Performances électriques des NGs intégrant les films d’Au, ZnO et AZO . 142

Les mesures d’impédance effectuées sur les NGs, fabriqués pour les couches d’ensemencement d’Au, ZnO et AZO, ont permis de déterminer l’impédance interne des NGs ainsi que la détection d’éventuels courts-circuits. Pour cela, comme mentionné précédemment section 4.2.1, une tension AC de 200 mVpp a été appliquée au NG sur une gamme de fréquence de 1 à 100 Hz. A partir des mesures enregistrées, l’impédance complexe Z a été extraite pour chaque dispositif en calculant i) le ratio entre la tension et le courant, pour obtenir le module et ii) le décalage de phase entre la tension et le courant pour obtenir l’argument. Les courbes présentant le logarithme de Z en fonction du logarithme de la fréquence sont présentées Figure 4.22a. Ces courbes révèlent le type d’impédance interne du dispositif (capacitif, inductif et ou résistif) et permet la détection de courts-circuits dans les NGs. Les valeurs des pentes des courbes d’impédance tendant vers -1 (-0,98 et -0,81 respectivement), visibles sur la Figure 4.22a, attestent d’une réponse capacitive de la part des NGs intégrant les sous-couches de ZnO et d’AZO. Cependant, le NG fabriqué sur sous-couche d’Au montre clairement un comportement de dispositif court-circuité.

Figure 4.22b, la valeur de -90° atteinte par la phase Z des courbes associées au NGs intégrant les sous-couches de ZnO et d’AZO confirme leur réponse capacitive. De plus, la valeur de phase Z de presque +90° constatée pour les NGs basés sur sous-couche d’Au illustre un comportement inductif à interpréter par l’état court-circuité du dispositif.

Figure 4.22 – Courbes extraites des mesures d’impédance montrant a) log(z) vs. log(fréquence) et b) la phase Z vs. la fréquence des NGs fabriqués à partir de la croissance de NFs de ZnO sur Au, ZnO et AZO

Afin d’approcher des conditions réelles de récupération d’énergie et d’évaluer le maximum de puissance disponible, les NGs ont été placés sur le banc de test présenté Figure 4.11 section 4.2.2 et leur surface a été sollicitée mécaniquement à une amplitude de 3 N pour une fréquence de 5 Hz. La réponse des NGs a été mesurée pour une gamme de charge résistive de 100 à 100 000 kΩ grâce à l’utilisation d’une résistance variable. La Figure 4.23 présente les réponses en tension des trois dispositifs fabriqués aux valeurs de charge de 100 kΩ (Figure 4.23a) et 100 000 kΩ (Figure 4.23b). Concernant les dispositifs B et C (respectivement avec la sous-couche de ZnO et d’AZO), la valeur de charge résistive influence significativement l’amplitude de la tension de sortie. Pour le dispositif B, l’amplitude du pic positif passe de 15 mV pour 100 kΩ à 292 mV pour 100 000 kΩ et s’accompagne d’un changement de forme du signal. Ceci souligne l’influence de la valeur de charge résistive sur la réponse en tension du dispositif. En effet le dispositif B (avec la couche de ZnO) présente à 100 000 kΩ un signal de tension diminuant lentement au cours du temps, ceci est dû au fait que la valeur de 100 000 kΩ est bien

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supérieure à l’impédance interne de B (Figure 4.22a) et par conséquent le NG se trouve en condition de circuit-ouvert. Le dispositif C (avec la couche d’AZO), quant à lui, n’est pas dans cette condition de circuit-ouvert car son impédance interne est supérieure à 100 000 kΩ, donc sa réponse en tension décroît très rapidement après chaque pic. Par ailleurs, les NGs intégrant les sous-couches de ZnO et d’AZO manifestent clairement une réponse en tension, face à la sollicitation mécanique, typique des dispositifs piézoélectriques alors que le NG intégrant la couche d’Au ne suit pas ce comportement. En effet, lorsque la charge résistive varie, la réponse du dispositif A n’est pas influencée (avec des pics de réponse positifs et négatifs d’amplitude inférieures à 4 mV) ce qui confirme l’état court-circuité observé lors des mesures d’impédance. Le signal enregistré pour le dispositif A provient en fait du bruit de fond émis par les équipements de mesure.

Figure 4.23 - Réponse en tension des NGs basés sur Au, ZnO et AZO à des valeurs de résistance de a) 100 kΩ et b) 100 000 kΩ pour une force appliquée de 3 N à 5 Hz

En outre, les caractéristiques électriques associées aux NGs telles que VOC, ISC, Ppk et l’optimum de résistance de charge (Ropt), sont rassemblés dans le Tableau 4-6 et confirment les meilleures performances du NG intégrant le ZnO en comparaison de l’AZO (VOC de 272 mV et 36 mV respectivement).

Tableau 4-6. Performances électriques des NGs selon leur couche d'ensemencement.

Echantillon VOC (mV) ISC (nA) Ppk (nW) ROpt (kΩ)

A (Au) < 4 < 15 - -

B (ZnO) 272 ± 32 214 ± 23 17 ± 3 562

C (AZO) 36 157 3 177

Les courbes de puissance crête obtenues sont données Figure 4.24 et présentent un maximum de puissance pour une certaine valeur de charge résistive uniquement pour les dispositifs basés sur ZnO et AZO. Cela confirme la forme du signal classiquement obtenu dans le cas de NG piézoélectriques : une valeur de Ropt, correspondant au maximum de puissance, est observée autour de 177 kΩ pour l’échantillon C et autour de 562 kΩ pour B. Ceci ne correspond pas aux valeurs du module de Z présentées Figure 4.22a. Une explication pourrait provenir du fait que la force appliquée n’est pas sinusoïdale et que la contribution des harmoniques modifie la réponse du NG, comme cela a été démontré par Nadaud et al. [367]. De plus, la courbe de Ppk

associée au NG intégrant la sous-couche d’Au ne donne pas de valeur maximum et est localisée dans la zone de bruit de l’équipement de mesure. Cet état de court-circuit, à nouveau confirmé

b)

a)

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par ce graphique, pourrait s’expliquer par la faible densité et le manque d’alignement des NFs de ZnO, rapporté précédemment Tableau 4-5 et décrit à travers les images MEB de la Figure 4.21. En effet, ce manque d’uniformité dans la densité et la morphologie des NFs de ZnO n’assure pas une bonne planéité à l’interface entre les électrodes inférieure et supérieure du dispositif [212]. Le faible alignement des NFs de ZnO pourrait créer des complications vis-à-vis de l’uniformité du dépôt de parylène C. En effet, comme les NFs de ZnO sont assez conducteurs, de par leur dopage naturel de type-n, les zones où le recouvrement des NFs par le polymère isolant ne serait pas optimal, du fait du manque d’alignement, pourraient causer la création de connections internes entre les électrodes.

Figure 4.24 - Puissance crête générée par les NGs pour différentes sous-cous de croissance. Puissance mesurée pour une charge résistive allant de 100 à 100 000 kΩ

Concernant les films d’AZO menant à une meilleure morphologie et à une plus haute densité de NFs que sur les films de ZnO, le potentiel piézoélectrique résultant était attendu comme le meilleur des trois NGs. Par conséquent, le NG intégrant l’AZO aurait dû présenter les meilleures performances électriques. Ces performances, étonnamment plus faibles, peuvent être expliquées par différents facteurs. Une première hypothèse pourrait être une trop basse conductivité de la sous-couche d’AZO, de par sa trop grande épaisseur, ce qui pourrait l’empêcher d’agir comme une électrode fonctionnelle. L’AZO peut en effet présenter une résistance série trop grande par rapport à l’Au, entraînant un mauvais transfert électrique de charges et une augmentation des pertes électriques. Cependant, lors de la mesure des résistivités associées à l’AZO et à l’Au par effet Hall (Tableau 4-7), les valeurs trouvées étaient respectivement de 3,841×10-4 et 3,078×10-6 Ω.cm. Bien qu’un facteur 100 soit observable entre les deux valeurs de résistivité, l’AZO atteste d’une bonne capacité à servir d’électrode. Une seconde hypothèse expliquant les faibles performances associées au dispositif sur AZO pourrait provenir de la morphologie des NFs de ZnO. En effet, en comparant les valeurs de rapport d’aspect des NFs, défini par le ratio de la longueur sur le diamètre, les NFs synthétisés sur AZO témoignent de la plus petite valeur avec 3,4 comparé au rapport de 8 exprimé par les NFs issus de la couche de ZnO. Or, les études théoriques laissent supposer que les performances des NGs sont d’autant meilleures que le rapport d’aspect des NFs est élevé [368]. En outre, la densité élevée constatée sur les NFs obtenus sur AZO, peut mener à une augmentation de la rigidité du réseau de NFs, préjudiciable aux performances. Rappelons l’existence probable d’une densité optimale de NFs, maximisant la puissance convertie par le NG. Dans le cas de l’AZO, la densité de NFs obtenue est probablement au-delà de l’optimum.

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En conclusion, l’AZO démontre clairement de bonnes aptitudes au remplacement à la fois de l’électrode inférieure Ti/Au et de la couche d’ensemencement de ZnO. Cependant, afin de remplir le double objectif d’une couche d’ensemencement se comportant comme une électrode inférieure de qualité ainsi que propice à l’obtention de NFs de ZnO avec un bon rapport d’aspect et une densité optimale, des ajustements sont encore nécessaires.

Tableau 4-7. Mesures par Effet Hall des caractéristiques électriques associées aux différentes sous-couches

Echantillon Concentration de porteurs de charge (/cm3) Résistivité (Ωcm) Conductivité (1/Ωcm) Mobilité (cm²/Vs) Ti/Au -3,803∙1022 3,078∙10-6 3,249∙105 53,32 ZnO -4,390∙1019 7,338∙10-2 1,363∙101 1,938 AZO -8,471∙1020 3,841∙10-4 3,249∙105 9,766∙10-3

4.5.3 Adaptabilité des électrodes au substrat flexible

Les études menées sur les matériaux dans les chapitres précédents, ainsi que sur l’optimisation de la structure des NGs dans la première partie de ce chapitre, ont été pensées afin d’être adaptées à des dispositifs flexibles. Il était, en effet, nécessaire de cadrer certains paramètres tels que le plafond de température des étapes de fabrication ou bien le pH du milieu de synthèse, afin de ne pas dégrader les potentiels matériaux polymères utilisés comme supports flexibles. Il s’agit donc, dans cette partie, d’expérimenter des changements de matériaux dans les NGs flexibles, par rapport aux premières générations, et d’évaluer les performances des nouveaux NGs flexibles obtenus.