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Optimisation des propriétés fonctionnelles de films de pérovskite piézoélectrique sans plomb pour la récupération d'énergie

par Ilham Hamdi alaoui

Projet de thèse en Physique Physique de la Matière Condensée-25DPH3

Sous la direction de Nathalie Lemee et de Abdelilah Lahmar.

Thèses en préparation à Amiens , dans le cadre de Sciences, Technologie, Santé , en partenariat avec LPMC - Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (laboratoire) depuis le 02-11-2020 .


  • Résumé

    Le développement des objets connectés (Internet of Things), va nécessiter le développement de capteurs sans fils qui pourront permettre des applications de suivi et d'intelligence distribués dans les secteurs industriels, des transports, des bâtiments, de la santé et de l'environnement. L'utilisation de microgénérateurs piézoélectriques pourrait permettre d'alimenter ces capteurs et les rendre ainsi autonome. Le développement des applications à l'échelle des micro/nano-systèmes (technologie MEMs) dans ce domaine, impose l'utilisation de couches minces de matériau piézoélectrique. Le titano-zirconate de plomb (PZT) est à ce jour l'un des matériaux piézoélectriques le plus performant mais pose des problèmes environnementaux en raison de sa teneur en plomb. Le développement de futurs microgénérateurs piézoélectriques va nécessiter l'utilisation de matériaux piézoélectriques à la fois performants et respectueux de l'environnement. Dans ce contexte, l'objectif de cette étude est d'élaborer des couches minces de matériau piézoélectrique sans plomb, d'en étudier les propriétés fonctionnelles et de les optimiser en vue d'application pour la récupération d'énergie. Parmi les différents matériaux de substitution susceptibles de répondre aux critères environnementaux, et intéressants pour les applications piézoélectriques, la famille des titanates de sodium et de bismuth Bi0,5Na0,5TiO3 apparaît comme un candidat prometteur en raison de ses bonnes propriétés piézoélectriques. Malgré ses fonctionnalités intéressantes, ce matériau n'a été que très peu étudié pour les applications dans le domaine de la récupération d'énergie, mais des résultats récents confirment l'intérêt de mener des investigations sur cette famille de matériaux. Les films à base de Bi0,5Na0,5TiO3 seront déposés par voie sol-gel et par ablation laser, sur différents types de substrats et d'électrodes. Ces deux voies de dépôt permettront de produire des films plus ou moins minces et de caractéristiques différentes. Une étude structurale et morphologique sera réalisée notamment par diffractions de rayons X et par microscopie à force atomique. Une étude des propriétés fonctionnelles (propriétés diélectriques, cycle hystérésis P/E, propriétés piézoélectriques locales et macroscopiques) sera menée. Cette étude permettra de définir des stratégies conduisant à des performances optimisées pour ce type de matériau en couches minces, en vue d'applications dans le domaine de la récupération d'énergie.

  • Titre traduit

    Optimization of the functional properties of lead-free piezoelectric perovskite films for energy harvesting


  • Résumé

    The development of connected objects (Internet of Things) will require the development of wireless sensors that will allow distributed monitoring in the industrial, transport, buildings, health and environment sectors. The use of piezoelectric microgenerators could supply these sensors and thus make them autonomous. The development of applications on the scale of micro / nano-systems (MEMs technology) in this field requires the use of thin films of piezoelectric material. Lead titano-zirconate (PZT) is one of the most efficient piezoelectric materials, but the toxicity of lead introduces inherent health risks in its use. The development of future piezoelectric microgenerators will require the use of piezoelectric materials that are both efficient and environmentally friendly. In this context, the objective of this study is to grow thin films of lead-free piezoelectric material, to study its functional properties and to optimize them for application for energy harvesting. Among the various alternative materials likely to meet environmental criteria, and of interest for piezoelectric applications, the family of bismuth sodium titanates Bi0.5Na0.5TiO3 appears to be a promising candidate because of its good piezoelectric properties. Despite its interesting functionalities, this material has been very little studied for applications in the field of energy harvesting, but recent results confirm the interest of conducting investigations on this family of materials. The films based on Bi0.5Na0.5TiO3 will be deposited by sol-gel and by laser ablation, on different types of substrates and electrodes. These two deposition routes will make it possible to produce films which are more or less thin and present different features. A structural and morphological study will be carried out in particular by X-ray diffraction and by atomic force microscopy. A study of the functional properties (dielectric properties, P / E hysteresis cycle, local and macroscopic piezoelectric properties) will be carried out. This study will define strategies leading to optimized performance for this type of thin film material, for applications in the field of energy harvesting.