Soutenance de Thèse : Xiaoting ZHANG

"Characterization and structuration of piezoelectric ZnO-based composites: Toward medical applications "

01/02/2021 - 14h00 - Amphi AE1 - Bâtiment Gustave Ferrié de l’INSA Lyon  (possible Visioconférence)

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED160 EEA

Résumé:

  Grâce à ses multiples fonctionnalités, l’oxyde de Zinc (ZnO) est déjà utilisé dans de nombreuses applications du domaine de l’optoélectronique, des capteurs physico-chimiques, des composants électroniques ou encore des micro-dispositifs électromécaniques. Son excellente biocompatibilité et sa biosécurité permettent en particulier d’envisager des procédés technologiques innovants exploitant ses propriétés piézoélectriques en milieu biologique. Un matériau composite utilisant des charges ZnO incorporées dans une matrice polymère offre ainsi de nombreux avantages potentiels tels qu'une flexibilité élevée, un faible coût, une réelle recyclabilité et une intégration aisée, de plus adaptée à la fabrication additive sous toutes formes et dimensions. Ces composites se présente donc comme une intéressante alternative dans le domaine des capteurs flexibles compacts pour détecter les variations de pression ou de déformation élastique de tissus ou liquides biologiques. A terme, ces composites pourraient également cumuler la fonction de récupération d’énergie électrique extraite du gisement mécanique et vibratoire de l'environnement ambiant pour alimenter des nanodispositifs sans besoin de source d'alimentation externe ou de recharge de batterie interne, constituant ainsi de véritables dispositifs biomédicaux auto-alimentés.

  L'objectif de ces travaux est de mener une caractérisation complète à l’échelle macroscopique de composites piézoélectriques intégrant des structures micro/nano ZnO afin d’aboutir à une meilleure compréhension du couplage électromécanique ainsi que des propriétés diélectriques, électriques et mécaniques intrinsèques de la matrice et de la charge, qu’elles soient individuelles ou combinées. Un autre point se concentre sur le développement de stratégies optimisées basées sur la caractérisation expérimentale et la méthode des éléments finis (FEM), dans le but d'augmenter les performances piézoélectriques des micro/nano composites ZnO. Les caractéristiques électriques, diélectriques, mécaniques et piézoélectriques des composites dépendent en premier lieu des propriétés intrinsèques de chaque élément constitutif mais également de la forme, de la taille, de la concentration et de la dispersion des charges ZnO. Aucune étude complète n’est pourtant disponible dans la littérature pour décrire l’influence de ses paramètres sur les propriétés du composite.
Dans ce but, la présente étude s’est d’abord orientée vers la mise au point d’un process de fabrication de composite, à faible cout, à l’élaboration simple et parfaitement maitrisée, basé sur l’ utilisation des particules de ZnO encapsulées dans une matrice de polydiméthylsiloxane (PDMS). Les résultats expérimentaux ont montré qu'une concentration de particule élevée entraîne une augmentation de la permittivité diélectrique, de la conductivité, du module élastique de compression et de la constante piézoélectrique. Plus important encore, une amélioration significative de ces caractéristiques a été obtenue avec succès grâce à l'alignement diélectrophorétique de microparticules de ZnO à concentration plus faible. Une étude de l’influence de la forme et de la taille des charges sur les propriétés des composites a également été menée en utilisant des particules sphériques, des microtubes ou des nanofils. Les composites utilisant un réseau vertical ordonné de nanofils ZnO obtenu par dépôt en bain chimique présente au final le couplage piézoelectrique le plus élevé. Des simulations par la méthode des éléments finis ont été utilisées dans ce sens pour optimiser l’activité piézoélectrique d’un composite à nanofils ZnO en fonction du module d’élasticité et de la constante diélectrique des éléments constitutifs ainsi que de la densité et des dimensions des nanofils.

Il a également été établi que l’apparition de défauts cristallins lors de la croissance des nanofils de ZnO génère des porteurs de charges électriques qui ont un effet masquant sur l’effet piézoelectrique. Cette dégradation peut être atténuée par un dopage à l’Antimoine (Sb) ou par un recuit thermique qui permet de diminuer la concentration de ces porteurs parasites. Au final, des composites flexibles piézoélectriques à nanofils ZnO ont été developpé en utilisant un substrat de type polymère PDMS au lieu d’un substrat rigide silicium. L’ensemble des résultats expérimentaux obtenus confirme l’excellent potentiel des matériaux développés pour toute application de biodétection in vivo nécessitant impérativement des dispositifs médicaux flexibles et extensibles.