LiNbO3 films : integration for piezoelectric and pyroelectric energy harvesting.

Cette thèse fait partie du projet ENHANCE (Piezoelectric Energy Harvesters for Self-Powered Automotive Sensors : from Advanced Lead-Free Materials to Smart Systems) du réseau de formation innovant Marie Sklodowska-Curie, qui est lié à la récupération d'énergie pour les applications automobiles, en particulier de l'énergie vibratoire et thermique pour les capteurs autoalimentés. Dans cette thèse, nous avons étudié le matériau piézoélectrique sans plomb LiNbO3 comme transducteur pour les applications de récupération d'énergie, en mettant l'accent sur ses propriétés matérielles optimisées et son interface électronique.Nous avons exploré toutes les voies possibles de micro-fabrication des films LiNbO3, avec des approches top-down ou bottom-up, afin d'obtenir des films LiNbO3 de haute qualité. Nous avons présenté à la fois des films PIMOCVD qui peuvent être développés de manière texturée sur des substrats de silicium, et des films épais de monocristaux LiNbO3 Au-Au colleés au silicium ou au métal. Nous avons optimisé le couplage et les propriétés électro-mécaniques des transducteurs LiNbO3 par des simulations par éléments finis et l'étude de l'orientation. Finalement, nous avons démontré expérimentalement que LiNbO3 (YXl)/128° est la meilleure orientation pour les applications de récupération d'énergie vibratoire. Enfin, nous avons atteint une densité de puissance normalisée de 371,2 µW.cm^-3.g^-2.Hz^-1 en utilisant la structure composite proposée qui vibre à la fréquence de résonance, ce qui est parmi les meilleures valeurs même par rapport aux matériaux à base de plomb (et autres matériaux sans plomb) disponibles dans le commerce.En outre, nous avons satisfait l'objectif de fournir une tension de sortie redressée dans la gamme 1-3 V à partir de transducteurs sans plomb, obtenant pour des systèmes de dimensions compactes ( 100), et des fréquences opérationnelles dans la gamme de 10-500 Hz disponibles dans les véhicules.This thesis is a part of the Marie Sklodowska-Curie Innovative Training Network (ITN) ENHANCE project (Piezoelectric Energy Harvesters for Self-Powered Automotive Sensors: from Advanced Lead-Free Materials to Smart Systems), which is related to energy harvesting for automotive applications, specifically for vibrational and thermal harvesting for self-powered sensors. In this thesis, we investigated lead-free LiNbO3 piezoelectric material as transducer for energy harvesting applications, with special focus regarding its optimized material properties and electronic interface.We explored all the possible routes of micro-fabrication for LiNbO3 films, with top-down or bottom-up approaches, in order to achieve high quality LiNbO3 films. We presented both PIMOCVD films which can be grown textured on silicon substrates, and thick films from single crystal LiNbO3 Au-Au bonded to silicon or metal. We optimized the coupling and electro-mechanical properties of the LiNbO3 transducers by finite element simulations and orientation study. Eventually, we demonstrated experimentally that LiNbO3 (YXl)/128° is the best orientation for vibrational energy harvesting applications. Finally, we attained a normalized power density of 371.2 µW.cm^-3.g^-2.Hz^-1 by using the proposed composite structure vibrating at resonance frequency, that is among best values even compared to lead-based (and other lead-free) materials commercially available.Furthermore, we fulfilled the objective to provide rectified output voltage in 1-3 V range from Pb-free harvesters, achieving for systems of compact dimensions ( 100), and operational frequencies in the range of 10-500 Hz available in vehicles