Nouvelles solutions pour accroître les propriétés de piézogénération des nanofils de GaN

Novel solutions for piezogeneration enhancement in GaN nanowires

• Auteur / Autrice : Tanbir Kaur Sodhi
• Direction : Noëlle Gogneau, Frédéric Houzé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 26/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Guylaine Poulin-Vittrant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gustavo Adolfo Ardila Rodriguez, Brice Gautier, Vincent Sallet, Christophe Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gustavo Adolfo Ardila Rodriguez, Brice Gautier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs piézoélectriques

Piézoélectricité

Microscopie à force atomique

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils III-nitrures

AFM-résiscope

Piézo-générateurs

Récupération d'énergie

III-Nitride nanowires

AFM-resiscope

Piezogenerators

Energy harvesting

Résumé

Au cours des dernières années, les nanofils (NFs) de GaN sont apparus comme de très bons candidats pour la récupération d'énergie aux petites échelles. Leurs grandes propriétés mécaniques et piézoélectriques leur confèrent la capacité de convertir efficacement les énergies vibratoires et mécaniques ambiantes en une énergie électrique, et ainsi de développer une nouvelle génération de générateurs piézoélectriques ultra-compacts, efficaces et autonomes pour assister ou alimenter des micro-dispositifs. Malgré la démonstration de premiers piézo-générateurs prometteurs à base de ces NFs, il est encore aujourd'hui indispensable d'augmenter la capacité de piézo-conversion de ces nouveaux systèmes. L'exploration de nouvelles solutions pour l'amélioration de leurs performances est l'axe de recherche de cette thèse. Dans ce travail, l'épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma est utilisée pour développer des NFs de GaN intrinsèquement dopés de type p et présentant une grande qualité cristalline. Grâce à un outil de nano-caractérisation basé sur le microscope à force atomique équipé du module électrique Resiscope spécifiquement adapté pour réaliser des mesures de piézo-conversion, la réponse piézoélectrique des NFs est étudiée en fonction des solutions considérées. L'efficacité de la génération piézoélectrique des NFs est fortement affectée par le circuit externe. Pour la première fois aux échelles nanométriques, nous démontrons expérimentalement son influence. Les limites du protocole établi dans la communauté pour juger de la capacité de génération de ces nanostructures 1D sont abordées et des solutions sont proposées. L'efficacité de génération piézoélectrique des NFs est également profondément affectée par les charges de surface, qui sont fortement prononcées dans les NFs de GaN caractérisés par des diamètres inférieurs à 100 nm. Nous démontrons que ces charges de surface peuvent être avantageuses pour les applications piézoélectriques car elles offrent la possibilité d'ajuster la concentration de porteurs de charge libres en fonction du diamètre des NFs. Ainsi, nous établissons expérimentalement qu'en présence de charges de surface, l'efficacité de couplage électromécanique des nanofils de GaN augmente jusqu'à 43,4 % pour des diamètres compris entre 45 et 60 nm. Les mesures piézoélectriques sur des NFs de GaN et des NFs cœur/coquille de GaN/Al₂O₃ sont également effectuées. La réduction de la densité de charge de surface en présence de la coquille d'Al₂O₃ se traduit par une dégrade la réponse piézoélectrique des NFs, confirmant ainsi l'importance des charges de surface pour améliorer la réponse piézoélectrique de ces derniers. Enfin, en tirant parti de ces solutions, des tensions de sortie pouvant atteindre jusqu'à 520 mV par NF ont été mesurées, établissant un nouvel état de l'art, selon le protocole de mesure couramment utilisé, pour les nanostructures piézoélectriques 1D.

In the last decade, GaN nanowires (NWs) have emerged as promising candidates in the field of small-scale energy harvesting. Their superior mechanical and piezoelectric properties confers to them the ability to effectively convert the ambient vibrational and mechanical energies into electrical energy, and thus develop a new generation of ultra-compact, high-efficient and self-sustainable piezoelectric generators to assist or power microelectronic devices. Despite the demonstration of first promising NW-based piezo-generators, it is today indispensable to further increase the piezo-conversion capacity of these new harvesters. The exploration of novel solutions to enhance their performances is the research axis of this thesis. Here, plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) is employed to grow intrinsically p-doped GaN NWs with high crystalline quality. Thanks to a nano-characterization tool based on atomic force microscope equipped with the Resiscope electric module specifically adapted for piezoelectric conversion measurements, the piezoelectric response of NWs is investigated as a function of the explored solutions. The piezo-generation efficiency of the NWs is strongly affected by the external circuit. For the first time in the nanoscale regime we experimentally demonstrate its influence on the piezo-generation efficiency of the NWs. The limitations of the formerly established protocol to judge the piezo-generation capacity of 1D-nanostructures are addressed and solutions are proposed. The piezo-generation efficiency of the NWs is also deeply affected by the surface charges, which are strongly pronounced in sub-100 nm wide GaN NWs. We demonstrate that these surface charges can be advantageous for piezoelectric applications as they offer the possibility to tune the free charge carrier concentration as a function of NW diameter. Thus, we establish experimentally that in the presence of surface charges, the electromechanical coupling efficiency of GaN NWs increases up to 43.4 % for diameters in the range of 45-60 nm. The piezoelectric measurements on GaN and GaN/Al₂O₃ core-shell NWs are also performed. The reduction of surface charge density by the Al₂O₃ shell results in a degradation of the piezoelectric response of the NWs. These results confirm the importance of the surface charges for improving the piezo-response of GaN NWs. Finally, by taking advantage of these solutions, output voltages reaching up to 520 mV per NW have been measured, stating a new-state-of-the-art, in the commonly used protocol, for 1D piezoelectric nanostructures.