Films Piézoélectriques Améliorés en ZnO déposés par ALD Spatiale en Air Libre

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 mise en œuvre, ainsi que de son caractère respectueux de l’environnement. Le comportement piézoélectrique du ZnO est étroitement lié à son orientation cristalline, notamment 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 polycristallins de ZnO, 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 le ZnO ou l’Al₂O₃), qui sont des options coûteuses, ou bien de couches tampons supplémentaires, ce qui complique le procédé de dépôt.

Cette recherche 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 en air libre. Dans ces études, les conditions de croissance ont été optimisées pour obtenir des films de ZnO auto-texturés en utilisant un système personnalisé de dépôt par couches atomiques spatiales à pression atmosphérique (AP-SALD). À travers des méthodologies systématiques, les effets de divers paramètres de dépôt sur la texture des films et leurs propriétés piézoélectriques ont été examinés. En conséquence, des films de ZnO de haute qualité, avec une amplitude piézoélectrique et une polarité de domaine considérablement améliorées, ont été produits avec succès. De plus, les résultats ont montré que l’alignement structural ne suffit pas à lui seul pour expliquer les propriétés piézoélectriques améliorées. Par conséquent, des techniques supplémentaires de caractérisation des matériaux ainsi que d’autres approches expérimentales (telles que le dopage des films de ZnO ou l’utilisation d’agents structurants pour guider la croissance des films) ont été explorées afin de mieux comprendre les relations complexes en jeu et d’améliorer 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 air libre, simple et rentable, 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 l’utilisation des films piézoélectriques en ZnO dans les domaines de l’électronique à grande échelle, des technologies portables, des matériaux intelligents flexibles, ainsi que des surfaces intégrées variées.