Soutenance de thèse de LOPEZ GARCIA Andres Jenaro

Avec le développement croissant de réseaux sans fil de capteurs de faible puissance pour ce que l’on appelle l’Internet des objets, il est nécessaire de trouver des moyens efficaces d’assurer l’autonomie énergétique des nœuds de détection. Parmi les différentes solutions de récupération d’énergie, la conversion en énergie électrique de l’abondante énergie mécanique présente dans l’environnement est très prometteuse. Dans ce domaine de recherche émergent, les nanofils (NFs) de ZnO ont été fortement étudiés au cours de ces deux dernières décennies, à la fois en tant que tels, et intégrés dans des nanocomposites. À l’échelle nanométrique, ils présentent des propriétés électromécaniques meilleures que le matériau massif, ainsi qu’une intégration facile sur des substrats rigides ou flexibles. Néanmoins, des divergences intrigantes entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques disponibles au début de cette thèse ont mis en évidence la nécessité d’une meilleure compréhension du fonctionnement piézoélectrique des composites à base de NF, en particulier pour ce qui concerne deux aspects importants qui avaient été peu traités jusqu’alors: le couplage entre les propriétés piézoélectriques et semi-conductrices dans les simulations numériques et la dépendance des propriétés électromécaniques avec la méthode de croissance des NFs de ZnO ou avec l’influence de l’environnement des NFs dans les expériences.
Du point de vue théorique, cette thèse de doctorat étudie le couplage des propriétés piézoélectriques et semi-conductrices des NFs de ZnO et de leur nanocomposites et fournit des lignes directrices d’optimisation pour les applications de transduction électromécanique. Cette étude prend en compte l’influence du niveau de dopage, de la densité de porteurs libres, des pièges d’interface et des paramètres géométriques sur les paramètres électromécaniques. Des simulations numériques de nanocomposites à base de NF de ZnO sous compression mécanique ont été effectuées à l’aide de la méthode des éléments finis (FEM). Expérimentalement, plusieurs modes de microscopie à force atomique (AFM), tels que la microscopie à force piézoélectrique (PFM), la microscopie à force de sonde Kelvin (KPFM) et la microscopie à force atomique conductrice (C-AFM) ont été utilisés, afin de sonder localement les paramètres électriques et électromécaniques qui jouent un rôle clé dans l’efficacité de la réponse piézoélectrique des NFs de ZnO. Nos résultats ont montré que le niveau de dopage, les porteurs libres et les pièges d'interface, ainsi que la dynamique des pièges, doivent être pris en compte pour expliquer l’amplitude et l’asymétrie potentielle de la réponse électromécanique ou l’influence que la géométrie a sur elle. Ils montrent que les propriétés semi-conductrices doivent être prises en compte pour l’analyse des résultats expérimentaux et la conception correcte de dispositifs électromécaniques autonomes basés sur des NFs de ZnO et leurs nanocomposites.