Etude de la synthèse hydrothermale des NFs de ZnO

L’optimisation de la qualité du matériau piézoélectrique, de ses morphologies, ses dimensions, sa verticalité, ainsi que sa densité surfacique, sont cruciales pour l’amélioration des performances des dispositifs PENGs. Il a été montré par simulation numérique que ces paramètres (diamètre/densité) influencent fortement la puissance générée par les PENGs [1]. La procédure de synthèse des NFs de ZnO est donc devenue une étape critique pour maîtriser leurs propriétés morphologiques. Parmi les diverses méthodes de croissance existantes, la croissance hydrothermale est la plus attractive : c’est une croissance à basse température (typiquement entre 80 et 100 °C), ce qui rend possible l’utilisation de différents substrats flexibles. Dans ce chapitre, une étude détaillée des paramètres de croissance est réalisée afin de contrôler la morphologie et la densité surfacique des NFs de ZnO synthétisés par croissance hydrothermale sur des substrats recouverts d’une couche d’or (Au). La morphologie des NFs synthétisés pourra être contrôlée par la température de croissance, alors que la densité des NFs sera contrôlée en ajoutant l’hydroxyde d’ammonium comme additif. A partir de nos observations expérimentales, nous proposerons ainsi une explication du mécanisme de croissance conduisant au contrôle de la densité des NFs à l’aide de l’hydroxyde d’ammonium. Enfin, nous montrerons qu’en contrôlant deux paramètres de croissance, à savoir la température et l’hydroxyde d’ammonium, nous pourrons améliorer le rendement du système de croissance.

un matériau multifonctionnel pour les nanotechnologies

Le domaine des nanotechnologies est depuis quelques années en pleine expansion, ce qui offre des perspectives de développement de futurs composants performants, intégrant des nanostructures. Les nanostructures semi-conductrices sont des candidates prometteuses pour diverses applications. Parmi ces nanostructures, celles à base de ZnO ont suscité un grand intérêt auprès de la communauté scientifique pour la fabrication des composants dans plusieurs domaines, comme l’optique avec les lasers [2], la récupération d’énergie piézoélectrique avec les PENGs [3,4] ou le photovoltaïque [5,6]. La Figure 1-2, montre quelques applications utilisant les NFs de ZnO.

Cet intérêt est lié aux propriétés particulièrement intéressantes de ce matériau, incluant sa large bande interdite (3,37 eV) [7,8], sa forte énergie de liaison excitonique (60 meV) [8] ainsi qu’un fort coefficient de couplage piézoélectrique (d33 ~12 pm / V) [9]. Les NFs de ZnO offrent des atouts supplémentaires, car ils présentent un fort couplage électromécanique (d33 ~entre 14 et 27 pm / V [10]) et permettent d’améliorer l’efficacité de l’injection / extraction des charges à l’interface Métal / Semi-conducteur [11]. Dans la littérature, il existe de nombreuses techniques pour la synthèse des nanostructures à base de ZnO, qui sont principalement regroupées en deux classes : les techniques effectuées en phase vapeur et les techniques effectuées en phase liquide [14]. La synthèse des nanostructures en phase vapeur, incluant par exemple l’ablation par laser [15] et le dépôt en phase vapeur- liquide-solide [16], permet d’obtenir des NFs de bonne qualité structurale, optique et possédant de meilleures propriétés électriques. La synthèse liquide, quant à elle, dégrade les propriétés électriques et optiques, du fait de la présence d’une forte concentration de défauts ponctuels. La croissance en phase liquide a connu un grand intérêt depuis les années 2000 car elle est effectuée à basse température. De plus elle est bien adaptée à grande échelle ainsi qu’aux différents substrats flexibles et plastiques [17]. Parmi les techniques de croissance en phase liquide, la méthode de synthèse hydrothermale est actuellement la plus répandue [18,19]. Cette méthode consiste à produire des nanostructures de ZnO par précipitation dans une solution où le solvant peut être l’eau, un solvant organique comme l’éthanol ou le butanol [20], ou un ) [22]. La synthèse des nanostructures de ZnO a lieu au sein de la solution (on parle alors de croissance homogène) et / ou à la surface d’un substrat (c’est la croissance hétérogène). La croissance sur substrat nécessite la présence d’une couche de nucléation qui peut être une couche mince de ZnO [23,24], ou encore une couche d’or (111) [24,25] ou de nitrure de gallium (GaN) [26].