Etude numérique des PENGs à base de NFs de ZnO

La modélisation des NFs de ZnO en vue de l’application capteur ou récupérateur d’énergie mécanique, peut être abordée à deux échelles : à l’échelle du NF, pour une compréhension de la conversion électromécanique, ou à l’échelle du dispositif complet (nanogénérateur appelé PENG). Dans ce manuscrit, les simulations sont réalisées par la méthode des éléments finis (FEM) à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics®. Dans un premier temps, j’ai étudié l’effet de différents paramètres des NFs tels que leur forme ou l’effet de la nano-structuration, en considérant les NFs purement piézoélectriques. Cependant, les NFs de ZnO présentent un comportement semiconducteur de type n, dû à un fort taux de dopage intrinsèque, comme cela a été montré dans les précédents chapitres. J’ai donc étudié, dans un second temps, les NFs en les considérant également comme semiconducteurs. Pour cela, j’ai développé un modèle spécifique afin de pouvoir ensuite étudier l’effet du dopage sur le potentiel piézoélectrique généré par le NF. L’effet de différents paramètres tels que les dimensions géométriques et la force appliquée sur le NF sur le potentiel piézoélectrique est étudié par la suite. Comme cela a été vu dans le troisième chapitre, différents matériaux piézoélectriques ont été examinés pour être utilisés en tant que récupérateurs d’énergie mécanique. Ces matériaux piézoélectriques peuvent être sous forme de monocristaux, céramiques massives ou sous forme de couches minces, polymères, ou nanostructures cristallines. Dans les matériaux monocristallins, la piézoélectricité est liée à la structure cristalline du matériau, où une absence de centre de symétrie dans la maille élémentaire est nécessaire à l’apparition du phénomène. C’est le cas du quartz, qui est le matériau piézoélectrique le plus connu. Cependant, le couplage électromécanique dans ce matériau est faible et le rend inintéressant pour la récupération d’énergie. Parmi les céramiques, celles à base de titano-zirconate de plomb (PZT) sont les plus couramment utilisées en récupération d’énergie [1,2]. Cela est dû à leurs excellentes propriétés piézoélectriques. Cependant, la synthèse du PZT nécessite des hautes températures, puisque leur frittage est généralement effectué à plus de 1000°C [3]. Certains polymères peuvent également être piézoélectriques, en appliquant un champ électrique intense afin d’aligner les chaînes de molécules, tels que le PVDF. L’avantage de ces derniers est leur flexibilité ainsi que leur biocompatibilité, mais aussi le fait qu’ils peuvent être synthétisés sous différentes formes [4]. Cependant, ces matériaux possèdent un coefficient de couplage faible comparé aux céramiques. Certains semi-conducteurs sont piézoélectriques. Ils appartiennent au groupe II- VI, tels que l’oxyde de zinc (ZnO), ou au groupe III-V, tels que le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d’aluminium (AlN). Ces matériaux cristallisent sous différentes formes, mais seule la phase wurtzite est piézoélectrique. Contrairement aux céramiques, ces matériaux n’ont pas besoin d’être polarisés avant utilisation. Parmi ces semi-conducteurs piézoélectriques, les recherches sont nombreuses sur les NFs de ZnO comme candidat pour la récupération piézoélectrique. Les NFs de ZnO peuvent être synthétisés à basses températures, ce qui permet leur utilisation sur différents types de substrats. Enfin, les propriétés piézoélectriques de ces NFs sont plus élevées que pour le ZnO massif [5–9].

Figure de mérite (FOM) des récupérateurs d’énergie mécanique 

Afin d’obtenir des récupérateurs performants, la sélection des matériaux est un critère important. Des figures de mérite (Figure of Merit en anglais, ou FOM) sont définies dans la littérature pour réaliser une comparaison entre les matériaux piézoélectriques dans l’idée de les intégrer dans des dispositifs de récupération d’énergie. Ces FOM sont exprimées en fonction des propriétés mécaniques, diélectriques et piézoélectriques du matériau. Plus précisément, il s’agit des coefficients figurant dans les équations statiques de la piézoélectricité (Tableau 4-19). Les notations sont rassemblées dans le Tableau 4-20. Dans les équations de la piézoélectricité, les exposants E, T, D, S appliqués aux coefficients électromécaniques (Tableau 4-19) indiquent que la grandeur considérée est constante. Par exemple c. Cette FOM théorique permet de comparer différents matériaux sans réaliser de prototypes, mais elle ne prend pas en compte les pertes. C’est donc une FOM « a priori ».