Search

International audience; Les préoccupations liées à la récupération et à la conservation de l’énergie pour aider au développement de réseaux microélectroniques autonomes sont aujourd’hui au coeur des problématiques de recherche. Le développement des techniques de récupération d’énergie basées sur la thermoélectricité, le solaire ou l’éolien, cherchant à répondre aux enjeux énergétiques actuels, font cependant face à de nombreuses limitations, notamment la disponibilité intermittente de la source d’énergie. Par ailleurs, depuis plusieurs années, le développement de récupérateurs d’énergie mécanique attire l’attention des chercheurs du fait de la disponibilité de cette énergie dans l’environnement humain ou industriel. Ainsi, différents systèmes ont vu le jour en s’appuyant notamment sur les principes de triboélectricité [1] et de piézoélectricité [2]. Dans ce contexte, les nanogénérateurs (NGs) piézoélectriques [3], développés à partir d’une matrice composite de nanofils (NFs) de ZnO et de parylène, présentent aujourd’hui un grand potentiel pour la récupération d’énergie. La structure 1D des NFs de ZnO, matériau piézoélectrique, permet un accroissement de la sensibilité aux faibles sollicitations mécaniques [4] et laisse présager des performances électriques intéressantes lorsque intégrés dans les dispositifs de récupération d’énergie. Les caractéristiques prometteuses de ce matériau, alliées à sa non toxicité pour l’environnement ainsi qu’à la facilité des étapes de fabrication du NG, font de ce système un candidat idéal à l’industrialisation de ce type de générateur piézoélectrique.Nous présentons dans ce poster le développement et les performances associées à l’intégration des NFs de ZnO synthétisés par croissance hydrothermale [5] et encapsulés dans du parylène pour la fabrication de NGs piézoélectriques. Cette étude vise à la fois à l’amélioration des performances des NGs et à l’optimisation de leur design pour différentes applications.Références[1] Y. Yang, G. Zhu, H. Zhang, J. Chen, X. Zhong, ZH. Lin, Y. Su, P. Bai, X. Wen, et Z.L. Wang (2013) « Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Wind Energy and as Self Powered Wind Vector Sensor System », ASC Nano, 7 (10), pp. 9461-9468.[2] Z.L. Wang, X. Wang, J. Song, J. Liu, et Y. Gao, (2008), « Piezoelectric nanogenerators for sel-powered nanodevices », IEE, 7(1), pp. 49-55.[3] Z. L. Wang, J. Song (2016) « Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays », Science, 312 (5771), pp. 242-246.[4] Z.L. Wang (2008) « Towards self-powered nanosystems: From nanogenerators to nanopiezotronics », Advanced Functional Materials, 18, pp.3553–3567.[5] S. Boubenia, A.S. Dahiya, G. Poulin-Vittrant, F. Morini, K. Nadaud, D. Alquier (2017) « A facile hydrothermal approach for the density tunable growth of ZnO nanowires and their electrical characterizations », Scientific Reports, 7, pp. 1-10.

International audience; La récupération d’énergie mécanique grâce aux NanoGénérateurs PiézoElectriques (PENGs) suscite depuis 2006 [1] un intérêt croissant pour le développement de microsystèmes autonomes. Les PENGs sont des composites intégrant des nanofils piézoélectriques, le plus souvent en oxyde de zinc ZnO ou en nitrure de gallium GaN (qui sont tous deux également semi-conducteurs), enrobés d’une matrice généralement constituée d’un matériau diélectrique souple. L'optimisation du matériau piézoélectrique nanostructuré, notamment sa morphologie (diamètre et longueur, celle-ci étant généralement de l’ordre du µm), sa densité (nombre de nanofils par unité de surface) et sa qualité (défauts structurels pouvant entraîner un dopage semiconducteur intrinsèque), est cruciale pour l'amélioration des performances des dispositifs PENGs. En effet, il a été démontré que le potentiel électrique et l'efficacité des dispositifs PENGs dépendent fortement de la morphologie du nanofil, qui affecte à la fois ses propriétés électriques et mécaniques [1], et dépendent également de la densité des nanofils [2]. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur l’élaboration de nanofils de ZnO de dimensions contrôlées en utilisant la technique hydrothermale. La morphologie des nanofils a été contrôlée en agissant sur la sous couche de ZnO. Nous avons montré, en effectuant la synthèse de nanofils sur des sous couches de ZnO de différentes épaisseurs, que l’épaisseur de la sous couche influence nettement les propriétés des nanofils obtenus, de même qu’un traitement thermique effectué sur la sous couche avant la croissance des nanofils (Figure 1). Les propriétés structurales et morphologiques des nanofils obtenus avec ces différentes conditions de synthèse ont été étudiées par diffraction des rayons X et microscopie électronique à balayage (MEB). Finalement, pour chaque type de sous couche expérimentée, des dispositifs PENGs, constitués de ZnO (sous couche)/ZnO (nanofils)/Parylène, ont été fabriqués et caractérisés. Cela nous a permis de mieux comprendre les mécanismes électriques impliqués dans ce type de dispositif, ouvrant de nombreuses possibilités pour améliorer leurs performances.Références[1] Z. L. Wang, J. Song, « Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays », Science 2006, 312, 242-246. [2] A. Rinaldi, R. Araneo, S. Celozzi, M. Pea et A. Notargiacomo, « The clash of mechanical and electrical size-effects in ZnO nanowires and a double power law approach to elastic strain engineering of piezoelectric and piezotronic devices », Adv. Mater., 2014, 5976–5985.[3] R. Tao, M. Parmar, G. Ardila, P. Oliveira et D. Marques, « Performance of ZnO based piezo-generators under controlled compression », Semicond. Sci. Technol.,2017, 32, 64003.

These PhD research tries to meet a need for a reliable and a sustainable hydrogen concentration monitoring in a radioactive environment. In this work, we propose the study and development of resonant silicon microcantilever-based physical hydrogen sensors. The special feature of this sensor is that it does not contain any sensitive and consequently the reliability is improved, compared to devices with sensitive coating. In view of the low density of hydrogen compared to that of air, and the good sensitivity of a resonant microcantilever to the physical properties of the surrounding gas (density and viscosity), the use of vibrating uncoated microcantilever for monitoring hydrogen concentration in air is therefore possible. The objective of this research is to improve the sensitivity and the limit of detection of such sensors. First of all, a study of methods for monitoring small changes in resonant frequency has been conducted in order to determine the method having the best signal to noise ratio, thus, allowing improvement of its resolution in terms of resonant frequency variation measurement. In a second part, a study of the influence of microcantilever geometries and dimensions on their sensitivity to the gas density variation has been performed. As a result, geometrical and dimensional criteria for optimizing the sensitivity to the gas density have been identified. Other factors in a view of improving performance (sensitivity and detection limit) of vibrating microbeams have been studied, such as the influence of the actuating current and bias voltages (electromagnetic actuation and piezoresistive detection) and using high resonant modes. Furthermore, the study of the influence of environmental parameters (temperature and pressure) on the sensors behavior has been established., Ces travaux de thèse tentent de répondre à un besoin de surveillance fiable et durable de la concentration d’hydrogène dans un environnement radioactif. Dans ces travaux, nous proposons l’étude et le développement d’un capteur physique d’hydrogène à base de micropoutres résonantes en silicium. La particularité de ce type de capteur vient du fait qu’il ne contient pas de couche sensible et est donc moins sujet au vieillissement que les capteurs chimiques à base de couche sensibles. Compte tenu de la faible masse volumique de l’hydrogène par rapport à celle de l’air et de la bonne sensibilité des micropoutres résonantes aux propriétés physiques du gaz environnant (masse volumique et viscosité), l’utilisation de micropoutres résonantes pour le suivi de la concentration de l’hydrogène dans l’air est tout à fait possible. L’objectif de ces travaux de recherche est l’amélioration de la sensibilité et de la limite de détection de ce type de capteur. Tout d’abord, une étude des méthodes de suivi de faibles variations de la fréquence de résonance a été effectuée. Ceci a permis de déterminer la méthode ayant le meilleur rapport signal sur bruit, permettant ainsi d’améliorer la limite de détection en termes de variation de fréquence de résonance. Dans une seconde partie, une étude de l’influence de la géométrie et des dimensions sur la sensibilité vis-à-vis des variations de la masse volumique du gaz environnant a été réalisée. A l’issu de cette étude, des critères géométriques et dimensionnels permettant l’optimisation de la sensibilité ont été dégagés. D’autres aspects visant à améliorer les performances (sensibilité et limite de détection) de ces capteurs ont été étudiés, comme l’influence du courant d’actionnement et des tensions de polarisation (actionnement électromagnétique et détection piézorésistive) et l’utilisation des modes supérieurs de résonance. Par ailleurs, l’étude de l’influence des paramètres environnementaux (température et pression) sur le comportement des micropoutres résonantes a été établie.