Des nanofils Nitrure à la génération piézoélectrique

From nitride nanowires to piezogeneration

• Auteur / Autrice : Nicolas Jamond
• Direction : Frank Glas, Noëlle Gogneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, matériaux
• Date : Soutenance le 15/11/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne ; 1984-2016)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Emery, El Hadj Dogheche, Yamin Leprince-Wang, Fabrice Semond, Mohamed Boutchich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Nanofils

Mots clés libres

GaN

Nanofils

Piézogénérateur

Nanogénérateurs

Microscope à force atomique

Epitaxie par jet moléculaires

GaN

Piezogenerator

Nanowires

Résumé

Les nanofils nitrures, de par leurs propriétés mécaniques et piézoélectriques exceptionnelles, sont des nanomatériaux très prometteurs pour la réalisation de dispositifs piézogénérateurs ultra-compacts et de haute efficacité. Les nanofils de GaN étudiés dans cette thèse sont synthétisés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma. Grâce à des caractérisations employant un AFM résiscope spécialement adapté, nous démontrons le fort potentiel des nanofils de GaN dopés de type-n et dopés de type-p pour convertir une énergie mécanique en énergie électrique. Nous confirmons la corrélation entre la polarité des nanofils, leurs dopages et l'établissement du potentiel piézoélectrique dans les nanostructures. Nous étudions également la capacité de récupération de l'énergie générée par les nanofils, qui se fait au travers d'une diode Schottky de dimension nanométrique. De ce nanocontact, résulte une conduction à l'interface métal/semi-conducteur accrue et donc une meilleure collection de l'énergie piézogénérée par les nanofils de GaN. Enfin, en nous basant sur les mécanismes de piézoconversion mis en évidence, nous fabriquons un piézogénérateur intégrant un réseau de nanofils verticaux de GaN et fonctionnant sous compression. Le prototype délivre une densité de puissance de l'ordre de 12,7 mW/cm3, ce qui le place à l'état de l'art des piézogénérateurs à base de nanofils nitrures.

Nitride nanowires are a promising material for the fabrication of efficient and compact piezogenerators. Their tremendous piezoelectric and mechanical properties give them the ability to convert efficiently mechanical energy into electrical energy. The piezoelectric material studied in this thesis is GaN, synthetised as nanowires by PA-MBE. Thanks to an adapted AFM résiscope, we show the great potential of nitride nanowires for piezogeneration and the correlation between the polarity of the nanostructure, its deformation and the establishment of the piezopotential. We also study the harvesting efficiency of the nanostructures’ polarization, through a nanometric Schottky contact. Due to scale effects, this Schottky nanocontact shows a reduced barrier height and resistance, which lead to an enhanced conduction and thus to a better harvesting of the piezoelectric energy generated by the GaN nanowires. Based on the understanding of those mechanisms, we have built a piezogenerator integrating a vertical array of p-type GaN nanowires, embedded in HSQ resist and with their top connected by a Pt metallic electrode, leading to a Schottky contact. This prototype delivered a power density of about 12,7 mW.cm-3, which is the state of the art for GaN nanowires based piezogenerator.