Study of Self-Biased Magnetoelectric Materials for Future Micro Energy Sources
Étude de matériaux magnétoélectriques auto-polarisés pour de futures micro-sources d'énergie
Résumé
This thesis conducts an in-depth study of self-biased magnetoelectric (ME) composites fabricated by RF sputtering technology : these composites could meet the energy needs of Internet of Things (IoT) applications and be used for biomedical implant applications thanks to wireless energy transfer via a magnetic field. This feature not only reduces the use of batteries, but also reduces the need for implant maintenance. With the widespread deployment of IoT devices, there is a growing demand for efficient, miniaturized energy solutions that require minimal maintenance. Self-biased ME composites enable ME effects to be achieved without the need for a static magnetic field.The Ni/LiNbO3/Ni ME composites were chosen as the main ME material for this research. Complete experimental studies including X-ray diffraction measurements to study the quality of the nickel films, measurements of the magnetization of the nickel to study its magnetic behavior, and electrical measurements to characterize the ME coefficient of the composites were carried out. These measurements, together with finite element simulations, enabled an in-depth study of the self-biased behavior and its origins. It was found that residual stresses generated during the growth of nickel by RF sputtering on the LiNbO3 substrate were the main causes. In addition, the finite element model developed in this study, which incorporates a shell element formulation and a non-linear magnetoelastic model, successfully simulated the magnetoelectric behavior of these materials. The accuracy and reliability of the simulations were validated by comparison with experimental results. The Ni/LiNbO3/Ni composites are particularly well suited to biomedical implant applications because of their biocompatibility and ability to maintain energy transmission efficiency at minimal sizes, without a static excitation field.
Cette thèse mène une étude approfondie sur les composites magnétoélectriques (ME) auto-polarisés fabriqués par la technologie de pulvérisation RF : ces composites pourraient répondre aux besoins d'énergie dans les applications de l'Internet des objets (IoT) et être utilisés pour des applications d'implants biomédicaux grâce au transfert d'énergie sans contact via un champ magnétique. Cette caractéristique permet non seulement de réduire l'utilisation de piles et de batteries, mais aussi de diminuer les besoins de maintenance des implants. Avec le déploiement généralisé des appareils IoT, il existe une demande croissante de solutions énergétiques efficaces et miniaturisées qui nécessitent une maintenance minimale. Les composites ME auto-polarisés permettent d'obtenir des effets magnéto-électriques sans avoir besoin d'un champ magnétique statique.Les composites ME Ni/LiNbO3/Ni ont été choisis comme matériau ME principal pour cette recherche. Des études expérimentales complètes incluant des mesures par la diffraction des rayons X pour étudier la qualité des films de nickel, des mesures de la magnétisation du nickel pour étudier son comportement magnétique, et des mesures électriques pour caractériser le coefficient ME des composites ont été menées. Ces mesures ainsi que des simulations par éléments finis ont permis d'étudier en profondeur le comportement d'auto-polarisation et ses origines. Il a été constaté que les contraintes résiduelles générées au cours de la croissance du nickel par pulvérisation RF sur le substrat de LiNbO3, en sont les principales causes. En outre, le modèle d'éléments finis développé dans cette étude, qui incorpore une formulation d'éléments en coquille et un modèle magnétoélastique non linéaire, a permis de simuler avec succès le comportement magnétoélectrique de ces matériaux. La précision et la fiabilité des simulations ont été validées par comparaison avec les résultats expérimentaux. Les composites Ni/LiNbO3/Ni sont particulièrement adaptés aux applications d'implants biomédicaux en raison de leur biocompatibilité et de leur capacité à maintenir une efficacité de transmission d'énergie pour des tailles minimales, sans un champ d'excitation statique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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