Irradiation et nanostructuration des polymères piézo-électrique pour des applications nano-capteurs et récupération d'énergie

Irradiation and nanostructuration of piezoelectric polymers for nano-sensoring and harvesting energy applications.

• Auteur / Autrice : Giuseppe Melilli
• Direction : Marie-Claude Dubois-Clochard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Politecnico di Torino
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des solides irradiés (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Balanzat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Claude Dubois-Clochard, Jean-Eric Wegrowe, Marco Sangermano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Tence-Girault, Xavier Coqueret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Irradiation

Nanofils

Magnétorésistance

Piézoélectricité

Mots clés libres

Piezoélectricité

Magnetorésistance

Contrainte

Nanofils

Irradiation

Récupération d'énergie

Piezoelectricity

Magnetoresistance

Strain

Nanowire

Irradiation

Energy harvesting

Résumé

La polyvalence de la technique de track-etching a permis d’étudier plus avant l’effet piezoélectrique direct et indirect d’un film polarisé en poly(fluorure de vinylidène) PVDF en créant des membranes nanostructurées hybrides de nanofils de nickel (Ni NWs)/PVDF. Les propriétés magnétiques du nanofil de nickel, telle que la magnétorésistance anisotrope (AMR), ont été exploitées afin d’étudier la réponse de l’aimantation à la déformation mécanique de la matrice PVDF. En particulier, les déformations ont été induites soit par contrainte thermo-mécanique, soit par contrainte électromécanique (effet piezoélectrique indirect). La sensibilité d’un nanofil unique a permis de déterminer l’amplitude et la direction de la contrainte mécanique exercée à l’échelle nanométrique par la matrice PVDF. La résistance exceptionnelle de la réponse piezoélectrique directe du film PVDF polarisé à l’irradiation, telle que l’irradiation aux ions-lourds accélérés et aux électrons (domaine de doses < 100kGy) a été observée. Mis à part la conservation de la réponse piezoélectrique, les défauts engendrés par l’irradiation dans ce domaine de dose (scissions de chaines, augmentation de phase crystalline, réticulations) ont eu un impact significatif sur la structure du matériau polymère. L’ensemble de ces défauts, les uns prépondérants en-dessous de la dose-gel ( 10kGy), les autres au-dessus, forme une compensation d’effets antagonistes qui mènent à une réponse piezoélectrique globalement inchangée. Stimulé par la grande résistance du PVDF à l’irradiation en termes de réponse piezoélectrique, l’idée a été d’exploiter, en vue d’une application dans la récupération d’énergie, le réseau de nanofils de nickel inclus dans la membrane en PVDF polarisé pour étudier l’influence des nanofils de nickel sur la l’efficacité piezoélectrique. La présence du réseau de nanofils de nickel mène à un accroissement non négligeable de l’efficacité piezoélectrique. Reliée à la présence des nanofils, une augmentation de la permittivité diélectrique dans le PVDF nanostructuré a également été enregistrée. Une polarisation interfaciale entre les nanofils de nickel et la matrice PVDF pourrait expliquer cette valeur accrue par rapport au PVDF nanoporeux sans nanofils.

The versatility of the track-etching technique has allowed to investigate deeper the direct and inverse piezoelectric effect of a polarized Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) film in building nanostructured hybrid Nickel nanowires (Ni NWs)/PVDF membrane. The magnetic properties of the Ni NW, such as anisotropic magneto resistance (AMR), are exploited to investigate the response of the magnetization to a mechanical deformation of the PVDF matrix. In particular, the deformations were induced either by thermo-mechanical or an electro-mechanical (inverse piezoelectric effect) stress. The sensitivity of the single NW has allowed to determine the amplitude and direction of a mechanical stress exerted at the nano-scale by the PVDF matrix. The outstanding resistance of the direct piezoelectric response of polarized PVDF film to radiation, such as SHI and e-beam, (doses range < 100kGy) was reported. Beyond the conservation of the piezoelectric response, in this dose range, irradiation defects (chain scissions, increase of the crystalline -phase, crosslinking) had a significative impact on the polymer material. All these defects, ones predominant above the gel dose (herein 10 kGy), and the other ones below, compensate their antagonistic effects towards the globally unchanged piezoelectric responses. Motivated by the high radiation resistance of the PVDF in terms of piezoelectric response, the idea was to exploit Ni NWs array embedded in the polarized PVDF membrane to study the influence of the Ni NWs on the piezoelectric response in view of harvesting energy application. The presence of the Ni NWs array leads a non-negligible increase of the piezoelectric efficiency. Related to the presence of the NWs, an increase of the dielectric permittivity in the nanostructured PVDF was also reported. An interfacial polarization between the Ni NWs and the PVDF matrix could explain the higher efficiency value respect to nanoporous PVDF, without NWs.