Impact de l’optimisation des matériaux sur les performances des NGs

Les études d’amélioration de la morphologie et de la qualité des NFs de ZnO (Chapitre 2), détaillant l’influence de l’épaisseur et du recuit des couches d’ensemencement de ZnO ainsi que de l’impact du pH de synthèse hydrothermale, ont mené à des conclusions qu’il nous semble important de tenter de vérifier à travers la fabrication de NGs piézoélectriques. Sans démontrer une relation de cause à effet directe entre les conclusions sur le matériau, obtenues au chapitre 2, et les performances électriques des dispositifs évalués dans ce chapitre, il s’agit, cependant, de vérifier que les performances électriques des NGs sont en accord avec les qualités accordées au ZnO. Dans cette partie, les mesures de puissance des NGs ont été effectuées en mode impact, pour une amplitude de sollicitation mécanique de 3 N, à la fréquence habituelle de 5 Hz.

4.4.1 Epaisseur et recuit des couches d’ensemencement de ZnO

La croissance des NFs de ZnO sur différentes épaisseurs de couche d’ensemencement de ZnO a permis, lors du chapitre 2, d’établir qu’une uniformisation de la morphologie (taille, diamètre) et qu’une amélioration de l’alignement des NFs est observable en diminuant l’épaisseur de la sous-couche de ZnO de 100 à 5 nm. Cette observation devient particulièrement significative lorsqu’une étape de recuit à 400°C sous air a été ajoutée. L’étude concluait que des épaisseurs de sous-couche comprises entre 10 et 50 nm, préférentiellement recuites, permettaient d’obtenir un très bon profil morphologique et d’alignement des NFs de ZnO et laissaient anticiper une intégration plus optimale au sein des différents matériaux constitutifs des NGs. Il est donc attendu de meilleures performances des dispositifs fabriqués pour des épaisseurs entre 10 et 50 nm avec l’étape de recuit.

Les premiers tests effectués sur ces dispositifs ont permis de relever des caractéristiques électriques telles que les valeurs crêtes de VOC, de courant de court-circuit ISC, de maximum de puissance Ppk, qui sont rassemblées Tableau 4-1. Pour des raisons pratiques, les valeurs crêtes sont utilisées dans ce chapitre pour comparer les performances des NGs, un comparatif avec les valeurs moyennes de tension, courant et puissance peut être trouvé en Annexe A.

Tableau 4-1. Caractéristiques électriques associées aux NGs pour différentes épaisseurs de sous-couche de ZnO

Paramètres VOC (mV) ISC (nA) Ppk (nW)

Epaisseur sous-couche de ZnO non recuite

100 nm 272 ± 32 214 ± 23 17 ± 4,4 50 nm 53 ± 16 49 ± 45 0,7 ± 0,5 10 nm 95 ± 68 68 ± 32 1,8 ± 1,4 5 nm 64 ± 42 31 ± 7 0,7 ± 0,6

Epaisseur sous-couche de ZnO

134

En testant les performances des NGs fabriqués, il s’est avéré très difficile d’obtenir des NGs fonctionnels intégrant une sous-couche de ZnO recuite. En effet, la plupart des NGs intégrant un film de ZnO de 10 nm recuit ont présenté des courts-circuits et les performances rassemblées dans le Tableau 4-1 sont clairement basses avec notamment la plus faible valeur de VOC obtenue à 47 mV. Les NGs intégrant le film de 10 nm recuit donnent par ailleurs de plus faibles valeurs de puissance que ceux intégrant le film de 10 nm non recuit. Une des hypothèses que nous avons émises à ce sujet est la très probable détérioration de l’électrode d’Au à 400°C. Il a déjà été mentionné dans la littérature une possible dégradation des propriétés électriques du système Ti/Au/ZnO lors d’un recuit au-delà de 300°C, qui induirait la diffusion de Ti à travers Au et provoquerait un probable dérangement de la structure de la sous-couche [303]. Cela pourrait être partiellement à l’origine d’une diminution de la qualité des contacts et par conséquent de la collecte des charges du NG. De plus, il n’est pas à exclure que bien que l’alignement des NFs soit meilleur et que leur morphologie soit plus homogène, la densité du réseau de NFs augmente et leur rapport d’aspect diminue par rapport à une synthèse sur une sous-couche non recuite. Il est donc possible d’avoir une diminution de la souplesse mécanique globale du réseau de NFs, ce qui pourrait diminuer l’amplitude de potentiel piézoélectrique recueilli.

Par ailleurs, contre toute attente, les résultats observés sur les sous-couches non recuites de ZnO, aux épaisseurs de 100, 50, 10 et 5 nm, ne sont pas non plus concluants. Le Tableau 4-1 rapporte des performances bien plus grandes pour les NGs intégrant des couches d’ensemencement de 100 nm, alors que ces dernières présentent un réseau de NFs de ZnO désordonné, avec peu d’alignement et un mélange de différentes populations de NFs. Le profil d’évolution des performances, avec la diminution de l’épaisseur de la sous-couche de croissance, est exposé Figure 4.15 et ne manifeste pas une évolution linéaire des performances avec la diminution de l’épaisseur. Particulièrement pour les épaisseurs de 5 et 50 nm, le maximum de puissance de 0,7 nW est extrêmement bas et se situe dans la limite de mesure de l’équipement.

Figure 4.15 – Valeurs crêtes a) en tension de circuit-ouvert et courant de court-circuit et b) en maximum de puissance, des NGs intégrant des NFs de ZnO synthétisés sur différentes épaisseurs de couche d’ensemencement non recuites de ZnO

En regardant maintenant la dispersion des résultats sur chaque série d’échantillons, les faibles épaisseurs dépeignent une grande dispersion des performances, particulièrement en tension (Figure 4.15a) et puissance (Figure 4.15b), alors que les NGs fabriqués à partir de l’épaisseur de 100 nm donnent très peu de dispersion, en particulier sur la puissance.

Il nous est très difficile de lier les performances de ces NGs à l’évolution de la morphologie et de l’alignement des NFs avec la diminution de l’épaisseur de sous-couche de ZnO car aucun schéma logique ne semble coïncider entre ces deux études. Il est possible que le

b)

a)

135

changement d’épaisseur de la sous-couche n’induise pas seulement des changements morphologiques dans la croissance des NFs, mais impacte aussi la qualité du contact et la tension générée. On peut en effet s’attendre à ce que différents paramètres, tels que les contraintes appliquées à la sous-couche de ZnO ou bien la résistivité de cette dernière, évoluent en fonction de l’épaisseur altérant ainsi les performances du dispositif final.

4.4.2 pH et taux de défauts des NFs de ZnO

A l’issue de l’étude menée au Chapitre 2 section 2.4.2, sur l’influence du pH sur le taux de défauts et sur la vitesse de croissance des NFs de ZnO, des NGs ont été fabriqués afin de confronter les résultats obtenus vis à vis de la qualité des NFs de ZnO, avec les performances des NGs qu’ils intègrent. Parmi les quatre NGs qui ont été fabriqués à partir des NFs issus de la synthèse A à pH de 7,5, trois ont été testés fonctionnels, tandis que cinq des huit NGs fabriqués pour la synthèse B à pH 11,5 ont permis des mesures électriques. La fabrication de tous les NGs ayant été faite dans les mêmes conditions, il semble, à première vue, que les courts-circuits dans les NGs issus de la synthèse B de NFs de ZnO soient plus fréquents.

Il est à noter que les mesures effectuées sur cette série sont comparables entre elles. Cependant, le banc de test ayant subi des optimisations par la suite, ces résultats ne sont pas comparables à ceux obtenus pour les autres études présentées au cours de ce chapitre.

Les valeurs moyennes de VOC, ISC et Ppk, associées à chaque type de NG, sont rassemblées dans le Tableau 4-2 et soulignent des performances globales légèrement supérieures des NGs issus de la synthèse A de NFs de ZnO. En effet, on note des valeurs de ISC et Ppk, à 72 nA et 9 nW presque deux fois supérieures pour les NGs A par rapport aux 35 nA et 5,6 nW obtenus pour les NGs B. Cela confirme les hypothèses faites sur les performances attendues des NGs A dont les NFs de ZnO ont montré un taux de défaut plus faible d’un ordre de grandeur (Chapitre 2, section 2.4.2.3). Les valeurs de VOC suivent aussi cette tendance avec 473 mV pour les dispositifs A contre 355 mV pour les dispositifs B. Par ailleurs, le maximum de puissance est obtenu pour une valeur de charge résistive plus basse dans le cas des dispositifs A.

Tableau 4-2. Caractéristiques électriques obtenues pour les NGs intégrant des NFs de ZnO synthétisés à différents pH

pH de synthèse VOC (mV) ISC (nA) Ppk (nW) Ropt (kΩ)

A: 7,5 473 ± 142 72 ± 20 9,2 ± 1,3 5 623

B: 11,5 400 ± 258 35 ± 13 5,6 ± 4,4 10 000

Les courbes des réponses en tension, courant et maximum de puissance sont quant à elles exposées Figure 4.16a-c. En plus de bien dépeindre les meilleures performances associées aux NGs A, il est à noter que ces courbes fournissent aussi une information sur la dispersion des mesures électriques associées à l’ensemble des NGs testés. En effet, chacune des courbes, associées aux synthèses A et B de NFs, est une moyenne des réponses de plusieurs dispositifs fabriqués. Une plus grande dispersion des mesures est enregistrée sur les réponses en tension (Figure 4.16a) et en courant (Figure 4.16b) pour les NGs intégrant des NFs issus de la synthèse B. Cela souligne aussi que la qualité des NFs peut impacter la dispersion et reproductibilité des résultats de mesure.

136

Figure 4.16 – Courbes d’évaluation des performances a) en tension, b) courant et c) puissance des NGs contenant les NFs synthétisés selon les synthèses A et B, ceci pour différentes valeurs de charge résistive.

Les caractérisations électriques de ces NGs semblent donc suivre l’hypothèse établie lors du chapitre 2, qui annonçait une meilleure qualité des NFs de ZnO issus de la synthèse A, de par leur taux de défauts structuraux plus bas, et dont il était attendu de meilleures performances électriques lors de leur intégration dans des NGs piézoélectriques. Il semble donc que le pH d’une synthèse hydrothermale soit, à la fois, un facteur de contrôle de la vitesse de croissance des NFs de ZnO et un facteur d’introduction de défauts structuraux pouvant impacter les propriétés des NFs et par conséquent les performances électriques des NGs fabriqués.