Un matériau hybride nanofil piézoélectrique/nano-cellulose pour les récupérateurs d’énergie flexibles et sans plomb – NanoFlex

Il est hautement souhaitable que les futurs dispositifs électroniques à faible puissance qui vont envahir notre vie quotidienne soient durables, sans entretien et autoalimentés (sans piles). Une élégante solution à ce problème réside dans l'utilisation de récupérateur d'énergie piézoélectrique à base de nanofils. Ces objets peuvent transformer l'énergie mécanique ambiante en énergie électrique utilisable. La flexibilité mécanique de ces nanodispositifs facilite leur intégration sur des surfaces souples, ce qui est très pertinent pour les applications biomédicales. Cette perspective nécessite le développement de nouveaux matériaux piézoélectriques présentant des performances accrues en termes d'étirabilité et de conformabilité. En outre, ces matériaux doivent être biocompatible, biodégradable et présenter une efficacité électromécanique élevée.
Dans le projet NanoFlex, nous synthétiserons un nouveau film hybride, flexible et inorganique-organique pour la récolte d'énergie piézoélectrique. Nous explorerons la combinaison de trois nanomatériaux uniques : des nanofils de nitrure hautement piézoélectriques, des nanocelluloses d'origine végétale et du graphène. La justification du choix de ces matériaux est de minimiser l'empreinte environnementale du dispositif final, tout en assurant une grande flexibilité et en maintenant une efficacité électromécanique significative.
Nous allons explorer différentes options pour augmenter les performances piézoélectriques des nanofils de nitrure. Nous commencerons par des nanofils d'AlN obtenus par épitaxie par faisceau moléculaire et les allierons avec des éléments de terres rares comme le scandium (Sc). La frustration de la maille crystalline induite par la présence de Sc devrait entraîner une augmentation extraordinaire des coefficients piézoélectriques. De plus, nous induirons des contraintes mécaniques dans les nanofils en faisant la croissance d’hétérostructures afin de tirer parti de la non-linéarité des coefficients piézoélectriques des nitrures et de profiter de la flexoélectricité. Nos résultats permettront d'identifier des voies génériques pour optimiser les propriétés piézoélectriques du nitrure et d'autres matériaux wurtzites comme le ZnO.
Nous visons à remplacer les composants défavorables à l'environnement des dispositifs flexibles conventionnels (par exemple, les polymères synthétiques, les substrats en plastique et les contacts métalliques) par des matériaux verts. Ainsi, nous utiliserons des nanocelluloses comme matrice d'encapsulation pour les nanofils et des nanopapiers comme substrat flexible. Nous utiliserons également le graphène comme contact électrique pour coupler le signal généré au circuit externe. Notre objectif est de produire un film piézoélectrique inorganique-organique utilisable dont l'épaisseur totale tend vers 10 µm.
La fonctionnalité des films hybrides en tant que récupérateur d'énergie piézoélectrique flexible sera évaluée par rapport au ZnO et à d'autres concurrents sans plomb. Nous analyserons systématiquement les performances globales du dispositif (rendement piézoélectrique, flexibilité et robustesse) et les corrélerons avec les propriétés de chaque composant caractérisées à l'échelle nanométrique et avec les choix faits dans l'optimisation du processus et dans la structure du dispositif.