Thèse soutenue

Caractérisation et structuration de composites piézoélectriques à base de ZnO : Vers des applications médicales
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Auteur / Autrice : Xiaoting Zhang
Direction : Lionel PetitMinh-Quyen Le
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique, Micro et Nano-électronique, Optique et Laser
Date : Soutenance le 01/02/2022
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA) - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité / LGEF
Jury : Président / Présidente : Georges Brémond
Examinateurs / Examinatrices : Lionel Petit, Minh-Quyen Le, Georges Brémond, Frédéric Demoly, Benoît Guiffard, Zhiyong Liang
Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Demoly, Benoît Guiffard

Résumé

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Grâce à ses multiples fonctionnalités, l’oxyde de Zinc est déjà utilisé dans de nombreuses applications du domaine de l’optoélectronique, des capteurs physico-chimiques, des composants électroniques ou encore des micro-dispositifs électromécaniques. Un matériau composite utilisant des charges ZnO incorporées dans une matrice polymère offre ainsi de nombreux avantages potentiels tels qu'une flexibilité élevée, un faible coût, une réelle recyclabilité et une intégration aisée, de plus adaptée à la fabrication additive sous toutes formes et dimensions. L'objectif de ces travaux est de mener une caractérisation complète à l’échelle macroscopique de composites piézoélectriques intégrant des structures micro/nano ZnO afin d’aboutir à une meilleure compréhension du couplage électromécanique. Dans ce but, la présente étude s’est d’abord orientée vers la mise au point d’un process de fabrication de composite, à faible cout, à l’élaboration simple et parfaitement maitrisée, basé sur l’utilisation des particules de ZnO encapsulées dans une matrice de polydiméthylsiloxane. Les résultats expérimentaux ont montré qu'une concentration de particule élevée entraîne une augmentation de la permittivité diélectrique, de la conductivité, du module élastique de compression et de la constante piézoélectrique. Plus important encore, une amélioration significative de ces caractéristiques a été obtenue avec succès grâce à l'alignement diélectrophorétique de microparticules de ZnO à concentration plus faible. Une étude de l’influence de la forme et de la taille des charges sur les propriétés des composites a également été menée en utilisant des particules sphériques, des microtubes ou des nanofils. Les composites utilisant un réseau vertical ordonné de nanofils ZnO obtenu par dépôt en bain chimique présente au final le couplage piézoelectrique le plus élevé. Des simulations par la méthode des éléments finis ont été utilisées dans ce sens pour optimiser l’activité piézoélectrique d’un composite à nanofils ZnO en fonction du module d’élasticité et de la constante diélectrique des éléments constitutifs ainsi que de la densité et des dimensions des nanofils. Il a également été établi que l’apparition de défauts cristallins lors de la croissance des nanofils de ZnO génère des porteurs de charges électriques qui ont un effet masquant sur l’effet piézoelectrique. Cette dégradation peut être atténuée par un dopage à l’Antimoine ou par un recuit thermique qui permet de diminuer la concentration de ces porteurs parasites. Au final, des composites flexibles piézoélectriques à nanofils ZnO ont été developpé en utilisant un substrat de type polymère PDMS au lieu d’un substrat rigide silicium. L’ensemble des résultats expérimentaux obtenus confirme l’excellent potentiel des matériaux développés pour toute application de biodétection in vivo nécessitant impérativement des dispositifs médicaux flexibles et extensibles.