Synthèse chimique et intégration de nanofils de ZnO pour le développement de nanogénérateurs piézoélectriques

Les nanogénérateurs piézoélectriques suscitent un intérêt particulier pour l’alimentation de microsystèmes de faibles puissances en raison de leur forte capacité de miniaturisation et de leur autonomie importante. Le développement de dispositifs efficaces à partir de matériaux abondants et non toxiques et au travers de procédés bas coûts constitue toutefois un prérequis nécessaire à leur déploiement à grande échelle, et reste à l’heure actuelle un défi technologique majeur. Dans ce contexte, l’utilisation de réseaux de nanofils de ZnO élaborés par dépôt en bain chimique dans des architectures intégrées verticalement est extrêmement prometteur. Afin d’obtenir des nanogénérateurs piézoélectriques efficaces, un contrôle précis des propriétés morphologiques et électriques de ces nanofils est nécessaire, tandis que l’utilisation de couches d’amorce métalliques est privilégiée pour la nucléation des nanofils de ZnO. Ainsi, l’objectif principal de cette thèse est de répondre à ces problématiques en adoptant plusieurs stratégies complémentaires.Tout d’abord, un effort particulier a été réalisé pour élucider les mécanismes de nucléation des nanofils à partir de couches d’amorce en or. Deux populations de nanofils aux orientations propres ont notamment été identifiées, chacune mettant en évidence un mécanisme de nucléation distinct. L’influence de la microstructure de la couche d’amorce en or et des propriétés du bain chimique sur la morphologie des nanofils de ZnO a de plus été examinée en détail. Un modèle théorique décrivant de manière prédictive l’allongement des nanofils de ZnO en conditions dynamiques a ensuite été établi à partir des lois de Fick, où deux cas de figures ont été envisagés suivant si le réacteur de croissance est considéré de hauteur semi-infinie ou finie. En comparant ce modèle à des données expérimentales, une énergie d’activation pour la cristallisation du ZnO de 198 ± 24 kJ/mol a été déduite, montrant le fort intérêt de ce modèle à la fois en recherches fondamentale et appliquée. Le cuivre a ensuite été considéré comme élément dopant afin d’augmenter la résistivité électrique des nanofils de ZnO par dopage compensatoire. Pour cela, les effets de l’ajout de Cu(NO3)2 lors de la croissance des nanofils de ZnO ont été étudiés en fonction du pH du bain chimique. Des mécanismes complexes d’incorporation du cuivre au sein du ZnO ont été révélés, pouvant être expliqués au-delà des simples considérations des forces électrostatiques. Enfin, l’intégration de ces réseaux de nanofils de ZnO dans des nanogénérateurs piézoélectriques a été envisagée. Pour cela, une approche analytique a été développée afin d’estimer le potentiel électrique généré par un nanofil en compression. La possibilité de renforcer le contrôle morphologique des nanofils de ZnO par la réalisation de croissances localisées assistées par des techniques de lithographie avancées a de plus été évaluée. Finalement, des nanogénérateurs piézoélectriques fonctionnels ont pu être élaborés et caractérisés à travers l’optimisation du procédé de fabrication et le montage d’un banc de mesure piézoélectrique complet.