Modélisation numérique et analyse expérimentale de dispositifs piézoélectriques à base de nanofils d'oxyde de zinc - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Numerical modelling and experimental analysis of piezoelectric devices based on zinc oxide nanowires

Modélisation numérique et analyse expérimentale de dispositifs piézoélectriques à base de nanofils d'oxyde de zinc

Résumé

Among the objectives of sustainable development, improving energy efficiency and reducing the use of materials with limited resources are particularly important in the field of electronics. Harvesting unused energy in a given environment in order to make an electrical device autonomous, and therefore avoiding the use of a battery, is in line with these objectives. In addition, the rapid growth of the Internet of Things is raising questions about the environmental impact of connected objects such as "autonomous wireless communicating sensors". The reduced energy consumption of these devices means that ambient energy sources can be used to power them with energy harvesting modules instead of batteries. In particular, since the 2000s, energy harvesting systems based on piezoelectric materials that convert mechanical energy into electrical energy have attracted a great deal of interest from the scientific community. The sources of mechanical energy targeted are fluids (air, water), vibrating structures (vehicles, industrial machinery) and even the human body. Among the piezoelectric materials studied, zinc oxide, in nanostructured form, emerged as a promising candidate because it is easy to synthesise, it is compatible with the European RoHS Directive and biocompatible. GREMAN laboratory, whose specificity is to address all stages, from modelling to the manufacture of these devices, including dedicated characterisation, has proposed an original design based on a nanowires/polymer composite on a rigid or flexible substrate. This PhD thesis focuses on the operation of this type of nanogenerator and, more specifically, on the coupling of the piezoelectric and semiconducting properties of zinc oxide in a nanostructured configuration. Numerical simulations using a multiphysics model for the finite element method make it possible to better predict the consequences of variations in the various parameters on the voltage generated or the electrical energy harvested. This nanostructuring exacerbates surface properties compared with volume properties, such as the effect of surface traps on nanowires. In this context, modulations of the mechanical, piezoelectric and electrical properties need to be considered in order to gain a better understanding of the electrical response of the nanogenerator for a given mechanical excitation. This work shows that reducing the diameter of the nanowires increases their surface trap density and can lead to a factor of 100 increase in the voltage generated and a factor of 10 increase in the electrical energy recovered. Other elements, such as the choice of polymer and the geometrical properties of the composite, are studied in order to provide ideas for improving the manufacturing process. This work also shows the beneficial effect of a given nanowires density for a 1-3 piezocomposite to improve the mechanical-electrical coupling even in the case of piezo-semiconductor nanowires. Finally, an external electrical circuit capable of extracting the electrical energy converted by the nanogenerator is integrated into various simulations to deduce the optimum equivalent resistance for a given nanowires density on a given surface. The results for an active nanogenerator surface area of 1 cm2 and a characteristic density of 40 nanowires/µm2 give an optimum equivalent resistance of 100 M. In order to validate the simulation results experimentally and compare the performance of the nanogenerators, an experimental characterisation protocol is proposed. It uses a mechanical compression machine to create a controlled mechanical excitation and a dedicated electrical measurement circuit.
Parmi les objectifs de développement durable, la sobriété énergétique et la diminution de l’usage de matériaux aux ressources limitées sont particulièrement importants dans le domaine de l’électronique. Ainsi, récupérer de l’énergie inutilisée dans un environnement donné pour rendre autonome un dispositif électrique et pouvoir se passer de pile ou de batterie fait partie des réponses à ces objectifs. De plus, la forte progression de l’Internet des Objets génère des questions sur l’impact environnemental des objets connectés tels que les « capteurs autonomes communicants sans fil ». La diminution de la consommation énergétique de ces dispositifs permet d’envisager l'utilisation des sources d'énergies ambiantes pour les alimenter avec des modules de récupération d’énergie à la place des piles. En particulier, depuis les années 2000, les récupérateurs d’énergie à base de matériaux piézoélectriques qui convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique ont suscité un fort intérêt de la communauté scientifique. Les sources d’énergie mécanique visées sont des fluides (air, eau), des structures vibrantes (véhicules, machines industrielles), ou même le corps humain. Parmi les matériaux piézoélectriques étudiés, l’oxyde de zinc, sous forme nanostructurée, est apparu comme un candidat prometteur car facile à synthétiser, compatible avec la Directive européenne RoHS et biocompatible. Le laboratoire GREMAN, dont la spécificité est d’aborder toutes les étapes, de la modélisation à la fabrication de ces dispositifs, en passant par de la caractérisation dédiée, a proposé un design original basé sur un composite nanofils/polymère sur substrat rigide ou souple. Cette thèse de doctorat s’intéresse au fonctionnement de ce type de nanogénérateurs et plus spécifiquement au couplage des propriétés piézoélectriques et semiconductrices de l’oxyde de zinc dans une configuration nanostructurée. Des simulations numériques utilisant un modèle multiphysique pour la méthode par éléments finis permettent de prévoir les conséquences des variations des différents paramètres sur la tension générée ou sur l’énergie électrique récupérée. Cette nanostructuration exacerbe les propriétés surfaciques par rapport aux propriétés volumiques comme l’effet des pièges de surface sur les nanofils. Dans ce contexte, des modulations des propriétés mécaniques, piézoélectriques et électriques sont donc à envisager afin de mieux connaître la réponse électrique du nanogénérateur pour une excitation mécanique donnée. Ce travail montre que le fait de diminuer le diamètre des nanofils implique l’augmentation de leur densité de pièges de surface et peut conduire à une augmentation d’un facteur 100 de la tension générée et d’un facteur 10 de l’énergie électrique récupérée. D’autres éléments, comme le choix du polymère et les propriétés géométriques du composite, sont étudiés afin de donner des pistes d’amélioration du procédé de fabrication. Ce travail montre aussi l’effet bénéfique d’une densité de nanofils donnée pour un piézocomposite 1-3 afin d’améliorer le couplage mécano-électrique même dans le cas de nanofils piézo-semiconducteurs. Enfin, un circuit électrique externe capable d’extraire l’énergie électrique convertie par le nanogénérateur est intégré dans différentes simulations permettant de déduire la résistance équivalente optimale pour une densité de nanofils donnée sur une surface donnée. Les résultats pour une surface active de nanogénérateur de 1 cm2 et une densité caractéristique de 40 nanofils/µm2 donnent une résistance équivalente optimale de 100 M. Afin d’envisager la validation expérimentale des résultats obtenus par simulation et dans le but de pouvoir comparer les performances des nanogénérateurs, un protocole de caractérisation expérimentale est proposé. Il utilise une machine mécanique de compression, permettant de créer une excitation mécanique maîtrisée, et un circuit électrique de mesure dédié.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04384339 , version 1 (10-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04384339 , version 1

Citer

Emmanuel Dumons. Modélisation numérique et analyse expérimentale de dispositifs piézoélectriques à base de nanofils d'oxyde de zinc. Electronique. INSA Centre Val de Loire, 2023. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04384339⟩
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