Jury :

• Rapporteurs :
  Aline Rougier : Directrice de recherche au CNRS, ICMCB, Bordeaux
  Denis Pelloquin : Directeur de recherche au CNRS, CRISMAT, Caen
• Examinateurs : 
  Jean le Bideau : Professeur des Universités, IMN, Nantes
  Marielle Huvé : Professeur des Universités, UCCS, Lille
• Directeurs de thèse :
  Christophe Lethien : Professeur des Universités, IEMN, Lille
  Pascal Roussel : Directeur de recherche au CNRS, UCCS, Lille

  Résumé :

Résumé :

L’essor de l’Internet des objets (IoT) engendre une demande accrue pour des solutions de stockage d’énergie miniaturisées. Ces solutions doivent permettre aux micro-capteurs de fonctionner de manière autonome, réduisant ainsi considérablement les besoins en maintenance. En effet, les micro-capteurs nécessitent diverses sources de stockage d’énergie pour assurer l’ensemble de leurs fonctionnalités, ce qui rend crucial le développement de technologies innovantes dans ce domaine. Dans cette optique, nous avons entrepris de développer un micro-condensateur hybride 3D à charge rapide. Ce dispositif est conçu pour alimenter les fonctionnalités des micro-capteurs qui requièrent le plus de puissance. Notre micro-condensateur s’inspire de la technologie du condensateur d’Evans, qui existe actuellement uniquement à l’échelle macroscopique. Cette technologie associe une anode de condensateur électrolytique, constituée d’un empilement métal/isolant, avec une cathode composée d’un matériau pseudo-capacitif. En miniaturisant cette technologie, nous visons à combiner les avantages des condensateurs électrolytiques et des supercondensateurs. Les condensateurs électrolytiques sont connus pour leur haute densité énergétique, tandis que les supercondensateurs offrent une puissance élevée et une durée de vie prolongée. Cette hybridation permettrait de créer un dispositif capable de fournir une énergie stable et rapide, essentielle pour les applications IoT. Le développement de ce micro-condensateur hybride 3D représente une avancée significative dans le domaine du stockage d’énergie pour les micro capteurs. En rendant ces dispositifs plus autonomes et performants, nous contribuons à l’expansion de l’IoT et à la réduction des coûts de maintenance associés. Cette innovation ouvre la voie à de nouvelles applications dans divers secteurs, tels que la santé, l’industrie, et la domotique. Durant cette thèse, nous nous sommes exclusivement concentrés sur le développement d’une micro-anode pour condensateur électrolytique. Nous avons étudié divers empilements métal/isolant déposés sous forme de films minces sur un substrat de silicium (Si). Par pulvérisation cathodique et pulvérisation cathodique réactive, nous avons développé deux types de collecteurs de courant : le tantale (Ta) et le nitrure de tantale (TaN). Le développement du TaN a nécessité une optimisation précise du flux d’azote (N2) afin d’obtenir une couche nitrurée tout en maintenant une conductivité électrique satisfaisante. Nous avons utilisé un film dense de pentoxyde de tantale (Ta2O5), déposé par pulvérisation cathodique réactive, comme couche isolante, diélectrique, pour notre électrode. L’optimisation du flux d’oxygène (O2) a été cruciale pour atteindre la stœchiométrie désirée de Ta2O5 et obtenir les meilleures propriétés barrières lors des mesures électrochimiques. Grâce à la réalisation de condensateurs de type Métal/Isolant/Métal (MIM), nous avons pu caractériser la constante diélectrique et la tension de claquage de la couche de Ta2O5, qui sont respectivement de 24 et 0,5 V/nm. Le développement de ces trois films (Ta, TaN, et Ta2O5) nous a permis de réaliser des électrodes Ta/Ta2O5 et TaN/Ta2O5. Concernant cette dernière, il s’agit de la première preuve de concept d’une micro-anode de condensateur électrolytique utilisant cet empilement. Nous avons ensuite étudié les interfaces Métal/Isolant et Isolant/électrolyte des électrodes Ta/Ta2O5 (43 nm et 25 nm respectivement) et TaN/Ta2O5 (43 nm et 23 nm respectivement) sous différentes tensions appliquées lors de mesures de voltamétrie cyclique. Les tensions appliquées étaient proches de ou supérieures à la tension de claquage de Ta2O5. Les mesures par microscopie électronique en transmission (TEM) et par réflectométrie des rayons X (XRR) ont révélé un amincissement du collecteur de courant et un épaississement de la couche de Ta2O5 lorsque l’électrode était soumise à des tensions supérieures à la tension de claquage de Ta2O5. Nous avons attribué ce phénomène à un phénomène d’anodisation déjà observé pour des électrodes « massives ». Pour l’électrode TaN/Ta2O5, les caractérisations TEM et XRR ont montré des phénomènes similaires de changement d’épaisseur du collecteur de courant et de la couche isolante lorsque la tension appliquée dépassait la tension de claquage de Ta2O5. Cependant, l’analyse TEM a également révélé la présence de porosités à l’interface TaN/Ta2O5. Ces porosités voient leur diamètre augmenter avec l’augmentation de la tension appliquée. Là aussi, nous avons attribué ces phénomènes à l’anodisation de la couche de nitrure de Ta.