Les nanofils piézoélectriques sont considérés comme des nanomatériaux prometteurs pour le développement de générateurs piézoélectriques efficaces. Établir la relation existante entre leurs caractéristiques et leurs propriétés de piézo-conversion est aujourd'hui essentiel pour améliorer les dispositifs. Cependant, en raison de leurs dimensions nanométriques, les nanofils sont caractérisés par de nouvelles propriétés qui sont difficiles à étudier. Dans cet article, nous utilisons un outil de nano-caractérisation dérivé du microscope à force atomique pour quantifier les propriétés de piézo-conversion des nanofils qui sont comprimés axialement sous l’effet d’une force parfaitement contrôlée. Cette technique, unique, permet d'établir la relation directe entre la réponse électrique générée par les nanofils et leur rigidité, et ainsi de quantifier le coefficient de couplage électromécanique des nanofils de GaN, qui peut atteindre jusqu'à 43,4 %. Nous établissons que ce coefficient est affecté par la formation du nano-contact Schottky au travers duquel est récoltée l'énergie piézo-générée, et est extrêmement sensible à l’expression des charges de surface qui sont fortement prononcées dans les nanofils de GaN présentant des diamètres inférieurs à 100 nm. Ces résultats constituent une avancée pour améliorer les performances des dispositifs piézo-générateurs intégrant des nanofils.
Le nombre d’objets connectés (IoTs) tels que les micro-dispositifs (micro-capteurs, petite électronique nomade, implants médicaux…) est en constante augmentation. Ils trouvent leur utilité aussi bien dans notre vie quotidienne que dans les applications de haute technologie. Pour faire face à leurs besoins énergétiques croissants, mais aussi pour améliorer leurs conditions d'utilisation, en particulier pour ceux évoluant dans un environnement sans infrastructure électrique ou avec une infrastructure restreinte, la question de leur autonomie énergétique est aujourd'hui un enjeu mondial majeur aux fortes retombées économiques et environnementales.
Avec la miniaturisation des systèmes et donc la réduction de leur consommation énergétique (quelques mW, voire µW), mais également grâce aux avancées technologiques en micro-nano-fabrication, de nouvelles perspectives s’ouvrent pour développer des systèmes d’alimentation autonomes basés sur la récupération des énergies renouvelables.
Les nanofils piézoélectrique de GaN présentent des avantages indéniables pour la réalisation de générateurs piézoélectriques capables de convertir efficacement des déformations mécaniques ou des vibrations environnantes en une énergie électrique directement utilisable. Du fait de leurs dimensions nanométriques, de leur grand rapport surface sur volume et de leur grande qualité cristalline, les nanofils sont caractérisés, par rapport au même matériau sous forme massive ou de films 2D, par : 1) un plus large degré de déformation élastique, une plus grande robustesse et résistance à la fracture; 2) un plus grand degré de flexibilité; 3) une exaltation de leurs propriétés piézoélectriques; et 4) l’apparition de « nouvelles » propriétés, inexistantes ou non significatives aux échelles micrométriques, pouvant conduire à une forte modulation de leurs caractéristiques. Cependant, en raison de leurs dimensions nanométriques, il est difficile de caractériser ces propriétés et donc de les comprendre et de les exploiter pour accroitre les performances des dispositifs les intégrant.
Grâce au développement d’un nouveau mode de caractérisation AFM électrique et à son adaptation pour les mesures de piézo-conversion par des collègues du pôle Matériaux du GeePs, nous pouvons réaliser des mesures de piézo-conversion sur nanofils uniques sous l’application d’une compression purement axiale avec une force très bien contrôlée. Cette approche, nouvelle, permet de déformer axialement les nanofils et ainsi d’établir une corrélation directe entre leur réponse piézoélectrique et leurs dimensions. Elle permet également de retracer la déformation des nanofils lorsqu’ils sont intégrés dans les dispositifs.
Nous avons ainsi pu établir expérimentalement le lien existant entre la déformation des nanofils et leur propriété de piézo-conversion. Mais surtout, nous avons démontré que cette déformation ne contrôle pas à elle seule l’efficacité de conversion. Deux autres phénomènes, souvent non considérés, entrent en jeu lorsque nous travaillons avec des nanofils de diamètres inférieurs à 100 nm, à savoir : 1) l’établissement de nano-contacts Schottky permettant d’accroitre l’efficacité de récupération des énergies piézo-générées; et 2) la forte influence des effets de charges de surface qui peuvent, dans des conditions spécifiques, accroitre considérablement l’efficacité de conversion électromécanique des nanofils GaN.
Reference
Electromechanical conversion efficiency of GaN NWs: critical influence of the NW stiffness, the Schottky nano-contact and the surface charge effects
Noelle Gogneau1*, Pascal Chrétien2, Tanbir Sodhi1,2, Laurent Couraud1, Laetitia Leroy1, Laurent Travers1, Jean-Christophe Harmand1, François H. Julien1, Maria Tchernychevaa1, and Frédéric Houzéb2
Nanoscale, 2022, 14, 4965
DOI : 10.1039/d1nr07863a
Affiliations
1 Centre de Nanosciences et Nanotechnologies, Université Paris-Saclay, CNRS, UMR9001, Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau, France
2 Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, Sorbonne Université, CNRS, Laboratoire de Génie électrique et électronique de Paris, 11 rue Joliot-Curie, 91190 Gif sur Yvette, France
Figure : Nanofils de GaN pour une conversion électromécanique efficace
