Thèse soutenue

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

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Auteur / Autrice : Lucas Jaloustre
Direction : Rudeesun SongmuangFranck 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)
Jury : Président / Présidente : Julien Pernot
Examinateurs / Examinatrices : José Penuelas
Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Tchernycheva, Brice Gautier

Mots clés

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Résumé

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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.