Vendredi 3 mars 2017 à 15h30, dans l’amphithéâtre du LCI.

Dans le cadre des séminaires du département MNMB, Nicolas Verplanck, project manager au CEA-LETI, viendra présenter les dispositifs pour la santé développés au CEA-LETI

*Le séminaire sera en français.

Vendredi 10 mars, le Lilliad Learning Center Innovation de Villeneuve d’Ascq (situé sur le campus Cité Scientifique à Villeneuve-d’Ascq au sein de la Métropole Européenne de Lille) accueillera la journée NanoLille.

Cette journée de discussion s’adresse à tous les acteurs engagés dans les nanotechnologies ou intéressés par leurs développements et leurs implications sociales et économiques. Elle vise à fournir un état des lieux particulièrement informé des connaissances disponibles et des lacunes dans chacun des domaines concernés par le développement des nanomatériaux et nanotechnologies, et à promouvoir une réflexion collective apte à baliser les prérequis d’un développement durable et responsable de ces nouvelles technologies.

Programme, tarifs et inscription : http://www.nanoresp.fr/evenements/nano-lille/

Contact : forum@nanoresp.fr

Les organisateurs

Le Forum NanoRESP (www.nanoresp.fr) est une dynamique de dialogue multi-acteurs (industriels, académiques, associatifs, pouvoirs publics) sur les nanotechnologies initiée en 2013. Soutenu par une alliance public-privé, il permet de développer une vigilance coopérative à propos des controverses et de rechercher les pratiques responsables en régime d’incertitude.

Le projet Nanoscoope (http://nanoscoope.iemn.univ-lille1.fr/) est un projet chercheurs-citoyens financé par la Région Hauts-de-France. Il organise depuis 2013 des ateliers de concertation multi-acteurs et transdisciplinaires autour des différents enjeux du développement des nanotechnologies. Nanoscoope s’est associé à d’autres partenaires pour organiser cet événement du 10 mars, qui en constitue la clôture sous cette forme.

Le Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE, http://www.lne.fr/), établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC), est le laboratoire national de référence, pour l’industrie, en matière de mesures (métrologie). Il est rattaché au ministère de l’industrie.

La Direction générale des entreprises (DGE) du ministère de l’économie, de l’industrie et du numérique (http://www.entreprises.gouv.fr/) a pour mission de développer la compétitivité et la croissance des entreprises de l’industrie et des services, notamment par le soutien et la diffusion de l’innovation dans un objectif de croissance durable et d’emploi.

Dans le cadre du thème GaN, l’IEMN accueille :

Lundi 27 Mars 2017 – IEMN LCI Villeneuve d’Ascq, Salle du conseil – 10:30
Nanostructured GaN devices for power applications and beyond
Elison Matioli, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

In this talk, I will present some of the nanowire-based technologies developed in our group to significantly enhance the performance of high-voltage GaN power devices, such as Schottky barrier diodes (SBDs) and high electron mobility transistors (HEMTs). This presentation will cover high-performance AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate based on nanowire tri-gate architectures. The optimized tri-gate geometry led to reduced off-state leakage current (I_off) and sub-threshold slope (SS), increased on/off ratio, and improved breakdown voltage (V_br) of the device. With a gate-to-drain separation (L_GD) of 15 μm, hard V_br up to 1755 V at I_off of 45 μA/mm with high soft V_br of 1370 V at I_off = 1 μA/mm were achieved, rendering an excellent high-power figure of merit (FOM) up to 1.25 GW/cm².

These nanowire-based technologies were also applied for AlGaN/GaN SBDs on silicon substrates. An optimized hybrid of tri-anode and tri-gate architectures led to SBDs exhibiting high V_br, low reverse leakage current (I_R), and small turn-on voltage (V_ON) of 0.76 ± 0.05 V since the tri-anode architecture formed a direct Schottky contact to the 2D electron gas (2DEG). The reverse characteristics were controlled electrostatically by an embedded tri-gate transistor, instead of relying only on the Schottky barrier, which resulted in low I_R below 10 nA/mm at large reverse biases up to 500 V. In addition, these devices exhibited record V_br up to 1325 V at I_R of 1 μA/mm, rendering an excellent high-power FOM of 939 MW/cm². These results unveil the significant potential of nanostructured GaN transistors for future power applications.

Finally, I will discuss the application of these nanostructures to better understand the electron transport in GaN-based heterostructures, which was exploited to demonstrate new ballistic devices operating at room temperature. The fast transport of ballistic electrons could offer a pathway for future room-temperature high-frequency ballistic devices.

Biography: Elison Matioli is an assistant professor in the institute of electrical engineering at Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). He received a B.Sc. degree in applied physics and applied mathematics from Ecole Polytechnique (Palaiseau, France) in 2006 and a Ph.D. degree from the Materials Department at the University of California, Santa Barbara (UCSB) in 2010. He was a post-doctoral fellow in the Department of Electrical Engineering and Computer Science at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) until 2014. His expertise is in semiconductor and nanostructure growth by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), device fabrication and development of advanced numerical models to simulate device properties. He has received the Outstanding Graduate Student – Scientific Achievement Award for his Ph.D. thesis, the IEEE Electron Devices Society George Smith Award for his demonstration of high-efficiency nanostructured power electronic devices and the ERC Starting Grant in 2015.

 

DES SCIENTIFIQUES FRANÇAIS PROPOSENT UN NOUVEAU DESIGN DE MICRO-BATTERIES POUR OBJETS CONNECTÉS

Le développement des objets intelligents et connectés requiert des sources d’énergies autonomes, décentralisées et souvent miniatures, par exemple pour alimenter des micro-capteurs. La question de leur design est cruciale : chaque µm² gagné permettant d’augmenter la densité d’énergie de la batterie.

Des chercheurs français des laboratoires IMN, IEMN, UCCS et du LRCS, en partenariat avec un laboratoire américain (Argonne National Lab, ligne synchrotron APS), essaient de développer des micro-batteries lithium-ion « tout solide » capables d’alimenter ces objets afin de les rendre autonomes. Rassemblés autour d’un chercheur de l’IEMN, ils proposent une architecture performante permettant de répondre à de nombreux problèmes souvent rencontrés dans la création de batteries miniatures.

Cette architecture est construite à partir de wafer de silicium, matériau de choix dans l’industrie de la microélectronique. Le wafer est ensuite usiné pour fabriquer une structure 3D originale et robuste à base de micro-tubes simple ou double qui servira d’encrage à la micro-batterie. Cette gravure permet d’atteindre un gain de surface proche de 50 sans dénaturer son empreinte surfacique : une micro-batterie présentant une empreinte surfacique de 1 mm2 développe donc une surface spécifique de 50 mm2. Cette structuration 3D à base de micro-tubes est protégée par un brevet.

Cette architecture 3D a pour originalité d’être à une échelle micrométrique et non nanométrique. Les chercheurs ont fait ce choix car les approches nanométriques (avec des nanotubes de carbone ou des nanofils de silicium) ont le défaut d’être plus fragiles et flexibles. Par ailleurs, la faible distance entre 2 nanostructures limite drastiquement l’épaisseur de matériaux actifs déposables et donc les performances en densité d’énergie.

L’avantage de ce travail réalisé par deux doctorants (Manon Létiche – thèse IEMN/UCCS et Jeremy Freixas  – thèse IEMN/IMN) à l’échelle du micromètre est donc double. D’abord, il confère au substrat micro-structuré une robustesse permettant le dépôt de toutes les couches nécessaires (et d’épaisseur suffisante) pour produire des micro-batteries 3D de haute performance. Cette robustesse permet en outre de pouvoir manipuler les wafers de silicium sans craindre de briser les structures 3D qui résisteront ainsi à l’enduction centrifuge de résine photosensible visqueuse classiquement utilisée en microélectronique… Le tout présentant des gains de surface finalement comparables, voire meilleurs, que celui des nanostructures 3D.

Une fois ce substrat 3D de qualité créé, les chercheurs ont dû déposer dessus les matériaux nécessaires pour donne vie à la micro-batterie Li-ion. Leur travail étant une première preuve de concept et ayant pour but la finalisation d’un prototype, ils ont développé 4 des 6 couches de matériaux nécessaires à l’obtention d’une batterie complète.

La technique utilisée pour le dépôt de ces 4 premières couches et celle du dépôt par couche atomique (ALD), technique déjà utilisée à l’échelle industrielle, par exemple dans le cas du photovoltaïque, de la fabrication de transistor ou de mémoire vive dynamique (DRAM). Elle leur a permis de créer une couche isolante (Al2O3), un collecteur de courant (Pt), une électrode négative (TiO2) et un électrolyte  (Li3PO4)

Contrairement à beaucoup de confrères et à ce qui se fait classiquement dans la fabrication de batterie, l’électrolyte est sous forme solide et non liquide. Ainsi, ces micro-batteries ne souffrent pas des limites des électrolytes liquides : inflammabilité, évaporation des solvants, fuite potentielle. Les dépôts de ces 4 couches épousent parfaitement les formes complexes des microstructures 3D (on parle de conformité) et l’électrolyte solide Li3PO4 fabriqué par ALD combine une fenêtre de stabilité électrochimique élevée (4.2 V), une haute conductivité ionique et une faible épaisseur (10 à 50 nm) générant une faible résistance surfacique.

L’ALD permet, en plus, une très bonne qualité des dépôts comme ont pu le vérifier les chercheurs par plusieurs techniques de caractérisations avancées (FIB TEM, EDX STEM, tomographie TXM synchrotron) : conformité proche de 100 %, pas d’inter-diffusion entre les couches ALD et absence de trous/fissures/craquelures.

Au final, l’équipe a montré un design attractif en regard du cahier des charges des objets connectés/miniaturisés (Internet of Things). Ces résultats découlent du travail collaboratif entre 5 laboratoires aux compétences complémentaires. A court terme, l’équipe de chercheurs va travailler sur la mise au point de films minces de matériaux d’électrode positive par ALD afin de pouvoir créer des prototypes de micro-batteries 3D fonctionnels dont les performances en densité d’énergie dépasse celles des micro-batteries planaires.

Atomic layer deposition of functional layers for on Chip 3D Li-ion all solid state microbattery.
M. Létiche, E. Eustache, J. Freixas, A. Demortière, V. De Andrade, L. Morgenroth, P. Tilmant, F. Vaurette, D. Troadec, P. Roussel, T. Brousse, C. Lethien. Advanced Energy Materials, le 11 octobre 2016.
> Consulter le site web

• IEMN CNRS UMR 8520 – Université de Lille Sciences et Technologies
• UCCS CNRS UMR 8181 – Université Lille 1 Sciences et Technologies
• IMN CNRS UMR 6502 – Université de Nantes
• LRCS CNRS UMR 7314 – Université de Picardie Jules Verne

Contact chercheur : christophe.lethien@iemn.univ-lille1.fr

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