Générateurs piézoélectriques à base de nanofils piézo -semiconducteurs: modélisation, fabrication et caractérisation

The demand for new technologies of energy conversion is dramatically increasing that can offer increased life to the micro-systems and also ensures their energy autonomy without any human intervention. By exploiting nanotechnologies, the present thesis focuses on the development of new generation of flexible and robust piezoelectric mechanical energy harvesters, from piezoelectric materials. Both experiment and theoretical simulation studies are performed to improve the performance of PiezoElectric NanoGenerators (PENGs). The active piezoelectric material, ZnO nanowires, are synthesized via cost-effective and low-temperature hydrothermal synthesis route, compatible with different types of flexible substrates. Studies have been carried out in order to optimize the properties of piezoelectric material properties such as effect of free charge density in semiconductor, density and morphology of nanowires. Flexible PENGs on a polydimethylsiloxane substrate are also manufactured and subjected to a low frequency compression force, showing good performance reproducibility, with an average power of 0,25 μW on a load of 56 MΩ, for an applied force of 6 N at the frequency of 5 Hz. This thesis can open up interesting opportunities to develop fully flexible mechanical energy recovery systems for the development of autonomous micro systems.La demande de nouvelles technologies de conversion d'énergie augmente considérablement. Elle a pour but d’offrir une durée de vie augmentée aux microsystèmes et garantir ainsi leur autonomie sans aucune intervention humaine. Dans cette thèse, nous exploitons les nanotechnologies pour le développement d’une nouvelle génération de récupérateurs d’énergie mécanique flexibles et robustes, à partir des matériaux piézoélectriques. Des études expérimentales et des simulations numériques ont été effectuées afin d’améliorer les performances des NanoGénérateurs PiézoElectriques (PENG). Le dispositif piézoélectrique actif choisi est à base de nanofils de ZnO, synthétisé via une voie de synthèse hydrothermale à faible coût et basse température, compatible avec l’utilisation de substrats souples. Des études ont été effectuées dans le but d’optimiser les propriétés des nanostructures piézoélectriques, tels que la densité de charge libre dans le semi-conducteur, mais aussi la densité surfacique et la morphologie des nanofils. Des PENGs flexibles sur substrat de polydiméthylsiloxane, ont également été fabriqués et soumis à une force de compression à basse fréquence, montrant une bonne reproductibilité des performances, avec une puissance moyenne de 0,25 μW sur une charge de 56 MΩ, pour une force de 6 N appliquée à la fréquence de 5 Hz. Cette thèse ouvre d’intéressantes perspectives de développement des systèmes de récupération d'énergie mécanique totalement flexibles pour un développement de microsystèmes autonomes