Nanomateriaux à base de quartz intégrées sur silicium pour des applications capteurs – Q-NOSS

Les matériaux piézoélectriques sont les éléments actifs de nombreuses applications du quotidien, et représentent une industrie de vingt milliard d'euros en 2015. Ils sont les éléments clés des détecteurs de mouvement et des résonateurs présents dans tout capteur de réseau sans fil. Cependant, une production accrue des piézoélectriques de manière durable reste un défi. Le projet QNOSS propose de développer un nouveau matériau piézoélectrique qui peut apporter une solution à ce problème : un matériau piézoélectrique abondant, pas cher et sans danger. L’objectif de ce projet est de synthétiser de nouveaux piézoélectriques par ingénierie du a-quartz, un matériau piézoélectrique non polaire classique, en utilisant une nouvelle synthèse du quartz en tant que couche minces épitaxiées sur silicium. Cette nouvelle synthèse fournira la couche mince piézoélectrique idéale, un défi qui exige d’unifier la chimie douce et les techniques de microfabrication pour produire des nouveaux dispositifs piézoélectriques de taille nanométrique hautement performants. Il peut paraître surprenant que le quartz lui-même ne soit pas plus largement utilisé dans les dispositifs. La raison principale est, d’une part, que les dispositifs de quartz utilisent des cristaux qui sont coûteux à développer, et d’autre part, qu’ils doivent ensuite être amincis et polis jusqu'à une très faible épaisseur nécessaire pour les transducteurs de haute fréquence. Ceci est un processus difficile qui se traduit par des épaisseurs minimales de l'ordre de 10 µm, ce qui limite les fréquences de travail des transducteurs (la fréquence de résonance est telle que l'épaisseur du cristal est la moitié de la longueur d'onde).

Dans ce contexte Q-NOSS propose de développer un capteur SAW pour la mesure des paramètres mécaniques (masse, forces, pression, etc.). Le principal avantage est que nous allons ici utiliser des couches minces à base de quartz épitaxié sur silicium au lieu de cristaux amincis et polis de quartz ou LiNbO3, utilisés dans les résonateurs actuels. Nous allons développer des processus de croissance directement sur des substrats de silicium afin d'être en mesure de définir les structures de résonance (levier, membranes, ponts, etc.) par microfabrication de silicium, en utilisant la technologie MEMS efficace, très avantageuse et de bas coût. Le contrôle de l'orientation et des capacités de microfabrication permettra de mesurer des contraintes mécaniques avec une sensibilité de 10 à 100 fois plus élevée que celle atteinte avec des monocristaux. Les objectifs spécifiques de ce projet sont:

Objectif 1. Croissance de couches minces de quartz épitaxié sur silicium avec une réponse piézoélectrique à haute performance.
Objectif 2. Nanostructuration de couches minces de quartz épitaxié sur silicium pour améliorer sa performance.
Objectif 3. Développement d'un prototype de capteur à base de résonateur SAW

Le coordinateur de ce projet possède une large expérience dans la croissance des oxyde fonctionnels sur des substrats semi-conducteurs, il a développé le premier processus efficace pour l’intégration des couches minces piézoélectriques à base de a-quartz sur silicium par dépôt de solution chimique (CSD) et il a déjà travaillé avec les systèmes proposés, garantissent la faisabilité du projet. L’utilisation des méthodes de microfabrication pour développer des résonateurs en forme de membranes et cantilevers permettront la création d’un capteur piézoélectrique pour la mesure des paramètres mécaniques (masse, forces, pression, couple, etc.). Les résultats attendus sont originaux, innovants et peuvent conduire à des brevets. Enfin, s’il est financé, ce projet permettra au coordinateur d'établir une nouvelle ligne de recherche au sein du laboratoire d'accueil, en complément à l'activité de recherche et d'expertise dans les nanotechnologies.