Post-Doc-Matériaux fonctionnels pour la Conversion d’énergie

Titre du projet :
Oxydes PiézoélectrIques pour la récupération et Conversion d’Énergie

Projet CPER Manifest : Matériaux Avancés

Implication(s) du projet dans la thématique « Energie » de l’A2U : Matériaux fonctionnels pour la Conversion d’énergie

Statut ; PU

1. Résumé global du projet et de la collaboration

Le développement des objets connectés (Internet of Things), va nécessiter le développement de capteurs sans fils qui pourront permettre des applications de suivi et d’intelligence distribués dans les secteurs industriels des transports, des bâtiments, de la santé et de l’environnement. Toutefois les batteries utilisées aujourd’hui pour alimenter ces capteurs limitent leur durée de vie et requièrent une intervention pour leur remplacement une fois épuisées. L’utilisation de micro-générateurs piézoélectriques pourrait permettre de les rendre autonomes [1,2]. La piézoélectricité permet de produire de l’électricité grâce une pression exercée sur un matériau piézoélectrique. Cette propriété peut être exploitée dans des systèmes de récupération d’énergie vibratoire, qui génèrent de l’électricité à partir des vibrations ambiantes. Parmi les matériaux inorganiques, le titano-zirconate de plomb (PZT) est à ce jour le matériau piézoélectrique le plus performant. Le succès croissant du PZT pose des problèmes sanitaires et environnementaux en raison du plomb que ces matériaux contiennent. Dès 2003, l’U.E. a voté des directives concernant la gestion des déchets d’équipements électriques et électroniques en fin de vie (WEEE) et leurs restrictions (substances dangereuses, RoHS). La recherche de matériaux de substitution constitue actuellement un axe majeur d’investigation dans le domaine des matériaux piézoélectriques. Le développement de futurs micro-générateurs piézoélectriques impose l’utilisation de matériaux compatibles avec un développement durable. Dans ce contexte, nous proposons de mener une étude sur l’optimisation des propriétés de couches minces à base de matériaux piézoélectriques sans plomb, en vue d’application pour la récupération d’énergie. L’objectif ultime du projet est de développer des démonstrateurs piézoélectriques fonctionnant en convertisseur d’énergie à basse puissance (récupération d’énergie) pour l’alimentation électrique d’applications portables innovantes.

1. Zhengbao Yang, Shengxi Zhou, Jean Zu, and Daniel Inman, High-Performance Piezoelectric Energy Harvesters and Their Applications, Joule 2, 642–697, April 18, 2018.

2. Wang, Z.L., and Wu, W., Nanotechnology-enabled energy harvesting for self-powered micro-/nanosystems. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 11700–11721, 2012.

2. Description scientifique du projet et de la méthodologie envisagée :

Pour envisager le développement futur de micro-générateurs MEMS intégrant des couches minces de matériaux piézoélectriques sans plomb, il est nécessaire dans un premier temps d’évaluer les performances en termes de récupération d’énergie de ce type de films. Ceci constitue l’objectif principal de ce projet qui vise à réaliser des dispositifs de poutre vibrante sur des films de matériaux piézoélectriques sans plomb en vue de mesures de récupération d’énergie, à l’aide d’un dispositif de poutre vibrante sur des films de matériaux piézoélectriques sans plomb. Un second objectif porte sur la comparaison des performances de différents types de films. Afin de comparer les propriétés piézoélectriques de films Ba_xCa_1-xTi_yZr_1-yO₃, différents types d’hétéro-structures seront déposés : gamme d’épaisseur étendue, comparaison des propriétés piézoélectriques en fonction des propriétés structurales (films polycristallins ou orientés préférentiellement), géométrie de l’hétéro-structure. Pour les hétéro-structures les plus performantes, des mesures de récupération d’énergie seront réalisées dans une gamme de fréquence, allant de 5 à 20 kHz, compatible avec un large domaine d’applications. L’évolution des propriétés sera suivie sous sollicitation électrique, pour déterminer la durée de vie en fatigue des performances des films. A l’issue de ce travail, nous serons en mesure de quantifier la puissance électrique produite par des films piézoélectriques sans plomb, et de proposer des paramètres clés sur les caractéristiques des couches optimisées pour la récupération d’énergie.

Pour atteindre les objectifs fixés, le projet reposera sur trois piliers : la croissance de couches minces, la caractérisation des propriétés fonctionnelles (diélectriques, ferroélectriques et piézoélectriques), la réalisation de poutres piézoélectriques pour la récupération d’énergie. Une étude sera menée pour comparer les propriétés fonctionnelles de films, pour deux familles de matériaux piézoélectriques à savoir (1-x) Bi_0,5Na_0,5TiO₃ – x BaTiO₃ (BNTBT) et Ba_xCa_1-xTi_yZr_1-yO₃ (BCTZ) déposés par sol gel. Des couches minces de Ba_xCa_1-xTi_yZr_1-yO₃ (BCTZ) seront déposées par l’équipe UDSMM et la croissance des films à base de BNTBT sera coordonnée par l’équipe LPMC, car ces matériaux présentent sous forme massive de très bonnes propriétés piézoélectriques, qui en font de bons candidats pour remplacer le PZT. Malgré leurs fonctionnalités intéressantes, ces matériaux n’ont été que très peu étudiés pour les applications pour la récupération d’énergie, toutefois des résultats récents confirment l’intérêt de mener des investigations sur ces composés [1,2,3]. Différentes hétéro-structure en termes de substrat et d’électrodes seront réalisées, afin de disposer d’un échantillonnage large permettant de sélectionner les géométries les plus performantes du point de vue des propriétés fonctionnelles. Les partenaires du projet pourront s’appuyer sur un large panel de méthodes de caractérisation, qui permettront de définir les caractéristiques structurales, microstructurales et morphologiques conduisant à l’optimisation des propriétés piézoélectriques. Un banc de caractérisation permettant de mesurer l’énergie électrique produite par la couche mince piézoélectrique, a été développé par nos collègues IEMN-UVHC participant au projet régional Stimule-OPPEN. Ce projet s’intègre dans une action de renforcement en termes de ressources humaines du projet région OPPEN, qui ne permet que le financement de stagiaire de master.

[1] A. Cho, D. B. Kim, and Y. S. Cho, Electric-Field-Dependent Surface Potentials and Vibrational Energy-Harvesting Characteristics of Bi(Na_0.5Ti_0.5)O₃Based Pb-Free Piezoelectric Thin Films, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 13244, 2019.

[2] W. Liu and X. Ren, Large Piezoelectric Effect in Pb-Free Ceramics, Phys. Rev. Lett. 103, 257602, 2009.

[3] Praveen, J P and Karthik, T and James, A R and Chandrakala, E and Asthana, Saket and Das, D, Effect of poling process on piezoelectric properties of sol-gel derived BZT-BCT ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 35 (6). pp. 1785-1798, 2015.