Dépôt de films minces texturés de ZnO pour des propriétés piézoélectriques améliorées

Mots clés  : 
Couches minces, ZnO, dépôt, nanoscience, piézoélectriques,

Résumé :
L’oxyde de zinc (ZnO) est un matériau prometteur pour les capteurs et actionneurs piézoélectriques en raison de son abondance, de son faible coût, de sa facilité de traitement et de son respect de l’environnement. Le comportement piézoélectrique du ZnO est étroitement lié à son orientation cristalline, en particulier le long de l'axe c de sa structure wurtzite, où se produit la polarisation induite par la contrainte la plus intense. Dans les films de ZnO polycristallins, l’alignement des grains individuels (texturation structurale) dans cette direction est essentiel pour améliorer leurs performances piézoélectriques. En général, la texturation implique l’utilisation de substrats monocristallins (tels que ZnO ou Al₂O₃), qui sont des options coûteuses, ou de couches tampons supplémentaires, qui complexifient le processus de dépôt.
Ce travail de thèse explore le potentiel d’amélioration des performances piézoélectriques des films minces de ZnO déposés sans relation épitaxiale, à des températures relativement basses (inférieures à 250 °C) et dans des conditions ambiantes. Au cours de ces études, les conditions de croissance ont été optimisées afin de déposer des films de ZnO auto-texturés à l’aide d’un système de dépôt en couche atomique spatialisé à pression atmosphérique (AP-SALD) conçu sur mesure. Par des méthodologies systématiques, les effets de divers paramètres de dépôt sur la texture des films et leurs propriétés piézoélectriques ont été examinés. Il en résulte des films de ZnO de haute qualité présentant une amplitude piézoélectrique et une polarité des domaines considérablement améliorées. De plus, les résultats ont montré que l’alignement structural à lui seul ne permet pas d’expliquer pleinement ces améliorations. Par conséquent, des techniques de caractérisation supplémentaires ainsi que d’autres approches expérimentales (telles que le dopage des films de ZnO ou l’utilisation d’agents de structuration pour orienter la croissance des films) ont été explorées afin de mieux comprendre les relations complexes impliquées et d’optimiser davantage les performances des films.
Cette étude constitue la première utilisation rapportée de la méthode AP-SALD pour le dépôt de films piézoélectriques. Elle démontre que l’AP-SALD est une technique efficace et pratique pour contrôler avec précision à la fois les propriétés structurales et fonctionnelles des films minces de ZnO. En tant que méthode en conditions ambiantes, simple et peu coûteuse, notre étude montre un fort potentiel pour une mise en œuvre dans des procédés de production continue tels que le roll-to-roll (R2R). Ces avancées pourraient considérablement élargir les applications des films piézoélectriques de ZnO dans l’électronique à grande échelle, les technologies portables, les matériaux intelligents flexibles et diverses surfaces intégrées. 


Membres du jury :

• David MUNOZ-ROJAS, DIRECTEUR DE RECHERCHE - CNRS délégation Alpes : Directeur de thèse
• Marceline BONVALOT, MAITRESSE DE CONFERENCES - Université Grenoble Alpes : Examinateur
• Adrian CARRETERO GENEVRIER, DIRECTEUR DE RECHERCHE - CNRS délégation Occitanie Est : Rapporteur
• Lionel SANTINACCI, DIRECTEUR DE RECHERCHE - CNRS délégation Provence et Corse : Examinateur
• Maarit KARPPINEN,  PROFESSEUR - Aalto Yliopisto : Rapporteur
• Robert L.Z. HOYE, MAITRE DE CONFERENCES - Université d' Oxford : Examinateur