Développement et optimisation d’une synthèse hydrothermale de nanofils de ZnO, pour la fabrication industrielle de nanogénérateurs piézoélectriques

Development and optimization of an hydrothermal synthesis of ZnO nanowires for industrial fabrication of piezoelectric nanogenerators

• Auteur / Autrice : Camille Justeau
• Direction : Daniel Alquier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 06/03/2020
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Mehrdad Nikravech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kevin Nadaud, Guylaine Poulin-Vittrant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yamin Leprince-Wang, Vincent Consonni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure chimique

Optimisation des structures

Surfaces (technologie) -- Analyse

Énergie mécanique

Énergie -- Conversion directe

Dispositifs piézoélectriques

Synthèse hydrothermale

Oxyde de zinc

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils de ZnO

Croissance hydrothermale

Nanogénérateurs piézoélectriques

Récupération d'énergie mécanique

Nanofils d'Oxyde de Zinc

ZnO nanowires

Hydrothermal synthesis

Piezoelectric nanogenerators

Mechanical energy harvesting

Résumé

Ces dernières années, les progrès technologiques qui ont conduit à la miniaturisation des systèmes, notamment dans le domaine de la microélectronique, ont profondément changé notre rapport à l’énergie. Bien que les systèmes électroniques embarqués soient aujourd’hui peu consommateurs d’énergie, l’augmentation de leur densité sur une même puce mène malgré tout à des besoins énergétiques globaux considérables. La question de l’alimentation de ces systèmes électroniques a amplifié les travaux de recherche sur les micro-sources d’énergie, capables de récupérer de l’énergie disponible dans l’environnement immédiat du système. En particulier, la récupération d’énergie mécanique par les matériaux piézoélectriques apparaît comme une solution séduisante du fait des possibilités de miniaturisation de ces générateurs piézoélectriques.Cette thèse s’intéresse au développement de dispositifs électromécaniques de conversion de l’énergie à base de nanofils piézoélectriques de ZnO, synthétisés par voie chimique, et plus précisément, par synthèse hydrothermale. Il est question, ici, d’optimiser à la fois les nanofils ZnO pour l’application visée et la structure multicouches des nanogénérateurs, en s’appuyant sur des caractérisations structurales, électriques et fonctionnelles.Dans un premier temps, il a été nécessaire de travailler spécifiquement sur les paramètres de la synthèse, particulièrement sur les conditions de dépôt de la couche d’ensemencement, qui ont permis d’obtenir des réseaux de nanofils extrêmement alignés et de taille homogène. Par ailleurs, le travail sur les concentrations en précurseurs et sur le pH du milieu réactionnel a permis de faire le lien entre vitesse de croissance et taux de défauts des nanofils de ZnO. A pH élevé (11,5), de grandes vitesses de croissance sont constatées, jusqu’à 30-50 nm/min, au détriment du taux de défauts, bien supérieur à celui des nanofils synthétisés à pH neutre (proche de 7,5), qui donne des vitesses de seulement 2-3 nm/min.Ces études ont permis de relier les paramètres de synthèse aux propriétés des nanofils de ZnO, mais aussi aux performances des nanogénérateurs finaux. Cela a également permis de consolider le procédé de fabrication des nanogénérateurs flexibles, sur substrat de polydiméthylsiloxane, et d’obtenir des performances reproductibles. Ainsi, sous une force de compression de 3N (à la fréquence de 5Hz), ils fournissent une tension supérieure à 7 V en circuit-ouvert et une puissance crête de plus de 0,5 µW. En vue de diminuer le nombre d’étapes du procédé et de réduire l’utilisation de ressources métalliques limitées, des efforts ont aussi été menés sur le choix de la structure et des matériaux employés. Ainsi, la double couche or/ZnO, remplissant les rôles d’électrode et de couche de nucléation (nécessaire à la croissance des nanofils de ZnO), peut être remplacée par une seule et unique couche d’un matériau oxyde conducteur. Des nanogénérateurs, intégrant une couche d’oxyde indium-étain (ITO), ont ainsi été fabriqués et testés, affichant des performances prometteuses (5 V, 220 nW). Les résultats obtenus sur ces différents types de nanogénérateurs ont permis de les intégrer dans une chaîne fonctionnelle de récupération et de conversion de l’énergie mécanique, pour charger un supercondensateur. Ces travaux fournissent une preuve de concept des nanogénérateurs piézoélectriques à base de nanofils de ZnO, en tant que micro-sources d’énergie autonomes (AMES). Ces avancées sur la vitesse de croissance des nanofils de ZnO, sur la simplification du procédé de fabrication des nanogénérateurs et sur leurs performances, permettent d’envisager une potentielle industrialisation de ces nanogénérateurs.

In the past years, the technological progresses that led to the miniaturization of systems, especially in the field of microelectronic, have deeply changed our energetic approach. Embedded electronic systems are nowadays compatible with low energy consumption even though increasing their density on the same chip still leads to considerable overall energy needs. The question of power supply for such electronic systems has raised research work on micro-energy sources, capable of recovering energy available in the immediate environment of the system. In particular, the recovery of mechanical energy by piezoelectric materials appears to be an attractive solution, due to the miniaturization possibilities of these piezoelectric generators.This thesis focuses on the development of electromechanical energy conversion devices based on piezoelectric ZnO nanowires, chemically synthesized, and more precisely, by hydrothermal synthesis. Based on structural, electrical and functional characterization, the aim here is to optimize both the ZnO nanowires for the targeted applications, and the multi-layer structures of the nanogenerators.First, it was necessary to work specifically on the synthesis parameters, particularly on the deposition conditions of the seed layers, in order to obtain extremely aligned and homogeneous nanowire arrays. In addition, works on the precursor concentrations and on the pH of the reaction medium has made it possible to link the growth rate to the defect rate of ZnO nanowires. At a high pH (11.5), high growth rates are observed, up to 30-50 nm/min, but it led to higher defect rate compared to nanowires synthesized with a neutral pH (close to 7.5), which gives rates of only 2-3 nm/min.In these studies we linked the synthesis parameters to the properties of ZnO nanowires, and also to the performance of the final nanogenerators. This has also made it possible to consolidate the manufacturing process of flexible nanogenerators on polydimethylsiloxane substrates and to obtain reproducible performances. Under a compression force of 3N (at the frequency of 5Hz), they provide a voltage greater than 7 V in open circuit, and a peak power of over 500 nW. In order to reduce the number of process steps as well as to limit the use of valuable metallic resources, efforts were also made on selecting the structure and materials. Thus, the gold/ZnO double layer, fulfilling the roles of electrode and nucleation layer (needed for the growth of ZnO nanowires), can be replaced by a single layer of a conductive oxide material. Nanogenerators, incorporating an indium-tin oxide (ITO) layer, have been manufactured and tested, showing promising performance (5 V, 220 nW). The results obtained on these different types of nanogenerators have made it possible to integrate them into a functional chain to recover and convert mechanical energy, in order to charge a supercapacitor. This work provides a proof of concept of piezoelectric nanogenerators based on ZnO nanowires as autonomous micro-energy sources (AMES). These advances on the growth rate of ZnO nanowires, the simplification of the nanogenerator manufacturing process while maintaining reproducible performances, are promising to consider a potential industrialization of these nanogenerators.