Depuis le développement du premier nanogénérateur piézoélectrique (PNG) à base de nanofils d’oxyde de zinc (ZnO) par Z. Wang et J. Song en 2006,^[1] le domaine de la récupération d’énergie a été révolutionnée grâce à la capacité des nanofils de ZnO à convertir l’énergie mécanique en énergie électrique. Actuellement, les réseaux de nanofils de ZnO sont intégrés dans des dispositifs électroniques comme sources d’énergie durables et efficaces.

Ce travail de thèse vise à améliorer les performances d’un PNG intégrant verticalement un réseau de nanofils de ZnO, lesquels sont synthétisés en milieu aqueux par dépôt chimique en bain (CBD). Ce procédé de chimie verte présente un potentiel industriel pour la croissance des nanofils de ZnO à basse température (60 – 100 °C) à grande échelle sur des substrats flexibles et rigides. Cependant, l’incorporation non intentionné de défauts, principalement liés à l’hydrogène, dans les nanofils de ZnO synthétisés par CBD, mène à une densité élevée d’électrons libres dans leur structure (5 × 10¹⁷ – 1.5 × 10¹⁹ cm^-3),^[2] provoquant un effet d’écrantage indésirable du potentiel piézoélectrique. Cet effet résulte des interactions électrostatiques entre les électrons libres et les pôles positifs générés dans les nanofils de ZnO sous contraintes mécaniques.^[3]

Cette thèse explore différentes approches pour optimiser l’efficacité de conversion énergétique des PNGs basés sur des nanofils de ZnO synthétisés par CBD. La première stratégie aborde l’élaboration de nanofils de ZnO électriquement résistifs via un dopage compensatoire au cuivre (Cu) et recuits thermiques, suivi de leur intégration dans des PNGs afin d’évaluer leurs propriétés piézoélectriques. La deuxième approche consiste à modifier les propriétés de surface des nanofils de ZnO en les revêtant d’une coquille en alumine (Al₂O₃) et de couches de parylène-C. Leurs effets sur les performances piézoélectriques sont étudiés à travers des caractérisations des PNGs. Enfin, cette thèse examine la synthèse de nanofils de ZnO sur des couches de nucléation d’or et de ZnO dopées à l’aluminium (AZO), afin de créer respectivement une interface Schottky et ohmique avec les nanofils de ZnO, pour des applications piézoélectriques.

Cette étude expérimentale ouvre des perspectives prometteuses pour améliorer les PNGs à base de nanofils de ZnO, offrant ainsi des solutions intéressantes pour des applications durables de récupération d’énergie.

[1] Z. L. Wang, J. Song, Science (80-. ). 2006, 312, 242–246.

[2] A. J. L. Lopez Garcia, M. Mouis, V. Consonni, G. Ardila, Nanomaterials 2021, 11, 941.

[3] R. K. Pandey, J. Dutta, S. Brahma, B. Rao, C. P. Liu, JPhys Mater. 2021, 4, DOI 10.1088/2515-7639/ac130a.