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Des implants médicaux aux micro-capteurs de surveillance de structures critiques, l’expérimentation des propriétés physiques des matériaux à l'échelle nanométrique ouvre des perspectives pour rendre ces technologies de pointe autonomes énergétiquement. Le projet ANR SCENIC marque une avancée majeure sur cette voie en comprenant et contrôlant expérimentalement pour la première fois, les charges de surface dans des nanofils semi-conducteurs.
Noëlle Gogneau, chercheuse CNRS au Centre de nanosciences et de nanotechnologies[1] fabrique des nanofils semiconducteurs à l’échelle nanométrique. Pour cela, elle utilise l’epitaxie. « Il s’agit d’une méthode spécifique où les différents éléments (selon le Tableau de Mendeleïev) sont envoyés soit sous forme de flux atomique, soit sous forme de flux moléculaire dans une grande enceinte ultra-vide sur une surface chauffée à très haute température, explique la chercheuse. La température procure aux éléments l'énergie leur permettant de se déplacer à la surface d'un substrat de silicium et de s'incorporer à un endroit propice pour former le nouveau matériau avec les propriétés souhaitées ».
Nanofil : la perfection d’un millième de cheveu
« Si vous divisez la largeur d'un cheveu (qui mesure entre 50 et 100 microns) en mille parts égales, vous obtenez la largeur d'un nanofil », détaille Noëlle Gogneau qui en a fait son expertise à différentes échelles. Leur particularité ? N’avoir aucun défaut ! « Les atomes y sont parfaitement agencés, formant un monocristal d’une robustesse remarquable. » Ainsi, la chercheuse peut leur faire subir de nombreuses contraintes mécaniques. Une fois architecturés, en associant différents éléments à des endroits précis des nanofils, leurs propriétés pourront être scrutées. « Dès que le diamètre du nanofil devient inférieur à 100 nanomètres, certaines propriétés du matériau prennent le dessus, alors qu’elles ne s'expriment pas à l'échelle macroscopique, changeant complètement la physique à laquelle le matériau est soumis », poursuit la chercheuse.
L'idée globale du projet SCENIC pour « Surface Charge Effects in fuNctionalized GaN and ZnO nanowires : Investigation and Control » était donc de comprendre ces changements pour mieux les contrôler. Noëlle Gogneau coordonne le projet de 2021 à 2024, qui rassemble des chercheurs et des équipes de quatre laboratoires aux expertises complémentaires : le C2N, le laboratoire Génie électrique et électronique de Paris [2], le Laboratoire des matériaux et du génie physique[3] et le Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes[4]. Ce projet a été financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR), dont l’objectif est de soutenir l’excellence de la recherche et l’innovation française sur le plan national, européen et international.
Les charges de surface favorables à la piézoélectricité
Les chercheurs étudient en particulier les charges de surface[5] dont ils pressentent la forte influence sur les propriétés du matériau et tout particulièrement les propriétés piézoélectriques, sans en comprendre les mécanismes sous-jacents. « La piézoélectricité est une propriété fascinante, révèle Noëlle Gogneau. Si nous déformons un matériau piézoélectrique, il nous donne de l'énergie (effet direct). Inversement, si nous le polarisons électriquement, il va se déformer (effet inverse). » Grâce aux expertises combinées des équipes de Paris-Saclay[6] et de Grenoble, les chercheurs du projet parviennent à démontrer expérimentalement, par différentes approches sur deux matériaux « miroirs » (oxyde de zinc et nitrure de gallium), que les charges de surface amplifient la capacité des nanofils à produire de l'énergie.
Vers des micro-capteurs autonomes en énergie
Cette découverte est fondamentale car, à terme, l'objectif des nanofils piézoélectriques est de s’intégrer dans divers composants pour les alimenter. « Mais pour cela, ils doivent être capables de produire l'énergie suffisante pour alimenter le micro-dispositif. » Aujourd'hui, ces micro-dispositifs dont la taille est inférieure à 1 cm3, sont alimentés soit par un fil électrique soit par une batterie, ce qui rend compliqué leur remplacement lorsqu’ils sont utilisés dans des endroits peu accessibles. Parmi ces dispositifs, les micro-capteurs de vibration sont déterminants pour le suivi des structures (moteurs d'avion, ponts, etc.). « L'autonomie en énergie, c’est la clé. Le capteur mesure la vibration, et nous, nous utilisons cette vibration pour générer de l'énergie afin de l’alimenter. »
Trouver la bonne matrice d'enrobage
La deuxième grande partie du projet SCENIC a concerné l'intégration des nanofils dans un système microscopique : un véritable défi qui consiste à les « enrober » dans des matrices souples. « Sans cela, les nanofils à l'air libre seraient détruits par les applications, décrit la physicienne. Mais comment éviter l’influence négative de cette matrice sur les charges de surface ? Nous l’avons testé avec différentes matrices : certaines n'avaient quasi pas d'influence mais présentaient une rigidité trop importante pour déformer aisément les nanofils. D'autres, au contraire, abaissaient particulièrement la conversion électromécanique. »
In fine, l’équipe opte pour le PDMS (Polydiméthylsiloxane). « Il se trouve que le PDMS était couramment dilué à l'hexane rendant le PDMS suffisamment fluide pour bien s'insinuer entre les nanofils, détaille Noëlle Gogneau. Mais nous constations que nos dispositifs donnaient toujours un résultat inférieur à ce que nous étions en droit d'attendre, alors nous avons développé une nouvelle stratégie : avant d'appliquer la matrice, nous avons travaillé uniquement la surface des nanofils les recouvrant d'une petite « coquille » très fine pour éviter leur contact direct avec la matrice. »
Adapter le nano dispositif à l’environnement
Noëlle Gogneau veut désormais dépasser la frontière fondamentale. « Place désormais à l’ingénierie inversée : j’aimerais adapter les nanofils à l’environnement du micro-dispositif que nous souhaitons alimenter. Cette stratégie implique l'ajout d'un module mécanique qui permet de faire communiquer la fréquence de résonance captée dans l'environnement avec la fréquence optimale du système à nanofils, par exemple 100 Hertz pour un moteur d'avion. Cette méthode d’adaptation des fréquences pour optimiser la conversion d'énergie est unique dans la communauté des systèmes piézoélectriques à nanofils. »
Au départ très orienté sur la piézoélectricité, le projet SCENIC a ouvert des voies stratégiques vers les domaines de l'électronique et de la nanophotonique. « Nous sommes en mesure aujourd’hui de leur proposer des traitements possibles pour « tuer » les charges de surface des nanofils », indique Noëlle Gogneau. La physicienne est en discussion avec le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) pour monter un nouveau projet collaboratif. « Il est en effet très difficile de quantifier la densité des charges de surface. L'idée est d’en définir une cartographie complète, or le LNE possède des méthodes de caractérisation de pointe et des standardisations très précises, parfaites pour « taquiner » nos nanofils », se réjouit-elle.