Vers la fabrication collective de micro-supercondensateurs à électrodes interdigitées à base de nitrure de vanadium déposé en technologie couche mince

Towards the collective fabrication of micro-supercapacitors based on vanadium nitride interdigitated electrodes deposited by thin film technologies

• Auteur / Autrice : Kévin Robert
• Direction : Christophe Lethien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes. Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 03/12/2018
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-fabrication

Couches minces

Vanadium -- Composés

Supercondensateurs

Mots clés libres

Micro-Supercondensateurs

Pseudocapacité

Nitrure de vanadium

Energy storage devices

Résumé

Les objets mobiles connectés prennent une place prépondérante dans notre vie de tous les jours mais l’autonomie énergétique est à ce jour limitée. Ainsi, le développement de dispositifs de stockage d’énergie performants et miniaturisés est un domaine en pleine expansion. Les performances de ces systèmes dépendent des matériaux dont sont constituées leurs électrodes et de l’électrolyte utilisé. Cette thèse est consacrée à la fabrication de micro-supercondensateurs à électrodes interdigitées composées de films minces de nitrure de vanadium (VN) déposé par pulvérisation cathodique. La modulation des paramètres de dépôt a permis de densifier les dépôts afin d’augmenter la conductivité électrique ou, au contraire, de rendre poreuses les couches minces pour favoriser la capacité surfacique. La caractérisation operando par spectroscopie d’absorption X d’un film mince de VN cyclé en milieu aqueux KOH couplée à des analyses de surface (XPS / TOF-SIMS) montre que la capacité élevée du VN est due à l’oxyde de vanadium présent en surface du film. Des micro-supercondensateurs rapportant des performances à l’état de l’art en topologie interdigitée ou face / face ont été fabriqués en utilisant les films de VN optimisés dont nous avons fait varier l’épaisseur pour augmenter les densités d’énergie surfacique. Le dépôt de VN par ALD a été également mis au point dans le cadre de cette thèse afin de pouvoir assurer la formation de couches minces sur des substrats 3D de haute surface spécifique. Enfin, différents liquides ioniques ont été utilisés comme électrolytes afin de faire cycler des électrodes de VN, le but étant la formation d’électrolyte solide basé sur la technologie ionogels.

The mobile connected devices have a prominent place in our everyday life but energy autonomy is limited. Thus, the development of efficient and miniaturized energy storage devices is an expanding field. The performance of these systems depends on the used electrode materials and the electrolyte. This thesis is focused on the fabrication of micro-supercapacitors with interdigitated electrodes composed of sputtered vanadium nitride (VN) thin films. The modulation of the deposition parameters allows densifying the thin films in order to increase their electrical conductivity or, on the contrary, leads to the synthesis of porous thin films to increase the surface capacitance. X-ray absorption spectroscopy of VN thin films tested in aqueous KOH in operando configuration coupled with surfaces analyses (XPS/ ToF-SIMS) show that the high capacitance of the VN is due to the presence of thin layer of vanadium oxide at the VN surface. Micro-supercapacitors reporting state-of-art performance in interdigitated or face/face topologies were fabricated using optimized VN films: the film thickness was varied to increase the energy density. The Atomic Layer Deposition of VN layers was also achieved in the frame of this study in order to ensure the formation of thin layers on high specific surface area 3D substrates. Finally, different ionic liquids have been tested as electrolyte, the purpose being solid electrolyte formation based on ionogels technology.