Nanofils piezo-électriques pour la conversion d’énergie

Le contexte de cette étude concerne le développement de composites matrice / polymère ZnO NW résistifs, unipolaires et ordonnés en capteurs souples efficaces pouvant être utilisés comme capteurs de pression sanguine, de capteurs de débit sanguin, de capteurs de fréquence cardiaque ou de capteurs de retour de force. Les nanofils de ZnO présentent un fort potentiel pour la fabrication de capteurs de pression flexibles en raison de leur faible coût, de leur constante piézoélectrique élevée, de leur facilité d’intégration sur un substrat flexible en plus de leur biocompatibilité. L’exploitation des différents types de couplage piézo-électrique (PZ) dans ces composites nanofils/ polymère permet de développer des capteurs de débit en mode cisaillement [Fig. 1 (a)] ou de pression en mode de compression [Fig. 1(b)]. En outre, la flexibilité des capteurs permet de les adapter aux milieux fluides et aux tissus biologiques plus facilement que pour les matériaux PZ en couche fine. Cette thématique fait appel et s’appuie sur le développement mis en œuvre pour l’axe « Mesures à l’échelle nanométrique de profil de porteurs libres dans des nanostructures 2D et 1D d’oxyde de zinc (ZnO) par les modes électriques SCM et SSRM en microscopie à force atomique à pointe conductrice » de notre équipe.
L’un des problèmes majeurs du ZnO est sa concentration élevée en défauts ponctuels intrinsèques tels que les lacunes d’oxygène et les interstitiels de zinc, et l’hydrogène interstitiel, agissant principalement en tant que centres donneurs qui conditionnent l’efficacité piézoélectrique de ce matériau. Dans le cadre de cette recherche, plusieurs solutions sont étudiées comme jouer sur les conditions de croissance pour réduire le dopage résiduel ou le compenser par un dopage avec des accepteurs superficiel (Cu, Sb, …), ou/et contrôler la polarité des réseaux de nanofils en raison de l’antagonisme entre les polarités des surfaces O et Zn.
En collaboration avec le LMGP (Grenoble), l’INeel (CNRS Grenoble) et le LGEF (INSA Lyon), nous portons notre effort sur l’étude des conditions de croissance sur le profil de dopage des nanofils mesurés par les modes AFM électriques (SCM, SSRM, SMM). Nous pouvons alors comparer directement, grâce à l’utilisation du mode de microscopie à force piézoélectrique (PFM) (équipe DE), l’influence du dopage (résiduel ou compensé) sur les propriétés PZ des nanofils et donc prévoir les caractéristiques PZ du capteur final. Cette étude se réalise dans le cadre du projet ANR ROLLER piloté par le LGEF.

Figure 1: Schéma d’un capteur flexible à base de nanofils de ZnO et de polymère; a) mode cisaillement, b) mode compressif.

Figure 2 : Métrologie des dopants dans ZnO sur différents mode électriques AFM : SCM, SSRM, SMM.

Figure 3 : Comparaison piezorésponse (en signal de PFM) avec le dopage (signal de SSRM).

Contact : Georges Bremond

Participants : S. Brottet, D. Albertini, B. Gautier, A. Syngaevsky

Projet contractuel : ANR-17- CE09 – 0033 – Stimuler le renouveau industriel/ROLLER

Publications :

1. L. Wang, C. Sartel, S. Hassani, V. Sallet, G. Bremond, Resolving ZnO-based coaxial core-multishell heterostructure by electrical scanning probe microscopy, Applied Physics Letters, 2018, 113, 222103, 10.1063/1.5054685

2. L. Wang, S. Guillemin, J.-M. Chauveau, V. Sallet, F. Jomard, R. Brenier, V. Consonni, G. Bremond, Characterization of carrier concentration in ZnO nanowires by scanning capacitance microscopy, Physica Status Solidi C, 2016 13 576-580

3. L. Wang, V. Sallet, C. Sartel, G. Bremond, Cross-section imaging and p-type doping assessment of ZnO/ZnO:Sb core-shell nanowires by scanning capacitance microscopy and scanning spreading resistance microscopy, Applied Physics Letters 2016, 109, 092101 10.1063/1.4962046

4. L. Wang, J.-M. Chauveau, R. Brenier, V. Sallet, F. Jomard, C. Sartel, G. Bremond, Access to residual carrier concentration in ZnO nanowires by calibrated scanning spreading resistance microscopy, Applied Physics Letters 2016, 108, 132103 10.1063/1.4945100

5. L. Wang, J. Laurent, J. Chauveau, V. Sallet, F. Jomard, G. Bremond, Nanoscale calibration of n-type ZnO staircase structures by scanning capacitance microscopy Appl. Phys. Lett. 2015 107 (19), Article Number: 192101