Etude et développement de couches minces de germanium pour une utilisation comme électrode négative dans des microaccumulateurs Li-ion

Study and development of germanium thin films for an utilisation as negative electrode in all solid stage Li-ion microbatteries

• Auteur / Autrice : Benjamin Laforge
• Direction : Alain Billard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2006
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMPS
• Jury : Président / Présidente : Jean Steinmetz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Billard, Jean Steinmetz, Jean-Pierre Pereira-Ramos, Thierry Brousse, Raphaël Salot, Frédéric Le Cras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Pereira-Ramos, Thierry Bousse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique -- Applications industrielles

Couches minces métalliques

Germanium

Accumulateurs

Mots clés libres

Microaccumulateurs tout solide

Li-ion

All solid microbatteries

Li-ion

Résumé

AParmi les différentes sources d’énergie, les microaccumulateurs tout solide au lithium sont de bons candidats pour l’alimentation de systèmes miniaturisés. Afin d’outrepasser les limitations actuelles de ces microsources, les films minces de germanium sont prometteurs comme matériau d’électrode négative de par leurs meilleures stabilités chimique et thermique, comparées à celles du lithium métal. Ce travail de thèse a consisté à développer et à optimiser le procédé de synthèse par pulvérisation cathodique magnétron d’électrodes de germanium en couches minces, dont les propriétés physiques ont été mises en relation avec les performances électrochimiques. L’analyse du comportement électrochimique en régime et sur la tenue en cyclage a mis en évidence l’influence de la morphologie et du dopage des films de germanium. Malgré d’importantes variations volumiques de l’électrode, une étude a permis de montrer la faisabilité d’une intégration de ces couches minces dans des microaccumulateurs tout solide Ge pré-lithié/ LiPON/ Li par des procédés basse température (compatibles Above IC). Avec ce type d’empilement, une capacité spécifique élevée de 50 µAh/cm² (» 800 µAh/cm².µm) a été maintenue sur une quarantaine de cycles sous 10 µA/cm². Diverses propositions ont été envisagées afin d’accroître la cyclabilité de ces dispositifs et de permettre la réalisation de microaccumulateurs Li-ion pour des applications en microélectronique.

Among the different energy sources, all solid state lithium microbatteries are the most promising candidates for the alimentation of miniaturised systems. In the aim of overcoming the current limitations of these micro power sources, germanium thin films prove to be a promising material as a negative electrode, due to their better chemical and thermal stability in comparison with metallic lithium. This PhD work was devoted to the development of germanium electrode coatings and the optimisation of their synthesis by magnetron sputtering. Their physical properties have been correlated to their electrochemical performances. The influence of the morphology and doping of the films on their electrochemical behaviour at different current densities and on the cyclability was established. Despite huge volumic variations of the electrode, this study showed the feasibility of integrating these films in Ge lithiated/ LiPON /Li microbatteries deposited by low temperature processes (Above IC compatibility). With this stack configuration, a stable specific capacity of 50 µAh/cm² (» 800 µAh/cm².µm) has been maintained during forty cycles. Different solutions have been suggested to improve the cyclability of all solid state microbatteries and the techniques used for directly depositing them on the electronic microcomponents.