Etude de propriétés piézoélectriques de nanocomposites à base de ZnO et application à la récupération d’énergie pour capteurs autonomes

Etude de propriétés piézoélectriques de nanocomposites à base de ZnO et
application à la récupération d’énergie pour capteurs autonomes
IMEP-LaHC / MINATEC / Grenoble – France
DATE LIMITE POUR L’APPLICATION: 28 MAI 2018

Mots clefs :
Nanotechnologies, Nano fils, Piézoélectricité, AFM, Physique du semi-conducteur et technologie.

Description du projet :
Les nanofils (NF) piézoélectriques semi-conducteurs (GaN et ZnO entre autres) présentent des propriétés piézoélectriques améliorées par rapport aux couches minces et au matériau massif, du fait de leur plus grande flexibilité, de leur sensibilité à des forces plus faibles et, également, à une amélioration intrinsèque des coefficients piézoélectriques qui a été identifiée par de récentes études théoriques et expérimentales [1, 2].
L’intégration de ces nanostructures dans de nanocomposites (formés de NFs englobés dans une matrice diélectrique) est intéressante pour différentes applications, principalement capteurs et récupération d’énergie mécanique [3, 4]. Des études théoriques très récentes dans notre équipe montrent que ces nanocomposites peuvent présenter des performances améliorées par rapport aux couches minces [5, 6].
Toutefois le développement de ces applications est actuellement entravé par une compréhension encore incomplète des effets de couplage entre les contraintes internes (aspect mécanique), la polarisation du matériau (aspect piézoélectrique), le dopage et la modulation de la charge de porteurs libres (aspect semi-conducteur). A l’échelle nanométrique, les effets non-linéaires peuvent également devenir importants.

Du point de vue fondamental, la thèse aura comme objectif d’approfondir la compréhension des phénomènes électromécaniques à l’échelle nanométrique en tenant compte des effets d’écrantage par les dopants ionisés, les porteurs libres et les pièges d’interface.
D’autres effets seront aussi étudiés : les non-linéarités mécaniques et électromécaniques, notamment les ordres supérieurs de l’effet piézoélectrique, ainsi que l’effet flexoélectrique, qui jouent vraisemblablement un rôle très important dans la réponse piézoélectrique des nanostructures. On s’intéressera aux propriétés des nanofils en tant que tels, mais aussi lorsqu’ils sont immergés dans la matrice diélectrique sous forme de nanocomposite.
Pour cela plusieurs paramètres seront étudiés, notamment le dopage et la dimension des nanofils. L’étudiant aura à sa disposition tous les moyens expérimentaux du laboratoire, ainsi qu’un accès à la plateforme technologique PTA pour la préparation de structures de test spécifiques (métallisation de contacts, connexions, membranes souples pour déflection, etc.). Les nanofils seront développés à l’IMEP-LaHC ou seront accessibles via différentes collaborations (LMGP, INL, Institute Néel…).

Le doctorant contribuera au développement des techniques de caractérisation. Le laboratoire IMEP-LaHC a été précurseur en développant dès 2008 des méthodes de caractérisation qualitatives du phénomène piézoélectrique sur des NF individuels de GaN, par la mesure du potentiel générée quand une force contrôlée est appliquée sur le NF à l’aide d’une pointe AFM [1]. Ces techniques ont été récemment modifiées pour réaliser des mesures en courant sous force contrôlée [7]. Elles seront approfondies dans le cadre de cette thèse et corrélées à des mesures plus standards (PFM, KFM) ou par Scanning Microwave Microscopy.[8] Toutes ces techniques ont l’avantage de pouvoir se réaliser sur le même NF, et donc d’être corrélables entre elles.
Parallèlement, grâce à une collaboration en cours, l’étudiant aura accès à des moyens de caractérisation in-operando inédits, mis en place par l’IM2NP à l’ESRF, pour combiner mesure de déformation par diffraction de rayons X, mesure du courant et mesure du potentiel de surface sous contrainte mécanique, grâce à un AFM placé sur une des lignes de l’ESRF. En s’appuyant sur l’expertise développée dans l’équipe, il effectuera des simulations multi-physiques (modèles analytiques, éléments finis) qui serviront de support pour interpréter les résultats expérimentaux.
La compréhension acquise devrait permettre à l’étudiant d’atteindre le second objectif, de valorisation, avec l’identification des pistes d’optimisation et la réalisation de démonstrateurs de recherche, basés sur des expériences récentes développées à l’IMEP-LaHC [9, 10], qui lui permettront de valider l’intérêt du concept pour la récupération d’énergie mécanique. Le développement de ces démonstrateurs et leur optimisation s’inscrit dans le cadre d’un projet européen Convergence (H2020/FlagERA 2017-2020).
Références :
[1] X. Xu, A. Potié, R. Songmuang, J.W. Lee, T. Baron, B. Salem and L. Montès, Nanotechnology 22 (2011)
[2] H. D. Espinosa, R. A. Bernal, M. Minary‐Jolandan, Adv. Mater. 24 (2012)
[3] S. Lee, R. Hinchet, Y. Lee, Y. Yang, Z. H. Lin, G. Ardila, et al., Adv. Func. Mater. 24 (2014)
[4] R. Hinchet, S. Lee, G. Ardila, L. Montès, M. Mouis, Z. L. Wang Adv. Funct. Mater. 24 (2014)
[5] R. Tao, G. Ardila, L. Montès, M. Mouis Nano Energy 14 (2015)
[6] R. Tao, M. Mouis, G. Ardila, Adv. Elec. Mat. 4 (2018)
[7] Y. S. Zhou, R. Hinchet, Y. Yang, G. Ardila, L.Montès, M. Mouis, Z. L. Wang, Adv. Mat. 25 (2013)
[8] K. Torigoe, M. Arita and T. Motooka, J. Appl. Phys. 112, 104325 (2012)
[9] S. Kannan, M. Parmar, R. Tao, G. Ardila, M. Mouis, J. of Physics: Conf. Ser. 773 (2016)
[10] R. Tao, G. Ardila, M. Parmar, L. Michaud, M. Mouis, Proc. of IEEE Eurosoi/ULIS (2017)

Compétences requises:
Il est souhaitable que le candidat possède des connaissances dans un ou plusieurs de ces domaines : physique du semi-conducteur, simulation par éléments finis, AFM (Atomic Force Microscopy), techniques de salle blanche et caractérisations associées (SEM, etc.). Les notes et le classement en licence et surtout master sont un critère de sélection très important pour l’école doctorale.
Lieu : IMEP-LAHC / Minatec / Grenoble
Ecole doctorale : EEATS (Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal), spécialité NENT (Nano Electronique Nano Technologies).

Encadrants :
Mireille MOUIS (Directrice de thèse) (mouis@minatec.grenble-inp.fr)
Gustavo ARDILA (co-encadrant) (ardilarg@minatec.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.), centres microélectroniques préindustriels (LETI, LITEN, IMEC, Tyndall) et PMEs (CEDRAT, etc.). Le/La doctorant(te) travaillera au sein du groupe Composant MicroNanoElectronique / Nanostructures & Nanosystèmes Intégrés et aura accès aux plateformes technologiques (salle blanche) et de caractérisation du laboratoire.

Contacts:
Gustavo ARDILA ardilarg@minatec.grenoble-inp.fr 04.56.52.95.32

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