Piézoélectricité dans des nanofils uniques de III-N pour la nanopiézotronique : analyse par microscopies à sonde locale

Piezoelectricity in single III-Nitride nanowires for nanopiezotronics : a scanning force microscopy investigation

• Auteur / Autrice : Lucas Jaloustre
• Direction : Rudeesun Songmuang, Franck Dahlem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 03/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Julien Pernot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José Penuelas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Tchernycheva, Brice Gautier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés semiconducteurs

Microscopie en champ proche

Piézoélectricité

Mots clés libres

Piézoélectricité

Nanofils

Contrainte mécanique

Piezoelectricity

Nanowire

Mechanical stress

Résumé

La nanopiézotronique est un nouveau domaine de recherche qui contribue au progrès croissant des récupérateurs d’énergie et de l’électronique intelligente. Ces applications bénéficient désormais de sa possibilité de conversion de petits mouvements mécaniques en énergie électrique. Les fondements de la nanopiézotronique reposent sur la coexistence de propriétés piézoélectriques et semi-conductrices de nano-objets ayant une structure cristalline non centrosymétriques tels que les semi-conducteurs III-N ou II-V. Les nanofils III-N avec leur aspect de forme élevé ont en particulier été proposés comme une brique élémentaire prometteuse pour cette recherche émergente.Néanmoins, le mécanisme qui régit la conversion d'énergie mécanique en électricité doit être clarifié dans le cas de la nanopiézotronique. L'origine du signal électrique de nanofils isolés détecté par la microscopie à balayage de force en mode conducteur était encore sujette à débat: s'agissait-il d'un effet piézoélectrique ou plutôt d'artefacts de mesure ? De plus, l’existence de coefficients piézoélectriques pour les nanofils de GaN ayant des valeurs supérieures à celles du massif était à vérifier, cette piezoélectricité géante pouvant résulter d'une mauvaise interprétation de la mesure.Ce travail de thèse est centré sur une compréhension approfondie de l’effet piézoélectrique dans les nanofils III-N.Cette compréhension demeure essentiel pour la nanopiézotronique. Dans ce but, plusieurs modes de la microscopie en champ proche tels que la microscopie à force de Kelvin (KPFM), la microscopie à force piézoélectrique (PFM) et la microscopie à balayage de force en mode conducteur (C-SFM) ont été utilisés pour sonder localement la piézoélectricité directe et inverse, ainsi que d’autres paramètres jouant un rôle important sur le potentiel piézoélectrique dans les nanofils III-N. Différentes configurations de dispositifs et plusieurs types d’électronique ont aussi été appliqués.Nos mesures, associées à des simulations par éléments finis, révèlent que les coefficients piézoélectriques dans les nanofils de III-N sont similaires à ceux des massifs et qu’aucun effet piézoélectrique géant n’a été observé.Les analyses des charges libres et des charges liées suggèrent aussi que l’effet des charges piézo-électriques devrait être indétectable, même avec les électroniques les plus sensibles. Enfin, il s'avère que le signal électrique obtenu par C-SFM sur des nanofils uniques de III-N est plutôt lié au courant traversant le nanofil et celui-ci est souvent généré par une mauvaise référence de masse du dispositif instrumental. Les résultats de ce travail mettent ainsi en évidence les divers paramètres dont il faut tenir compte dans les semi-conducteurs de III-N avant d'attribuer leur réponse mécanique ou électrique à un effet piézoélectrique. Ces signaux peuvent être potentiellement causés par le système de détection, des artefacts de mesure et l’environnement, conduisant facilement à leur mauvaise interprétation.

Nanopiezotronics is a recent field which has increasingly contributed to a progress of smart electronics and energy harvesters that benefits from a conversion of small mechanical movements into electrical energy. Its foundation relies on the coexisting of piezoelectric and semiconducting properties in nano-objects based on non-centrosymmetric semiconductors such as III-N or II-V. Lately, III-N nanowires with their high aspect ratio have been proposed as a promising building block for this emerging research.Nevertheless, the key mechanism in nanopiezotronics that governs a mechanical-to-electrical energy conversion must be clarified. The origin of the electrical signal from single nanowires detected by conductive scanning force microscopy was still under debate, whether it originates from piezoelectric effect or rather measurement artefacts.In addition, the reports of larger piezo-coefficients than bulk values in GaN nanowires need to be verified as it possibly results from the measurement misinterpretation.This PhD work is focused on in-depth understanding of the piezoelectric effect in III-N nanowires which is a critical issue for nanopiezotronics. For this purpose, several scanning force microscopy modes such as Kelvin probe force microscopy, piezoresponse force microscopy, conducting scanning force microscopy were performedto locally probe direct and reverse piezoelectricity including other parameters that play an important role on the piezo-potential generation. Various device configurations and different electronic setups were applied.The experimental results together with finite element simulations, reveal that the piezo-coefficients of III-N nanowires are similar to those of bulk, and no giant piezoelectric effect was observed. The analyses of free and bound charges suggest that the effect of the piezo-charges should be undetectable even with highest sensitive electronics. Besides, the electrical signal found in single nanowires by conductive-scanning force microscopy is rather related to the current passing through the nanowires which is often generated by an unappropriated grounded setup. The outcome of this work point out various parameters in piezoelectric semiconductor nanowires that must be taken into account before attributing their mechanical or electrical response to the piezoelectric effect. Those signals can be potentially caused by the detection setup itself, the measurement artefacts and the environments, resulting in the misinterpretations of the signal origins.