Simulation, fabrication et caractérisation de transducteurs à base de nanofils piézoélectriques

Sujet de stage :
Période : premier semestre 2021
Simulation, fabrication et caractérisation de transducteurs à base de nanofils piézoélectriques
IMEP-LaHC / LMGP/ MINATEC / Grenoble – France

Mots clefs :
Nanotechnologies, Nanofils, Piézoélectricité, Physique du semiconducteur, Caractérisation, Simulation FEM.

Description du projet :
Ces dernières années, un intérêt croissant s’est manifesté au sein de la communauté scientifique internationale pour l’étude des nanofils, dont le caractère unidimensionnel (1D) leur confère des propriétés (électriques, mécaniques…) uniques. Ces propriétés peuvent être exploitées avantageusement pour différentes applications de type capteurs, actionneurs ou systèmes de récupération d’énergie (Fig. 1) [1]. Par contre, les performances de ces dispositifs sont fortement affectées par différentes paramètres : densité de nanofils, dimensions, états de surface et niveau de dopage, entre autres [2].

Fig. 1: Structure d’un nano-générateur piézoélectrique intégrant des nanofils de ZnO.

Le sujet de ce stage se focalise sur la transduction mécanique à électrique utilisant un matériau composite à base de nanofils (NFs) de ZnO. Ces nano-composites pourront avoir des propriétés améliorés par rapport aux couches minces piézoélectriques [3][4].

L’objectif du stage est de fabriquer des nano-composites piézoélectriques à base de nanofils de ZnO fabriqués par dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD) [5]. Cette technique permet d’élaborer des réseaux de nanofils avec une grande qualité structurale et optique sur une grande variété de substrats tels que le silicium. Les nanofils de ZnO seront caractérisés par MEB, DRX, AFM et d’autres techniques conventionnelles avec le souci de mettre en évidence et contrôler les effets de surface dans ces objets. Les dispositifs fabriqués seront caractérisés en utilisant des bancs de test spécifiques.

Le candidat travaillera donc sur 4 objectifs différents mais corrélés :

1. Participer à la croissance de nanofils par MOCVD.
2. Participer à la fabrication de nano composites intégrés sur silicium.
3. Caractérisation électromécanique des dispositifs fabriqués grâce à un banc de test spécifique.

Eventuellement l’étudiant pourra participer à la modélisation des composites piézoélectriques en utilisant un logiciel commercial de calcul d’éléments finis (FEM).
La réalisation de ces objectifs nous permettra une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu et permettra de dégager des pistes d’optimisation pour des applications de récupération d’énergie ou capteur.
Le/la candidat(e) bénéficiera d’un cadre de collaboration déjà établi entre les laboratoires LMGP et IMEP-LaHC (projet ANR SCENIC 2021-2024 incluant aussi C2N et GEEPS). Une poursuite en thèse de doctorat est possible.

Références :
[1] S. Lee, R. Hinchet, Y. Lee, Y. Yang, Z.-H. Lin, G. Ardila, L. Montes, M. Mouis, Z. L. Wang, « Ultrathin Nanogenerators as Self-powered/Active Skin Sensors for Tracking Eye Ball Motion », Adv. Funct. Mater., 24 (2014) p. 1163-1168.
[2] R. Tao, M. Mouis, G. Ardila, “Unveiling the Influence of Surface Fermi Level Pinning on the Piezoelectric Response of Semiconducting Nanowires”, Adv. Electron. Mater., 4(1), (2018) p. 1700299.
[3] R. Tao, G. Ardila L. Montes and M. Mouis, “Modeling of semiconducting piezoelectric nanowires for energy harvesting and sensing” Nano energy, 14 (2015) p.62-76.
[4] R. Tao, M. Parmar, G. Ardila, P. Oliveira, D. Marques, L. Montès, M. Mouis, “Performance of ZnO based piezo-generators under controlled compression”, Semiconductor Science and Technology, 32(6) (2017) p. 064003.
[5] Q. C. Bui, G. Ardila, E. Sarigiannidou, H. Roussel, C. Jiménez , O. Chaix-Pluchery, Y. Guerfi, F. Bassani, F. Donatini, X. Mescot, B. Salem, V. Consonni , ”Morphology Transition of ZnO from Thin Film to Nanowires on Silicon and its Correlated Enhanced Zinc Polarity Uniformity and Piezoelectric Responses”, ACS Applied Materials & Interfaces, 12(26), (2020), p. 29583-29593.

Détails :
Durée : de 4 à 6 mois (premier semestre 2021)
Niveau: PFE Ecole d’ingénieur, Master 2
Lieu : IMEP-LAHC / LMGP / Minatec / Grenoble
Encadrants : Gustavo ARDILA (ardilarg@minatec.grenoble-inp.fr)
Vincent CONSONNI (vincent.consonni@grenoble-inp.fr)
Laboratoire de recherche:
IMEP-LAHC / MINATEC / Grenoble
L’IMEP-LAHC est localisé dans le centre d’innovation de Minatec. Il collabore avec plusieurs grands industriels (ST-Microelectronics, SOITEC, etc.) et centres microélectroniques préindustriels (LETI, LITEN, IMEC, Tyndall). Le/La stagiaire travaillera au sein du groupe Composant MicroNanoElectronique / Nanostructures & Nanosystèmes Intégrés et aura accès aux plateformes technologiques (salle blanche) et de caractérisation du laboratoire.
LMGP / MINATEC / Grenoble
Le LMGP est localisé dans le centre d’innovation de Minatec et regroupe des activités en physico-chimie des (nano)-matériaux incluant leur synthèse par dépôts chimiques et leur caractérisation structurale. Le/La stagiaire travaillera au sein de l’Equipe « Nanomatériaux et Hétérostructures Avancées ».

Contacts:
Gustavo ARDILA ardilarg@minatec.grenoble-inp.fr 04.56.52.95.32
Vincent CONSONNI vincent.consonni@grenoble-inp.fr 04.56.52.93.58

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