Thèse soutenue

LiNbO3 films : intégration pour la récupération de l'énergie piézoélectrique et pyroélectrique.
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Auteur / Autrice : Giacomo Clementi
Direction : Ausrine BartasyteBernard DulmetSamuel Margueron
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique et énergétique
Date : Soutenance le 25/11/2020
Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
Jury : Président / Présidente : Elie Lefeuvre
Examinateurs / Examinatrices : Ausrine Bartasyte, Bernard Dulmet, Samuel Margueron, Elie Lefeuvre, Alper Erturk, Francesco Cottone, Paul Muralt, Mickaël Lallart, Roberto La Rosa
Rapporteurs / Rapporteuses : Elie Lefeuvre, Alper Erturk

Résumé

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Cette thèse fait partie du projet ENHANCE (Piezoelectric Energy Harvesters for Self-Powered Automotive Sensors : from Advanced Lead-Free Materials to Smart Systems) du réseau de formation innovant Marie Sklodowska-Curie, qui est lié à la récupération d'énergie pour les applications automobiles, en particulier de l'énergie vibratoire et thermique pour les capteurs autoalimentés. Dans cette thèse, nous avons étudié le matériau piézoélectrique sans plomb LiNbO3 comme transducteur pour les applications de récupération d'énergie, en mettant l'accent sur ses propriétés matérielles optimisées et son interface électronique.Nous avons exploré toutes les voies possibles de micro-fabrication des films LiNbO3, avec des approches top-down ou bottom-up, afin d'obtenir des films LiNbO3 de haute qualité. Nous avons présenté à la fois des films PIMOCVD qui peuvent être développés de manière texturée sur des substrats de silicium, et des films épais de monocristaux LiNbO3 Au-Au colleés au silicium ou au métal. Nous avons optimisé le couplage et les propriétés électro-mécaniques des transducteurs LiNbO3 par des simulations par éléments finis et l'étude de l'orientation. Finalement, nous avons démontré expérimentalement que LiNbO3 (YXl)/128° est la meilleure orientation pour les applications de récupération d'énergie vibratoire. Enfin, nous avons atteint une densité de puissance normalisée de 371,2 µW.cm^-3.g^-2.Hz^-1 en utilisant la structure composite proposée qui vibre à la fréquence de résonance, ce qui est parmi les meilleures valeurs même par rapport aux matériaux à base de plomb (et autres matériaux sans plomb) disponibles dans le commerce.En outre, nous avons satisfait l'objectif de fournir une tension de sortie redressée dans la gamme 1-3 V à partir de transducteurs sans plomb, obtenant pour des systèmes de dimensions compactes (< 1 cm^3), une figure de mérite piézoélectrique de 26,6 GJ/m^3 avec un facteur de qualité mécanique considérable (> 100), et des fréquences opérationnelles dans la gamme de 10-500 Hz disponibles dans les véhicules.