Effets électromécaniques non linéaires dans les nanofils de ZnO pour une conversion de l'énergie améliorée – LATINO

Les nanofils (NFs) piézoélectriques (Piezo) et semiconducteurs (SC) sont au cœur de diverses applications en conversion d’énergie : la récupération d’énergie mécanique, les capteurs et des dispositifs piézotroniques, exploitant l’aspect SC et Piezo pour contrôler le transport électrique à travers du NF. Lors de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique dans ces nanostructures, trois phénomènes doivent être considérés: (i) La Piezo classique est l'interaction entre les champs mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins sans symétrie d'inversion. (ii) La Piezo non linéaire, qui se produit principalement dans les nanomatériaux. (iii) La flexoélectricité qui est un effet universel permis par toute symétrie dans tous les matériaux et qui couple la polarisation aux gradients de contrainte. La nature SC dans ces NFs est aussi essentielle affectant radicalement ses performances. Le couplage des champs mécaniques et électriques par des effets Piezo linéaires et non linéaires, ainsi que par la flexoélectricité et l’effet SC offre un grand potentiel pour des applications de conversion d'énergie à partir de l’énergie mécanique, ce qui peut conduire finalement à de nouveaux transducteurs mécaniques de type capteur ou des dispositifs de récupération d’énergie mécanique pour alimenter des systèmes autonomes et sans fil. LATINO vise à fournir une compréhension fondamentale de la conversion de l’énergie mécanique en électricité par les effets Piezo non linéaires et flexoélectriques dans des NFs de ZnO. Une augmentation non linéaire du coefficient Piezo effectif a été suggérée avec la diminution du diamètre des NFs. Les prévisions théoriques ont montré que, dans le régime nanométrique, les effets flexoélectriques peuvent jouer un rôle important et améliorer le couplage électromécanique (EM). Il a en outre été démontré que les nanostructures tirent parti de l'augmentation de la limite d'élasticité qui peut atteindre la limite ultime du matériau correspondant. Des déformations élastiques beaucoup plus grandes peuvent alors être atteintes et éventuellement converties en énergie électrique. De plus, des études montrent l’importance de l’aspect SC de ces NFs dans les applications de type transducteur. LATINO regroupe des experts en nanomécanique, EM et physique des semi-conducteurs, croissance des NFs SC et en transducteurs d'énergie innovants. De nouvelles recherches seront menées en utilisant des techniques expérimentales in situ uniques et complémentaires : (i) Les propriétés semi-conductrices des NFs seront caractérisées par microscopie d’impédance microonde à balayage (SMIM), couplée pour la première fois, à des déformations mécaniques contrôlées. (ii) Le comportement nanomécanique de chaque NF sera étudié par des essais de flexion trois-points et de traction uniaxiale en combinaison avec la diffraction des rayons X (DRX) synchrotron in situ. En modifiant l'amplitude de la déformation, les termes linéaires et non linéaires seront accessibles, ainsi que les effets flexoélectriques. Des NFs de Si (non Piezo) seront aussi étudiés pour décorréler les divers effets. (iii) Les propriétés Piezo seront étudiées sur des nano composites intégrant les NF dans un polymère avec des électrodes de contact des deux côtés. La déformation Piezo induite sous tension sera mesurée in situ par DRX synchrotron. Des mesures Piezo in situ complémentaires seront effectuées sur des NFs individuels par microscopie électronique à transmission à haute résolution à l'aide d'un nouveau porte échantillon permettant de les polariser électriquement. Les expériences seront accompagnées de simulations par la méthode des éléments finis tenant compte des effets EM linéaires et non linéaires, de la mécanique ainsi que de la physique des semi-conducteurs. Le modèle complet validé expérimentalement mis au point dans le cadre de LATINO permettra ainsi la conception d’une nouvelle génération de transducteurs d’énergie améliorés à base de NFs Piezo et SC.