# Impact de la matrice polymère dans des dispositifs à base de nanofils de GaN pour des applications de récupération d'énergie

Amaury Chevillard, Tanbir Sodhi, Elie Lefeuvre, Laurent Couraud, Xavier Leroux, Laurent Travers, François H Julien, Maria Tchernycheva, Noëlle Gogneau

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## To cite this version:

Amaury Chevillard, Tanbir Sodhi, Elie Lefeuvre, Laurent Couraud, Xavier Leroux, et al.. Impact de la matrice polymère dans des dispositifs à base de nanofils de GaN pour des applications de récupération d'énergie. Journées Plénières GDR NAME 2022, Oct 2022, Lyon, France. hal-05284564

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Submitted on 26 Sep 2025

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# Impact de la matrice polymère dans des dispositifs à base de nanofils de GaN pour des applications de récupération d'énergie

Amaury CHEVILLARD¹*, Tanbir SODHI¹, Elie LEFEUVRE¹, Laurent COURAUD¹, Xavier LEROUX¹, Laurent TRAVERS¹, François H. JULIEN¹, Maria TCHERNYCHEVA¹, Noelle GOGNEAU¹

¹ Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – CNRS-UMR9001, Université Paris-Saclay, 91120 Palaiseau, France

* amaury.chevillard@c2n.upsaclay.fr

**Abstract**—Les dispositifs à base de nanofils sont une solution prometteuse pour les applications piézoélectriques. Afin d'améliorer ces dispositifs au regard de l'application finale, il est aujourd'hui important d'étudier leurs différents composants. Nous démontrons ici à l'aide d'un pot vibrant que la matrice polymère encapsulant les nanofils de GaN a de multiples impacts sur les capacités de conversion du transducteur, notamment par leur dureté et les effets de charges de surface au sein des nanofils.

## I. INTRODUCTION

Grâce à une réduction importante de la consommation électrique des composants actifs durant les deux dernières décennies, l'alimentation locale de micro-capteurs ou micro-actuateurs est aujourd'hui rendue possible à partir de systèmes de récupération d'énergies ambiantes. Parmi celles-ci, les vibrations et déformations mécaniques ambiantes présentent l'avantage d'être omniprésentes. Toutefois, les générateurs piézoélectriques conventionnels, fonctionnant à échelle macroscopique, ne sont plus assez efficaces aux échelles de la micro-électronique. Il nous faut donc redimensionner, voire designer une nouvelle génération de piézo-générateurs. Ce redimensionnement peut passer par la nanostructuration du matériau actif. En effet, à ces échelles, outre une qualité cristalline grandement améliorée grâce à une réduction des défauts internes, les nanomatériaux présentent une exaltation de leurs propriétés piézoélectriques, avec un coefficient $d_{33}$ allant jusqu'à 6 fois la valeur du matériau bulk pour le GaN [1]. Grâce à ces propriétés spécifiques, les couches actives piézoélectriques contenant des nanofils présentent une meilleure efficacité de conversion électromécanique [2, 3]. De plus, le GaN possède une grande stabilité thermique et chimique, ainsi qu'une résistance aux radiations, et est biocompatible. C'est donc un matériau de choix pour la fabrication de dispositifs à base de nanofils utilisables en conditions médicales ou hostiles.

Les piézo-générateurs à base de nanofils ont montré ces dernières années leur potentialité. Ainsi des densités de puissance de l'ordre de quelques µW/cm² en réponse à des déformations compatibles avec celles trouvées dans l'environnement ont été rapportées [4, 5]. Cependant, pour alimenter durablement des micro-dispositifs tels que des micro-capteurs ou des implants médicaux, il est essentiel d'accroitre le couplage électromécanique des systèmes et d'optimiser leur design au regard des besoins spécifiques du micro-dispositif à alimenter.

Notre approche consiste à optimiser le cœur actif du générateur piézoélectrique en considérant une zone active constituée de nanofils de GaN intégrés dans une matrice polymère. Les caractéristiques des nanofils et la nature de la matrice sont ici deux composants de grande importance. Dans cette étude, nous nous penchons sur l'influence de la matrice polymère sur les capacités de conversion du dispositif. Pour cela, plusieurs matrices, présentant différents modules d'Young, sont considérées. L'influence de celles-ci les charges de surface des nanofils de GaN, connues pour impacter fortement l'efficacité de conversion piézoélectrique, est également abordée.

## II. METHODES

### A. Fabrication des dispositifs

Les nanofils de GaN sont épitaxiés sur substrat de silicium (111) par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma. Ils sont verticalement orientés et caractérisés par une structure hexagonale. Ces nanofils sont encapsulés dans la matrice polymère, déposée par spin-coating puis recuite. La surface de l'échantillon est ensuite gravée par RIE afin que les sommets des nanofils ressortent de la matrice. Enfin, après un dépôt de polymère d'épaisseur contrôlée au-dessus des nanofils, l'électrode de collecte Ti/Au est déposée au sommet des nanofils, alors que l'électrode de base Ti/Au est déposée au niveau du substrat.

### B. Caractérisation des dispositifs

Les dispositifs sont caractérisés à l'aide d'un pot vibrant inductif contrôlé par un GBF, et possédant un capteur de force. A l'aide de ce système de mesure, les forces appliquées et la fréquence de sollicitation sont ajustables. Un adaptateur d'impédance permet de faire les mesures avec différentes résistances de charge. Le signal généré est enregistré et filtré par une FFT numérique.

Pour se rapprocher des conditions environnementales, une excitation sinusoïdale en mode contact est appliquée, avec des forces et fréquences faibles. Les puissances générées seront donc plus faibles que celles habituellement vues dans la littérature.

## III. RÉSULTATS ET DISCUSSION

Trois polymères différents sont étudiés : le PDMS, dont le module d'Young varie entre 0,5 et 4 MPa selon sa dureté, le PMMA, caractérisé par un module d'Young de 2,9 GPa, et le
BCB, dont le module d'Young est de l'ordre de 2,7-3,1 GPa. Afin de décorréler les effets parasitaires des matrices, des dispositifs sans nanofils ont également été testés. Les puissances maximales de conversion des couches actives ont été caractérisées pour une déformation sinusoïdale de 10N, à 10 Hz, 100 Hz et 1000 Hz. Les résultats sont présentés sur la FIGURE 1.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIGURE 1. Puissance maximale générée par des échantillons contenant différentes matrices, sous une déformation sinusoïdale de 10N, à 10 Hz, 100 Hz et 1000 Hz</figcaption></figure>

Nous pouvons observer une réponse piézoélectrique pour toutes les couches actives testées, c'est-à-dire contenant ou pas des nanofils. Toutefois, la réponse des composites intégrant les nanofils est systématiquement plus élevée. De tels résultats montrent que le choix de la matrice est critique. En effet, outre le fait que la matrice porte une composante de conversion

électromécanique et qu'elle a un impact sur la réponse en fréquence du dispositif, la différence entre les valeurs de puissances générées montre que le coefficient piézoélectrique $d_{33}$ dépend du composite nanofils+matrice.

Si désormais nous comparons deux couches composites présentant des modules d'Young comparables, c'est-à-dire les dispositifs à base de PMMA et de BCB, nous pouvons observer une réponse piézoélectrique quelque peu différente. Cette différence peut être attribuée à l'impact que peut avoir la matrice sur les effets de charges de surfaces au sein des nanofils. En effets, les nanofils de GaN sont connus pour présenter de fortes densités de charge de surface, ces dernières étant très sensibles à l'environnement direct des nanofils. Ces charges de surface conduisent (via le pinning du niveau de Fermi sur les bords de nanofils) à une déplétion totale des nanofils. Les porteurs libres sont alors moins mobiles et leur effet d'écrantage des charges piézo-générées est abaissé. Il en résulte alors un champ piézoélectrique interne au nanofils plus fort ce qui se traduit par une conversion électromécanique plus efficace pour un même degré de déformation [6].

## IV. CONCLUSION

Nous avons mis ici en évidence le rôle clé de la matrice polymère sur la réponse piézo-électrique des dispositifs à nanofils. En plus de présenter un effet électromécanique propre, la matrice impacte également la piézo-génération du système via sa dureté, sa réponse en fréquence et les effets de charges de surfaces qu'elle engendre au sein des nanofils.

## ACKNOWLEDGMENT

This work was supported by the French National Research Agency as part of the "Investissements d'Avenir" program (through the NanoVIBES project and by the ANR-PiezoSens project (ANR-19-CE42-0016).

Ce travail a été financé par l'ANR via le programme « Investissements d'Avenir » (ANR-10-LABX-0035, Labex NanoSaclay) à travers le projet NanoVIBES, et par le projet ANR-PiezoSens (ANR-19-CE42-0016).

## REFERENCES

[1] M.Minary-Jolandan et al., « individual GaN nanowires exhibit strong piezoelectricity in 3D», Nano Letters, vol. 12, issue 2, pp. 970-976, 2012

[2] N.Gogneau et al., "From single III-nitride nanowires to piezoelectric generators: new route for powering nomad electronics", Semicond. Sci and Tech, vol.31, issue 10, pp1-14, 2016

[3] N.Jamond et al., "Piezogenerator integrating a vertical array of GaN nanowires", Nanotechnology, vol.27, issue 32, 2016

[4] L.Lu et al., "Nitride nanowires: from rigid to flexible nanogenerators", J.O.P.: Conf. Series, vol.773, 2016

[5] L.Zhou et al., "Piezoelectric nanogenerators with high performance against harsh conditions based on tunable N doped 4h-SiC nanowire arrays", Nano Energy, vol.83, 2021

[6] N.Gogneau et al., "Electromechanical conversion efficiency of GaN NWs: critical influence of the NW stiffness, the Schottky nano-contact and the surface charge effects", Nanoscale, issue 14, pp4965-4976, 2022