Quel Désign pour un piézogénérateur efficace ?

De nombreuses études ont été menées ces dernières années sur l’intégration de nanofils piézoélectriques en tant que matériau actif au sein de microdispositifs piézogénérateurs. Ces études ont abouti à différents designs, où les nanofils peuvent être alignés verticalement ou horizontalement et sollicités en flexion ou en tension (cf. Chapitre I). Elles ont également révélé que le choix du désign est un paramètre primordial pour l’efficacité du piézogénérateur.

Deux types de piézogénérateurs sont considérés dans la littérature : les piézogénérateurs capacitifs, où au moins une électrode est déposée sur une couche de matériau isolant (cf. I.3.4), et les piézogénérateurs dans lesquels les énergies générées sont récoltées via un contact Schottky. C’est ce dernier type de dispositif que nous avons considéré tout au long de la thèse, nous permettant de faire un parallèle entre les mesures de piézoconversion sous pointe AFM et les mesures des dispositifs intégrant les ensembles de nanofils.

Le désign d’un piézogénérateur à base de nanofils doit tenir compte de plusieurs paramètres dont les plus importants sont : le type de sollicitation mécanique des nanostructures (déformation latérale, compression, extension…), les mécanismes de piézogénération mis en jeu dans les nanostructures, la position des contacts électriques, la transmission de la déformation du microdispositif aux nanofils… Ces paramètres sont à choisir en accord avec les propriétés intrinsèques de nos nanostructures dans le but de désigner un piézogénérateur optimisé et technologiquement réalisable.

V.1.1 Configuration du piézogénérateur

Falconi et al. [143] ont étudié, par le biais de simulations, différentes configurations de piézogénérateurs en changeant la localisation des contacts métalliques et le type de sollicitation. Ils ont considéré un nanofil de ZnO de section carré de 50 nm de côté et de 600 nm de haut. Notons que dans ces études, la polarité de la structure wurtzite du ZnO ainsi que la conductivité des nanostructures sont ignorées. Le but de Falconi et al. est de comparer l’impact des différentes configurations plutôt que de faire une étude quantitative du piézopotentiel établi dans les nanostructures. La force qui déforme le nanofil est de même intensité pour toutes les simulations.

Plusieurs des configurations étudiées sont présentées en figure 1. Notons que les configurations simulant un nanofil sollicité latéralement et connecté par un couple d’électrodes métalliques, une couvrant toute sa base et l’autre tout son sommet, ne sont pas présentées ici. Dans ces configurations, les simulations mettent en évidence qu’un tel couple de contacts induit une neutralisation du piézopotentiel aux interfaces du nanofil avec les électrodes, conduisant alors à une tension nulle entre ces dernières. Ces simulations sont cohérentes avec les observations de Wang et al., qui a démontré expérimentalement que lorsque les sommets des nanofils d’un nanogénérateur sont coiffés par une goutte d’or, aucune tension n’est mesurée [2]. Ce phénomène s’explique par une neutralisation du piézopotentiel par les charges du circuit extérieur au fur et à mesure de la déformation de la nanostructure.

Les simulations de Falconi et al. montrent que les configurations qui offrent le maximum de différence de potentiel entre les deux contacts métalliques (Voutput), entre 4 et 6 V, sont celles qui impliquent un nanofil sollicité latéralement et deux contacts métalliques, placés de part et d’autre du nanofil [Figure 1, a)-d)]. Toutefois, dans la pratique, il est technologiquement difficile de réaliser des électrodes contactant un seul bord des nanofils à la fois. Le premier prototype de piézogénérateurs à base de nanofils de ZnO, réalisé par Le groupe du professeur Wang, a tenté d’émuler le procédé du nanogénérateur (cf. I.3.4 et III.1). Dans ce prototype, la pointe AFM a été remplacée par une

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électrode dentelée revêtue de platine. Cependant, les faibles puissances de sortie mesurée, typiquement de l’ordre de 2,5 nW.cm^-2 [6], montrent la difficulté d’utiliser une telle configuration. En effet, bien que la sollicitation latérale des nanofils maximise leur piézopotentiel, contacter un ensemble de nanofils de dimensions nanométrique par un seul de leur bord tout en leur appliquant une déformation latérale est difficilement réalisable. Finalement, dans le dispositif décrit précédemment, seule une faible proportion des nanostructures participent à la piézogénération, ce qui induit une performance suboptimale du piézogénérateur.

Figure 1 : Figure modifiée issue de [143]. Simulation d'un nanofil de ZnO de section carré de 50 nm de côté et 600 nm de haut, déformés par une même force avec différentes configurations d’électrode et de sollicitation mécanique : a)-d) Déformation latérale et électrodes réparties au sommet et de part et d’autre de la base du nanofil ; e) Nanofil sollicité en

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Falconi a également simulé le cas où le nanofil de ZnO est sollicité en extension [Figure 1(e)] ou en compression [Figure 1(f)] avec des contacts métalliques qui englobent sa base et son sommet. Les simulations montrent que ces deux cas de figure présentent des tensions du même ordre de grandeur, respectivement environ 3,7 V et -2,5 V. Contrairement aux configurations précédentes, celles-ci ont l’avantage d’être plus facilement réalisables, d’un point de vue technologique, pour la fabrication de microdispositifs piézogénérateurs. Ce sont les configurations que nous avons considérées.

Au regard des résultats présentés dans les chapitres III et IV, nous avons choisi de réaliser nos piézogénérateurs en y intégrant un réseau de nanofils de GaN intrinsèquement dopé-p et de polarité azote. De telles nanostructures déformées axialement présentent un piézopotentiel positif ou négatif à leurs sommets si elles sont sollicitées respectivement en compression ou en extension [Figure 2].

Figure 2 : Nanofil de GaN de polarité N, a) en extension, b) en compression

Comme nous l’avons décrit précédemment, la récupération de l’énergie électrique accumulée dans les nanostructures nécessite l’établissement de 2 contacts métalliques : Un contact ohmique et un contact Schottky, ce dernier nécessitant d’être polarisé en direct lors de l’établissement du piézopotentiel pour permettre le passage des charges électriques à son interface. Le contact à la base des nanofils, c’est-à-dire entre les nanofils, la couche tampon et le substrat, est considéré comme ohmique. Ainsi, un paramètre de la configuration de notre piézogénérateur est fixé par la croissance. Pour s’affranchir de ce contact imposé, il est nécessaire d’arracher du substrat le réseau des nanofils et de le reporter sur un autre substrat. Cette étape de « peeling » est actuellement en cours de développement. Le deuxième contact, formé au sommet des nanofils, est de type Schottky. Du fait du dopage intrinsèque de type-p des nanostructures, la diode Schottky est polarisée en direct lorsque le semi-conducteur est polarisé positivement. Ainsi, dans une configuration intégrant des nanofils de GaN verticaux dopés de type-p et caractérisés par une polarité N, seule leur mise en compression permet l’établissement d’un piézopotentiel positif à leur sommet, et ainsi la récupération de leur énergie électrique au travers de la diode Schottky.

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V.1.2 Sollicitation mécanique des nanofils

Afin de maximiser l’efficacité du dispositif, il est important que la contrainte de compression se fasse sur l’ensemble du réseau de nanofils. D’autre part, la qualité du contact métallique Schottky au sommet des nanofils est un paramètre important et il n’est technologiquement pas trivial de déposer des dépôts métalliques conformes de bonne qualité sur de tels objets. Pour y parvenir, nous allons encapsuler ces derniers dans une résine permettant de transmettre la contrainte, et donc présentant une bonne adhésion avec leurs facettes. Elle permet également de protéger les nanofils d’éventuelles contaminations et d’améliorer la robustesse du dispositif. De plus, cette résine doit permettre le dépôt des métaux, être gravée sélectivement et résister au HCl concentré qu’on utilise pour graver l’oxyde de Ga interfacial des nanofils. Pour répondre à ces critères, nous avons choisi d’utiliser une résine HSQ (hydrogen silsesquioxane) FOx25 de Dow Corning Co, qui peut être déposée par spin-coating. Cette résine, une fois recuite, présente une structure proche de la silice, constituée d’un réseau de chaines H-Si-O2 attachées entre elles par des liaisons covalentes [144], mais doté d’une plus grande élasticité avec un module de Young de 3,1 GPa [132 et 133]

La mise en compression du réseau de nanofil sera assurée par leur matrice de résine. Afin d’appliquer une contrainte homogène à l’ensemble du réseau, la compression des nanofils est induite par la flexion du dispositif. Lorsque le dispositif est déformé en flexion, comme présenté en figure 3, la couche de résine HSQ en tension s’allonge, et par conservation du volume, elle s’amincit et induit alors la compression des nanofils. Les contacts Schottky sont déposés sur le sommet des nanofils, qui dépassent de la résine gravée sélectivement, sous la forme d’un réseau de motifs ronds de 2 mm de largeur. Le métal qui forme ce contact Schottky est du Pt, qui a présenté des performances intéressantes à l’échelle du nanogénérateur.

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