Développement et optimisation d’une synthèse hydrothermale de nanofils de ZnO

La miniaturisation des dispositifs électroniques, qui a été engagée il y a de nombreuses années, se poursuit actuellement. Elle fait face à des verrous technologiques concernant notamment l’alimentation en énergie électrique. En effet, jusqu’à présent, la gestion de l’alimentation des systèmes portables s’est concentrée sur des dispositifs de taille centimétrique et les techniques utilisées précédemment ne sont plus applicables pour les objets dont la taille devient petite. Bien que les besoins en énergie associés à un transistor aient drastiquement diminué avec la réduction d’échelle, on assiste en parallèle à une augmentation exponentielle de la densité de transistors intégrés sur une même puce électronique et les besoins énergétiques globaux des dispositifs restent donc extrêmement conséquents. Il s’agit donc aujourd’hui de développer des dispositifs capables de récupérer et de convertir, à petite échelle, les sources d’énergie environnantes (mécanique, solaire, thermique…) afin d’alimenter des dispositifs microélectroniques, de manière autonome et efficace. Avec les développements liés à l’Internet des Objets qui ont émergés ces dernières années, l’utilisation de dispositifs de récupération d’énergies s’avère intéressante pour répondre aux besoins d’applications utilisant des capteurs autonomes communicants disséminés dans notre environnement, intégrés à nos vêtements ou bien même au sein de notre corps.

La problématique de récupération d’énergie, en particulier mécanique, s’inscrit dans la continuité du travail du GREMAN. En effet, une des opérations de recherche du laboratoire concerne le développement de micro et nano-systèmes pour la conversion électromécanique, que ce soit pour la récupération d’énergie ou pour la transduction ultrasonore. Depuis plusieurs années, les activités du laboratoire visent à modéliser et optimiser les choix de matériaux et de design de différents dispositifs, pour faire émerger des solutions technologiques fiables et efficaces dans le domaine de la gestion, de la conversion et du stockage de l’énergie. Les travaux effectués au sein de l’équipe, concernant la récupération d’énergie à base de nanostructures de ZnO, ont commencé en 2008. Trois thèses ont été finalisées, aussi bien sur la modélisation, la fabrication et la caractérisation de dispositifs incluant des nanostructures de ZnO.

Le projet « Energy for Smart Objects » EnSO

Il est ici détaillé un des projets Européens qui a été mis en place pour répondre aux problématiques énergétiques soulevées par le développement de l’Internet des Objets. Ce projet a guidé et encadré la majorité du travail de thèse réalisé au cours de ces trois dernières années.

Contexte du projet

Le projet « Energy for Smart Objects » EnSO, est un projet financé par l’Union Européenne (programme H2020, financement ECSEL Joint Undertaking) qui a été lancé en janvier 2016 et prendra fin en avril 2020. Il vise le développement de solutions de Micro Sources d’Energie Autonomes (AMES : Autonomous Micro Energy Sources) pour répondre aux problématiques liées à la gestion énergétique des objets de l’IoT.

La recherche et le développement mis en place pour la fabrication d’un AMES se sont focalisés sur les différents blocs constitutifs de ce type de technologie. Il s’agit en effet de travailler au développement optimal d’un système sans fil multi-composants, capable de récupérer une partie de l’énergie environnante (thermique, mécanique etc…), de la conditionner sous une forme électriquement exploitable et de la stocker pour répondre aux besoins spécifiques des applications visées. Cette chaîne d’actions (Figure 1.1) attendue de la part d’un AMES, ne peut aujourd’hui être fonctionnelle et exploitable, qu’en travaillant à l’optimisation et à l’association de différents dispositifs tels que : les récupérateurs d’énergie, les convertisseurs électriques et les micro systèmes de stockage de l’énergie comme les micro batteries. Du travail de R&D mené sur chacun de ces dispositifs, mais aussi de leurs différentes interfaces, allié à une optimisation transversale du design global de l’AMES, dépend la réussite de ce projet. En effet, le projet EnSO vise, à terme, la mise en place de lignes pilotes, montrant la faisabilité du concept à l’échelle industrielle.

La mise en commun d’un panel de compétences extrêmement variées est l’un des atouts du projet. En effet, ce projet met en relation des fournisseurs, des instituts de Recherche Académique, des fabricants de dispositifs intégrés et des entreprises se plaçant comme les utilisateurs finaux (Figure 1.3). Cette association de compétences permet à la fois de favoriser les échanges scientifiques et transversaux européens et de mettre au point des solutions technologiques fonctionnelles, industrialisables et compétitives sur différents marchés porteurs.

Echelle d’énergie

Depuis les années 70, l’accélération de la miniaturisation de l’électronique a permis de nombreuses avancées technologiques.  au cours du temps, de la densité de transistors pouvant être intégrés sur une puce électronique et il est à noter qu’aujourd’hui le nombre de transistors sur une puce dépasse dix milliards, contre seulement dix mille au début des années 70.

Cette miniaturisation structurelle offre la possibilité de créer des réseaux plus complexes et complets de systèmes interconnectés. La société se retrouve cependant aujourd’hui, face à une double problématique, d’une part l’augmentation du nombre de capteurs sur un même support induit des besoins globaux qui restent importants, d’autre part, la consommation des appareils ou modules électroniques ne diminue pas tant que ça, de par leurs fonctionnalités augmentées.  on retrouve alors des dispositifs qui consomment aujourd’hui encore jusqu’à plusieurs Watts. Cependant, les efforts intenses de la recherche sur les capteurs basse consommation, notamment pour le médical ou l’environnement, laissent présager une amélioration de cette consommation d’énergie d’ici 10 ans. Par ailleurs, à ces besoins énergétiques considérables s’associent d’autres défis tels que la dissipation thermique [4]. Il est donc aujourd’hui nécessaire d’exploiter des sources d’énergie environnantes, pour les convertir en énergie électrique capable d’alimenter les microsystèmes, de manière autonome.

Applications visées et utilisateurs finaux

Le développement des AMES cible trois domaines majeurs d’applications : la société intelligente, la santé connectée ainsi que la mobilité et la production autogérées. Parmi les applications pouvant être développées, on retrouve notamment des capteurs pour la détection, la surveillance et le suivi de substances chimiques ou de facteurs de santé. Le suivi et la localisation des objets dans la logistique industrielle autogérée est aussi une application soulevant beaucoup d’intérêt chez les industriels.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1. Etat de l’art de la récupération d’énergie
L’Internet des Objets
1.1 Les enjeux de la récupération d’énergie
1.1.1 Le projet « Energy for Smart Objects » EnSO
1.1.1.1 Contexte du projet
1.1.1.2 Echelle d’énergie
1.1.1.3 Objectifs et axes de travail du projet
1.1.1.4 Applications visées et utilisateurs finaux
1.1.1.5 Objectifs de thèse et intérêts industriels
1.1.2 La récupération d’énergie mécanique
1.1.2.1 Disponibilité des sources d’énergie et phénomènes associés
1.1.2.2 Les technologies de récupération et de conversion des sources d’énergie
1.1.2.3 Intérêt de l’énergie mécanique par rapport aux autres sources
1.1.3 La piézoélectricité
1.1.3.1 Principe
1.1.3.2 Les matériaux piézoélectriques
1.1.3.3 Structures « classiques » de générateurs piézo-macroscopiques
1.1.3.4 La piézoélectricité parmi d’autres phénomènes
1.2 Structures de nanogénérateurs et techniques de fabrication
1.2.1 Les architectures possibles de nanogénérateurs piézoélectriques
1.2.1.1 NG et enjeux associés aux NFs
1.2.1.2 Structure et principe de fonctionnement des NGs piézoélectriques intégrant
des NFs verticaux
1.2.1.3 Structure, principe de fonctionnement et méthodes de fabrication des NGs
intégrant des NFs latéraux
1.2.2 Techniques de fabrication des Nanofils
1.2.2.1 Approche descendante dite « top-down »
1.2.2.2 Approche ascendante dite « bottom-up»
1.3 Le ZnO, un matériau prometteur ?
1.3.1 Structure et propriétés du ZnO
1.3.2 Les défis liés au ZnO
1.3.2.1 Défauts présents dans le ZnO
1.3.2.2 Gestion du type de dopage du ZnO
1.4 Historique des choix technologiques du GREMAN
1.4.1 Modélisation
1.4.2 Synthèse et propriétés des NFs de ZnO
1.4.2.1 Synthèse de NFs de ZnO
1.4.2.2 Etude des propriétés des NFs
1.4.3 Evolution et choix de structure des NGs fabriqués au GREMAN
1.4.3.1 Matrice polymérique
1.4.3.2 Substrats
1.4.3.3 Historique des performances des NGs
1.5 Une variété d’applications
1.5.1 Capteurs de pression
1.5.2 Capteurs de gaz
1.5.3 Optoélectronique
Conclusion
Chapitre 2. Synthèse hydrothermale de nanofils de ZnO
Introduction
2.1 La croissance hydrothermale des nanofils de ZnO
2.1.1 Procédure expérimentale
2.1.1.1 Nettoyage des substrats
2.1.1.2 Dépôt des couches d’ensemencement
2.1.1.3 Croissance des nanofils de ZnO
2.1.2 Mécanismes de synthèse et rôles des précurseurs
2.1.3 Réacteur de croissance
2.2 Techniques de caractérisations structurales et morphologiques
2.2.1 Principe de la Diffraction des Rayons X
2.2.2 Principe de la Microscopie Electronique à Balayage
2.2.3 Extraction de données via Image J
2.2.4 Principe de la Microscopie de Force Atomique
2.2.5 Principe de la Spectroscopie de Photoluminescence continue
2.3 Impact de la couche d’ensemencement sur la formation des NFs de ZnO
2.3.1 Modulation de la puissance de dépôt RF
2.3.1.1 Caractérisations morphologiques des sous-couches et des NFs de ZnO
2.3.1.2 Caractérisations structurales des sous-couches et des NFs de ZnO
2.3.2 Influence du temps de dépôt et du recuit
2.3.2.1 Caractérisations DRX des sous couches et des NFs de ZnO
2.3.2.2 Caractérisation MEB des sous-couches et des NFs de ZnO
2.3.2.3 Répartition de la population des NFs de ZnO
2.3.2.4 Caractérisations AFM des sous-couches de ZnO
2.4 Gestion des paramètres de synthèse
2.4.1 Température de croissance
2.4.2 Influence du pH et qualité structurale des NFs de ZnO
2.4.2.1 Comparaison de deux synthèses hydrothermales
2.4.2.2 Vitesse de croissance et morphologie des NFs de ZnO
2.4.2.3 Evaluation de la qualité des NFs de ZnO par PL
Conclusion
Chapitre 3. Défauts et dopage natif des nanofils de ZnO
Introduction
3.1 Répartition des défauts structuraux dans les NFs de ZnO
3.1.1 Préparation des échantillons issus des nucléations homogène et hétérogène
3.1.2 Techniques de caractérisation
3.1.2.1 Techniques de caractérisation classiques
3.1.2.2 Principe de Spectroscopie par Résonnance Paramagnétique Electronique
3.1.3 Influence d’une étape de recuit sur le comportement des défauts dans des NFs de ZnO issus de la nucléation homogène
3.1.3.1 Analyses morphologiques et visuelles
3.1.3.2 Analyses RPE
3.1.3.3 Analyses DRX
3.1.3.4 Analyses PL
3.1.4 Comparaison avec le système NFs sur substrats Si/Ti/Au
3.1.4.1 Analyses morphologiques et visuelles
3.1.4.2 Analyse PL
3.2 Répartition et comportement du dopage dans les NFs de ZnO
3.2.1 Préparation des échantillons et Transistors à effet de champ
3.2.2 Techniques de caractérisation
3.2.2.1 Principe de mesure électriques par AFM
3.2.2.2 Théorie des transistors à effet de champ à grille inférieure
3.2.2.3 Mesure électriques par station sous pointes et paramètres importants
3.2.3 Résultats de mesures électriques
3.2.3.1 Mesures électriques par station sous pointes
3.2.3.2 Evaluation et cartographie du dopage d’un NF de ZnO
Conclusion Générale

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