Proposition de stage de M2 Recherche

Le stockage de l’énergie électrique est actuellement un thème central dans notre société en raison de l’augmentation de plus en plus croissante de la demande en énergie. En effet, l’épuisement des combustibles fossiles exige la recherche de ressources énergétiques durables et renouvelables et à ce titre, le stockage de l’énergie électrique est une problématique clé.
Les systèmes intégrés, comme les capteurs et l’électronique portable, se développent dans divers domaines, mais nécessitent une autonomie énergétique. Tandis que les batteries actuelles posent des problèmes de recyclage et de pollution, les condensateurs diélectriques, qui stockent l’énergie via des charges électriques, sont plus durables, rapides à charger et décharger, moins lourds, et offrent une bien meilleure densité énergétique. Dans ce cadre, de nombreux travaux ont porté sur les céramiques et films ferroélectriques de composition PbZrTiO3 (PZT), largement utilisés pour diverses applications, grâce à leur efficacité optimisée par des dopants et procédés de fabrication avancés. Néanmoins, le plomb présent dans le PZT pose des problèmes sanitaires et environnementaux, conduisant à la recherche de matériaux sans plomb aux performances comparables, pour se conformer à la directive européenne RoHS.
L’objectif de ce travail est de développer des matériaux ferroélectriques sans plomb, sous forme de films minces, ayant des performances comparables au matériau PZT, pour le développement de condensateurs à haute capacité de stockage d’énergie. Ces matériaux devront avoir une permittivité diélectrique élevée, stable en fréquence et en température, de faibles pertes diélectriques, une polarisation maximale élevée, et une faible polarisation rémanente pour optimiser l’efficacité du stockage énergétique.
A ce titre, les films minces dérivés du matériau ferroélectrique BaTiO3 présentent un grand intérêt, et leur capacité de stockage énergétique peut être améliorée par l’introduction dans ce matériau, de dopants adéquats.
Nous proposons alors dans le cadre de ce travail, de réaliser une étude multi-échelle (macroscopique, microscopique et nanoscopique) des propriétés physico-chimiques de films minces dérivés du matériau BaTiO3 et substitués par des terres rares. Cette étude se fera en 3 parties :

1. Synthèse des films minces par voie sol-gel, et étude de leurs propriétés structurales par diffraction des rayons X (DRX) pour l’étude de la structure et par microscopie électronique à balayage (SEM) pour l’étude de la microstructure. Les propriétés de surface à l’échelle locale, telles que la morphologie des films et leur rugosité, seront étudiées par microscopie à force atomique (AFM). Le mode piézoélectrique
   de l’AFM (mode PFM) permettra de cartographier l’architecture des domaines ferroélectriques à l’échelle nanoscopique.
2.  Etude des propriétés électriques macroscopiques des films minces par des mesures diélectriques dans une large gamme de fréquences, typiquement du continu jusque 10 MHz. Ces caractérisations permettront d’étudier l’effet du dopant, de la composition en terres rares et de l’épaisseur des films sur les propriétés diélectriques de ces matériaux.
3. Caractérisations ferroélectriques macroscopiques par des mesures de cycles d’hystérésis, qui permettront de calculer les densités d’énergie électrique stockées par les films synthétisés. La capacité de stockage de l’énergie électrique à l’échelle nanoscopique, sera déterminée à partir de l’enregistrement de piézocycles en phase (AFM/PFM).

Ces différentes caractérisations permettront d’optimiser les films élaborés, pour le développement de condensateurs capables de stocker des densités d’énergie électrique élevée, et qui soient respectueux de l’environnement.