Elaboration et mise en oeuvre de nanocomposites sous forme de couche mince à haute permittivité - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Developpement and implementation of nanocomposites as high permittivity thin films

Elaboration et mise en oeuvre de nanocomposites sous forme de couche mince à haute permittivité

Résumé

The thesis project deals with the evaluation of the performance of thin film capacitors with high permittivity. These were fabricated as a percolating Metal Polymer Composites (MPC) whose inclusions were carbon-coated metal nanoparticles. The matrix used was the commercial lithography resin SU8™. The permittivity of the dielectric matrix was increased by adding inclusions of commercial Ni@C, Cu@C and Co@C nanoparticles. These nanoparticles theoretically allow for a significant increase in the polarizability of the material while allowing for surface functionalization, facilitating the dispersion of the inclusions. The formulations were therefore produced by ultrasonication or by high shear mixing, with the aim of minimizing the formation of agglomerates. The nanocomposite films were then spin-coated on boron-doped Si wafers and the dielectric properties were determined by dielectric spectroscopy and isochronous impedancemetry. The physico-chemical properties were established by Raman spectroscopy and SEM-EDS spectroscopy. It was possible to obtain materials with a strong capacitive behavior with a permittivity higher than 100 while keeping tan⁡δ losses lower than 1. From this it was possible to define an estimate of the percolation threshold φ_C for each family of nanocomposites. Despite this, the high voltage performances are too low to be adapted to the industrial context. This poor performance under external electric field is attributed to the shape of the agglomerates facilitating the transfer of charges from one electrode to the other. In order to be able to address higher voltages, it is then necessary to obtain a better control of the dispersion of the nanoparticles in the resin.
Le projet de thèse porte sur l’évaluation des performances de condensateurs couche minces à haute permittivité. Ceux-ci ont été fabriqués sous forme de Composite à Matrice Organique (CMO) percolatif dont les inclusions étaient des nanoparticules de métal enrobées carbone. La matrice utilisée est la résine commerciale de lithographie du nom de SU8™. La permittivité de la matrice diélectrique a été augmentée par ajout d’inclusions de nanoparticules commerciales de Ni@C, Cu@C et Co@C. Ces nanoparticules permettent théoriquement un accroissement important de la polarisabilité du matériau tout en permettant de réaliser une fonctionnalisation de surface, facilitant la dispersion des inclusions. Les formulations ont donc été produites par ultrasonication ou par cisaillement à haute vitesse, dans le but de minimiser la formation d’agglomérats. Les films nanocomposites ont ensuite été mis en forme par spin-coating sur wafer de Si p-dopé au bore, puis les propriétés diélectriques ont été déterminées par spectroscopie diélectrique et impédancemétrie isochrone. Les propriétés physico-chimiques ont quant à elles été établies par spectroscopie Raman et spectroscopie MEB-EDS. Il a été possible d’obtenir des matériaux présentant un fort comportement capacitif avec une permittivité supérieure à 100 tout en conservant des pertes tan⁡δ inférieures à 1. A partir de cela il a pu être défini une estimation du seuil de percolation φ_C pour chaque famille de nanocomposites. Malgré cela, les performances hautes tensions sont trop faibles pour s’adapter au contexte industriel. Cette faible tenue sous champ électrique externe est attribuée à la forme des agglomérats facilitant le transfert de charges d’une électrode à l’autre. Afin de pouvoir adresser de plus hautes tensions il est alors nécessaire d’obtenir un meilleur contrôle de la dispersion des nanoparticules dans la résine.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04210875 , version 1 (19-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04210875 , version 1

Citer

Cédric Lapeyronie. Elaboration et mise en oeuvre de nanocomposites sous forme de couche mince à haute permittivité. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALT039⟩. ⟨tel-04210875⟩
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