorisation, avec l'identification des pistes d'optimisation et la réalisation de démonstrateurs de recherche, basés sur des expériences récentes développées à l'IMEP-LaHC [9, 10], qui lui permettront de valider l'intérêt du concept pour la récupération d'énergie mécanique ou la réalisation de capteurs. Le développement de ces démonstrateurs et leur optimisation s'inscrit dans le cadre d'un projet européen Convergence (H2020/FlagERA 2017-2020). Le sujet s'inscrit dans un contexte international très compétitif dans lequel l'IMEP-LaHC joue un rôle très important. Par rapport à l'état de l'art, son originalité repose sur les techniques expérimentales inédites mises en oeuvre, sur les corrélations qu'elles permettent, sur une expertise relativement rare en simulation des effets électromécaniques dans les nanostructures semi-conductrices et sur une opportunité exceptionnelle d'appliquer les résultats de la thèse dans un démonstrateur européen. Les méthodologies d'étude acquises avec ZnO pourront être utilisées pour d'autres types de nanofils semi-conducteurs disponibles via des collaborations locales et régionales (LMGP, INL). [1] H. D. Espinosa, R. A. Bernal, M. Minary‐Jolandan, Adv. Mater. 24 (2012) [2] X. Xu, A. Potié, R. Songmuang, J.W. Lee, T. Baron, B. Salem and L. Montès, Nanotechnology 22 (2011) [3] S. Lee, R. Hinchet, Y. Lee, Y. Yang, Z. H. Lin, G. Ardila, et al., Adv. Func. Mater. 24 (2014) [4] R. Hinchet, S. Lee, G. Ardila, L. Montès, M. Mouis, Z. L. Wang, Adv. Funct. Mater. 24 (2014) [5] R. Tao, G. Ardila, L. Montès, M. Mouis Nano Energy 14 (2015) [6] R. Tao, M. Mouis, G. Ardila, Adv. Elec. Mater. 4 (2018) [7] Y. S. Zhou, R. Hinchet, Y. Yang, G. Ardila, L.Montès, M. Mouis, Z. L. Wang, Adv. Mat. 25 (2013) [8] K. Torigoe, M. Arita and T. Motooka, J. Appl. Phys. 112, 104325 (2012) [9] S. Kannan, M. Parmar, R. Tao, G. Ardila, M. Mouis, J. of Physics: Conf. Ser. 773 (2016) [10] R. Tao, G. Ardila, M. Parmar, L. Michaud, M. Mouis, Proc. of IEEE Eurosoi/ULIS (2017)

  • Titre traduit

    Study of the piezoelectric properties of ZnO based nanocomposites: application to energy harvesting for autonomous sensors


  • Résumé

    Theoretical studies by ab initio simulation provide an improvement of the piezoelectric properties of intrinsic semiconductor nanowires (NFs) (GaN and ZnO among others) for very small diameters, less than a few nanometers. [1] Experimental studies seem to show interesting performances, even at larger diameter. [2] The extreme flexibility of nanowires is another advantage over solid material or thin film. These different characteristics make them very sensitive to very weak forces. The integration of these nanostructures into nanocomposites (networks of NFs in a dielectric matrix) is interesting for different applications, mainly sensors and mechanical energy recovery [3, 4]. More recently, our team has shown that nanocomposites can in theory have improved performance over thin films [5, 6]. However, the development of these applications is currently hampered by a lack of understanding, particularly as regards the coupling, at the nanoscale, between the polarizability of the material (aspect piezoelectric), doping and modulation of the charge of free carriers (semiconductor aspects). At this scale, nonlinear effects can also become very important. From the fundamental point of view, the thesis will aim to deepen the understanding of electromechanical phenomena at the nanoscale, that is to say the effect of size on the intrinsic, mechanical and piezoelectric properties of NF, taking into account the effects of screening, by ionized dopants, free carriers and, what is new compared to the literature, the interface traps. Other effects, poorly taken into account for the moment, will also be studied: the mechanical and electromechanical non-linearities, in particular the higher orders of the piezoelectric effect, as well as the flexoelectric effect, which probably play a very important role in the piezoelectric response of nanostructures. We will focus on the properties of nanowires as such, but also when immersed in a dielectric matrix in the form of nanocomposite. For that, several parameters will be studied, in particular the doping and the dimension of the nanowires. The student will have at his disposal all the experimental facilities of the laboratory, as well as access to the PTA technological platform for the preparation of specific test structures (metallization of contacts, connections, flexible membranes for deflection, etc.). The nanowires will be developed at IMEP-LaHC or will be accessible via existing collaborations (LMGP, INL, Institut Néel by example). The PhD student will contribute to the development of characterization techniques. The laboratory IMEPLaHC was precursor by developing as of 2008 qualitative methods of characterization of the piezoelectric phenomenon on individual NF of GaN, by the measurement of the potential generated when a controlled force is applied on the NF with the help of a tip AFM [ 2]. These techniques have recently been modified to perform controlled current measurements [7]. They will be further developed in this thesis and correlated to more standard measurements (PFM, KFM) or by Scanning Microwave Microscopy [8] thanks to new equipment that offers the possibility of developing original measurement methodologies. Some of these techniques have the advantage of being able to be realized on the same NF, and thus to be correlable between them. At the same time, thanks to a collaboration in progress, the student will be able to have his samples characterized by a new in-operando technique, put in place by the IM2NP at the ESRF, to combine X-ray diffraction deformation measurement, current and measurement of the surface potential under mechanical stress, thanks to an AFM placed on one of the lines of the ESRF. Based on the expertise developed in the team, he will perform multi-physics simulations (analytical models, finite elements) that will serve as a support for interpreting the experimental results. The acquired understanding should allow the student to reach the second objective, of valorization, with the identification of the optimization tracks and the realization of research demonstrators, based on recent experiences developed at the IMEP-LaHC [9 , 10], which will enable it to validate the interest of the concept for the recovery of mechanical energy or the realization of sensors. The development of these demonstrators and their optimization is part of a European project Convergence (H2020 / FlagERA 2017-2020). The subject is part of a very competitive international context in which the IMEP-LaHC plays a very important role. Compared to the state of the art, its originality is based on the new experimental techniques implemented, on the correlations that they allow, on a relatively rare expertise in simulation of electromechanical effects in semiconductor nanostructures and on a exceptional opportunity to apply the results of the thesis in a European demonstrator. The study methodologies acquired with ZnO can be used for other types of semiconductor nanowires available via local and regional collaborations (LMGP, INL). 1] H. D. Espinosa, R. A. Bernal, M. Minary‐Jolandan, Adv. Mater. 24 (2012) [2] X. Xu, A. Potié, R. Songmuang, J.W. Lee, T. Baron, B. Salem and L. Montès, Nanotechnology 22 (2011) [3] S. Lee, R. Hinchet, Y. Lee, Y. Yang, Z. H. Lin, G. Ardila, et al., Adv. Func. Mater. 24 (2014) [4] R. Hinchet, S. Lee, G. Ardila, L. Montès, M. Mouis, Z. L. Wang, Adv. Funct. Mater. 24 (2014) [5] R. Tao, G. Ardila, L. Montès, M. Mouis Nano Energy 14 (2015) [6] R. Tao, M. Mouis, G. Ardila, Adv. Elec. Mater. 4 (2018) [7] Y. S. Zhou, R. Hinchet, Y. Yang, G. Ardila, L.Montès, M. Mouis, Z. L. Wang, Adv. Mat. 25 (2013) [8] K. Torigoe, M. Arita and T. Motooka, J. Appl. Phys. 112, 104325 (2012) [9] S. Kannan, M. Parmar, R. Tao, G. Ardila, M. Mouis, J. of Physics: Conf. Ser. 773 (2016) [10] R. Tao, G. Ardila, M. Parmar, L. Michaud, M. Mouis, Proc. of IEEE Eurosoi/ULIS (2017)