Influence des paramètres de synthèse hydrothermale sur les nanofils de ZnO pour leur intégration dans des nanogénérateurs piézoélectriques
Résumé
La récupération d’énergie mécanique grâce aux NanoGénérateurs PiézoElectriques (PENGs) suscite depuis 2006 [1] un intérêt croissant pour le développement de microsystèmes autonomes. Les PENGs sont des composites intégrant des nanofils piézoélectriques, le plus souvent en oxyde de zinc ZnO ou en nitrure de gallium GaN (qui sont tous deux également semi-conducteurs), enrobés d’une matrice généralement constituée d’un matériau diélectrique souple. L'optimisation du matériau piézoélectrique nanostructuré, notamment sa morphologie (diamètre et longueur, celle-ci étant généralement de l’ordre du µm), sa densité (nombre de nanofils par unité de surface) et sa qualité (défauts structurels pouvant entraîner un dopage semiconducteur intrinsèque), est cruciale pour l'amélioration des performances des dispositifs PENGs. En effet, il a été démontré que le potentiel électrique et l'efficacité des dispositifs PENGs dépendent fortement de la morphologie du nanofil, qui affecte à la fois ses propriétés électriques et mécaniques [1], et dépendent également de la densité des nanofils [2]. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur l’élaboration de nanofils de ZnO de dimensions contrôlées en utilisant la technique hydrothermale. La morphologie des nanofils a été contrôlée en agissant sur la sous couche de ZnO. Nous avons montré, en effectuant la synthèse de nanofils sur des sous couches de ZnO de différentes épaisseurs, que l’épaisseur de la sous couche influence nettement les propriétés des nanofils obtenus, de même qu’un traitement thermique effectué sur la sous couche avant la croissance des nanofils (Figure 1). Les propriétés structurales et morphologiques des nanofils obtenus avec ces différentes conditions de synthèse ont été étudiées par diffraction des rayons X et microscopie électronique à balayage (MEB). Finalement, pour chaque type de sous couche expérimentée, des dispositifs PENGs, constitués de ZnO (sous couche)/ZnO (nanofils)/Parylène, ont été fabriqués et caractérisés. Cela nous a permis de mieux comprendre les mécanismes électriques impliqués dans ce type de dispositif, ouvrant de nombreuses possibilités pour améliorer leurs performances.
Références
[1] Z. L. Wang, J. Song, « Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays », Science 2006, 312, 242-246.
[2] A. Rinaldi, R. Araneo, S. Celozzi, M. Pea et A. Notargiacomo, « The clash of mechanical and electrical size-effects in ZnO nanowires and a double power law approach to elastic strain engineering of piezoelectric and piezotronic devices », Adv. Mater., 2014, 5976–5985.
[3] R. Tao, M. Parmar, G. Ardila, P. Oliveira et D. Marques, « Performance of ZnO based piezo-generators under controlled compression », Semicond. Sci. Technol.,2017, 32, 64003.