Oxydes de Métaux de transition élaborés ...
Document type :
Thèse
Title :
Oxydes de Métaux de transition élaborés par pulvérisation magnétron pour micro-supercondensateurs
English title :
Transition metal oxide thin films made by sputtering method for micro-supercapacitor
Author(s) :
Jolayemi, Bukola [Auteur]
Circuits Systèmes Applications des Micro-ondes - IEMN [CSAM - IEMN ]
Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 [IEMN]
Circuits Systèmes Applications des Micro-ondes - IEMN [CSAM - IEMN ]
Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 [IEMN]
Thesis director(s) :
Christophe LETHIEN
Defence date :
2024-06-13
Accredited body :
Université de Lille
Doctoral school :
ENGSYS Sciences de l’ingénierie et des systèmes
Keyword(s) :
Films minces
Oxyde de métal de transition ternaire
Micro-supercondensateurs asymétriques
Pulvérisation
Métaux poreux
Stockage d'Energie
Oxyde de métal de transition ternaire
Micro-supercondensateurs asymétriques
Pulvérisation
Métaux poreux
Stockage d'Energie
English keyword(s) :
Thin film
Ternary transition metal oxide
asymmetric micro-supercapacitors
Sputtering
Porous metals
Energy storage
Ternary transition metal oxide
asymmetric micro-supercapacitors
Sputtering
Porous metals
Energy storage
HAL domain(s) :
Sciences de l'ingénieur [physics]
French abstract :
Pour que les prochaines technologies de l'Internet des objets (IoT) deviennent pleinement autonomes via des dispositifs microélectroniques interconnectés autonomes, il faut des sources d'alimentation intégrées sur puce. ...
Show more >Pour que les prochaines technologies de l'Internet des objets (IoT) deviennent pleinement autonomes via des dispositifs microélectroniques interconnectés autonomes, il faut des sources d'alimentation intégrées sur puce. Les micro-supercondensateurs (MSC) sont de remarquables dispositifs de stockage d'énergie électrochimique miniaturisés offrant une densité de puissance élevée (> 10 mW.cm−2) mais une très faible densité d'énergie (<0,1 mWh.cm−2) et capables de fournir l'énergie sur puce. demande de puissance. Cependant, atteindre la densité énergétique élevée nécessaire sans sacrifier la puissance constitue un goulot d’étranglement majeur, auquel nous recherchons ardemment une solution ; les performances des MSC sur puce dépendent fortement des matériaux d'électrode, ce qui nécessite des progrès continus dans la conception des matériaux et les techniques de dépôt, entièrement compatibles avec les processus de microfabrication avancés. Cela nécessite des recherches approfondies sur de nouveaux matériaux d’électrode capables de fournir une densité d’énergie élevée à des taux de charge/décharge élevés. Les oxydes de métaux de transition (TMO) tels que RuO2, MnO2 et MoO3 sont considérés comme les principaux matériaux d'électrode pour les applications MSC, présentant plusieurs états d'oxydation pour un transfert de charge rédox efficace. Cependant, les techniques de préparation pour le développement de films d'électrodes TMO reposent en grande partie sur des voies de traitement par voie humide ou des synthèses chimiques, qui ne sont généralement pas largement utilisées par les techniques de microfabrication habituellement rencontrées dans l'industrie microélectronique. Cette recherche se concentre sur le développement d'électrodes hautes performances basées sur divers matériaux d'oxydes de métaux de transition pseudocapacitifs pour les applications MSC sur puce, avec des techniques de préparation entièrement compatibles avec les processus de microfabrication. L’étude a examiné un certain nombre de matériaux d’électrodes à base d’oxydes prometteurs, notamment les oxydes métalliques binaires et ternaires, à savoir l’oxyde de molybdène, l’oxyde de ruthénium et le MnFe2O4. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, de nouvelles approches ont été utilisées pour produire des films d'oxyde pseudocapacitifs très efficaces. Tout d’abord, la préparation de films d’oxyde de spinelle MnFe2O4 a été réalisée selon une procédure en deux étapes impliquant des techniques de dépôt par pulvérisation magnétron réactive et un processus de recuit ex situ post-dépôt. D'autre part, une nouvelle approche a été adoptée utilisant une technique de pulvérisation magnétron DC, éliminant le processus réactif pour obtenir des films d'électrodes binaires en oxyde métallique présentant une morphologie très poreuse en forme de plume avec une grande surface spécifique, ce qui est bénéfique pour le stockage pseudocapacitif des électrodes pulvérisées. Les électrodes à base d'oxyde de Ru ont enregistré la capacité superficielle la plus élevée de 1,2 F cm-2 avec une constante de temps inférieure à 4 s, et une bonne stabilité en cyclage avec une excellente rétention de sa capacité initiale (~100 %) après 20 000 cycles avec comme électrolyte H2SO4 0,5 M. Permettant de dépasser les performances de la plupart des électrodes de MSC 2D obtenues par voie chimique. Ainsi, les techniques de préparation d’électrodes, qui peuvent être étendues à d’autres matériaux d’électrodes à oxyde, ouvrent une nouvelle ère pour le développement d’électrodes à base d’oxydes hautement efficaces pour les applications MSC sur puce.Show less >
Show more >Pour que les prochaines technologies de l'Internet des objets (IoT) deviennent pleinement autonomes via des dispositifs microélectroniques interconnectés autonomes, il faut des sources d'alimentation intégrées sur puce. Les micro-supercondensateurs (MSC) sont de remarquables dispositifs de stockage d'énergie électrochimique miniaturisés offrant une densité de puissance élevée (> 10 mW.cm−2) mais une très faible densité d'énergie (<0,1 mWh.cm−2) et capables de fournir l'énergie sur puce. demande de puissance. Cependant, atteindre la densité énergétique élevée nécessaire sans sacrifier la puissance constitue un goulot d’étranglement majeur, auquel nous recherchons ardemment une solution ; les performances des MSC sur puce dépendent fortement des matériaux d'électrode, ce qui nécessite des progrès continus dans la conception des matériaux et les techniques de dépôt, entièrement compatibles avec les processus de microfabrication avancés. Cela nécessite des recherches approfondies sur de nouveaux matériaux d’électrode capables de fournir une densité d’énergie élevée à des taux de charge/décharge élevés. Les oxydes de métaux de transition (TMO) tels que RuO2, MnO2 et MoO3 sont considérés comme les principaux matériaux d'électrode pour les applications MSC, présentant plusieurs états d'oxydation pour un transfert de charge rédox efficace. Cependant, les techniques de préparation pour le développement de films d'électrodes TMO reposent en grande partie sur des voies de traitement par voie humide ou des synthèses chimiques, qui ne sont généralement pas largement utilisées par les techniques de microfabrication habituellement rencontrées dans l'industrie microélectronique. Cette recherche se concentre sur le développement d'électrodes hautes performances basées sur divers matériaux d'oxydes de métaux de transition pseudocapacitifs pour les applications MSC sur puce, avec des techniques de préparation entièrement compatibles avec les processus de microfabrication. L’étude a examiné un certain nombre de matériaux d’électrodes à base d’oxydes prometteurs, notamment les oxydes métalliques binaires et ternaires, à savoir l’oxyde de molybdène, l’oxyde de ruthénium et le MnFe2O4. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, de nouvelles approches ont été utilisées pour produire des films d'oxyde pseudocapacitifs très efficaces. Tout d’abord, la préparation de films d’oxyde de spinelle MnFe2O4 a été réalisée selon une procédure en deux étapes impliquant des techniques de dépôt par pulvérisation magnétron réactive et un processus de recuit ex situ post-dépôt. D'autre part, une nouvelle approche a été adoptée utilisant une technique de pulvérisation magnétron DC, éliminant le processus réactif pour obtenir des films d'électrodes binaires en oxyde métallique présentant une morphologie très poreuse en forme de plume avec une grande surface spécifique, ce qui est bénéfique pour le stockage pseudocapacitif des électrodes pulvérisées. Les électrodes à base d'oxyde de Ru ont enregistré la capacité superficielle la plus élevée de 1,2 F cm-2 avec une constante de temps inférieure à 4 s, et une bonne stabilité en cyclage avec une excellente rétention de sa capacité initiale (~100 %) après 20 000 cycles avec comme électrolyte H2SO4 0,5 M. Permettant de dépasser les performances de la plupart des électrodes de MSC 2D obtenues par voie chimique. Ainsi, les techniques de préparation d’électrodes, qui peuvent être étendues à d’autres matériaux d’électrodes à oxyde, ouvrent une nouvelle ère pour le développement d’électrodes à base d’oxydes hautement efficaces pour les applications MSC sur puce.Show less >
English abstract : [en]
Powering the upcoming Internet of Things (IoT) technologies to become fully self-sustaining via autonomous interconnected microelectronic devices requires integrated on-chip power sources. Micro-supercapacitors (MSCs) are ...
Show more >Powering the upcoming Internet of Things (IoT) technologies to become fully self-sustaining via autonomous interconnected microelectronic devices requires integrated on-chip power sources. Micro-supercapacitors (MSCs) are remarkable miniaturized electrochemical energy storage devices featuring high power density (>10 mW.cm−2) delivery but with very low energy density (<0.1 mWh.cm−2) and capable of supplying the on-chip power demand. However, achieving the needed high energy density without sacrificing the power is a major bottleneck, ardently seeking a solution; the performance of the on-chip MSCs heavily relies on the electrode materials, necessitating continuous advancements in material design and deposition techniques fully compatible with advanced microfabrication processes. This calls for extensive research on new electrode materials that can deliver high energy density at high charge/discharge rates. Transition metal oxides (TMOs) such as RuO2, MnO2, and MoO3 are considered principal electrode materials for MSC applications, exhibiting multiple oxidation states for effective redox charge transfer. However, preparation techniques for the development of TMO electrode films largely rely on wet processing routes or chemical syntheses, which are mostly not widely used by microfabrication techniques. This research is focused on developing high-performance electrodes based on various pseudocapacitive transition metal oxide materials for on-chip MSC applications, using deposition techniques fully compatible with the microfabrication processes. The study considered a number of promising oxide electrode materials, including binary and ternary metal oxides, i.e., molybdenum oxide, ruthenium oxide, and MnFe2O4. In the frame of this PhD thesis, novel approaches were employed to produce highly efficient pseudocapacitive oxide films. First, the preparation of spinel MnFe2O4 oxide films was carried out in a two-step procedure involving reactive magnetron sputtering deposition techniques and a post-deposition ex-situ annealing process. On the other hand, a novel approach was adopted using a simple DC magnetron sputtering technique, eliminating the reactive process to obtain the binary metal oxide electrode thin films featuring highly porous feather-like morphology with a large specific surface area, which is beneficial to the pseudocapacitance properties of the sputtered films. The electrodes based on Ru oxide recorded the highest surface capacitance of 1.2 F cm-2 with a time constant below 4 s, and good cycling stability with a nice retention (~100 %) of its initial capacitance after 20 000 cycles in 0.5M H2SO4 electrolyte, surpassing the performance of most chemically 2D electrodes for MSCs. Thus, this novel electrode preparation approach, which can be extended to other metal oxide electrode materials, opens a new era for developing highly efficient oxide electrodes for on-chip MSC applications.Show less >
Show more >Powering the upcoming Internet of Things (IoT) technologies to become fully self-sustaining via autonomous interconnected microelectronic devices requires integrated on-chip power sources. Micro-supercapacitors (MSCs) are remarkable miniaturized electrochemical energy storage devices featuring high power density (>10 mW.cm−2) delivery but with very low energy density (<0.1 mWh.cm−2) and capable of supplying the on-chip power demand. However, achieving the needed high energy density without sacrificing the power is a major bottleneck, ardently seeking a solution; the performance of the on-chip MSCs heavily relies on the electrode materials, necessitating continuous advancements in material design and deposition techniques fully compatible with advanced microfabrication processes. This calls for extensive research on new electrode materials that can deliver high energy density at high charge/discharge rates. Transition metal oxides (TMOs) such as RuO2, MnO2, and MoO3 are considered principal electrode materials for MSC applications, exhibiting multiple oxidation states for effective redox charge transfer. However, preparation techniques for the development of TMO electrode films largely rely on wet processing routes or chemical syntheses, which are mostly not widely used by microfabrication techniques. This research is focused on developing high-performance electrodes based on various pseudocapacitive transition metal oxide materials for on-chip MSC applications, using deposition techniques fully compatible with the microfabrication processes. The study considered a number of promising oxide electrode materials, including binary and ternary metal oxides, i.e., molybdenum oxide, ruthenium oxide, and MnFe2O4. In the frame of this PhD thesis, novel approaches were employed to produce highly efficient pseudocapacitive oxide films. First, the preparation of spinel MnFe2O4 oxide films was carried out in a two-step procedure involving reactive magnetron sputtering deposition techniques and a post-deposition ex-situ annealing process. On the other hand, a novel approach was adopted using a simple DC magnetron sputtering technique, eliminating the reactive process to obtain the binary metal oxide electrode thin films featuring highly porous feather-like morphology with a large specific surface area, which is beneficial to the pseudocapacitance properties of the sputtered films. The electrodes based on Ru oxide recorded the highest surface capacitance of 1.2 F cm-2 with a time constant below 4 s, and good cycling stability with a nice retention (~100 %) of its initial capacitance after 20 000 cycles in 0.5M H2SO4 electrolyte, surpassing the performance of most chemically 2D electrodes for MSCs. Thus, this novel electrode preparation approach, which can be extended to other metal oxide electrode materials, opens a new era for developing highly efficient oxide electrodes for on-chip MSC applications.Show less >
Language :
Français
Source :