Elaboration par pulvérisation cathodique réactive de couches minces de pérovskites pour les microdispositifs de stockage électrochimique de puissance
Résumé :
Le développement de l’Internet des objets (IoT) amène un besoin croissant de microdispositifs de stockage et d’alimentation localisée en énergie électrique. Les oxydes de structure pérovskite, de formule générique (ABO3) suscitent un intérêt croissant en tant que matériaux d’anode pour les micro-batteries Li-ion à haute puissance. Nous proposons une nouvelle stratégie pour élaborer des couches minces de pérovskite LaxNbO3 et LaxTiO3 par co-pulvérisation, en substituant partiellement le lanthane sur le site A par des lacunes. L’objectif est d’avoir une alternative aux matériaux d’anode habituellement utilisés pour les micro-batteries, que sont le lithium métallique ou Li4Ti5O12. La création d’un réseau de lacunes au sein de la couche de pérovskite vise à permettre l’insertion du lithium ainsi qu’une diffusion ionique rapide au sein du matériau.
Dans ce doctorat, les couches minces ont été élaborées par co-pulvérisation magnétron réactive à partir de cibles de Lanthane et Niobium ou Lanthane et Titane. La cristallisation des couches minces est obtenue lors d’un recuit post-dépôt à haute température (T ≥ 1000 °C). Plusieurs techniques ont été utilisées pour caractériser les propriétés structurales et chimiques des couches minces, ainsi que leurs propriétés électrochimiques par voltampérométrie cyclique et cyclage galvanostatique. Des caractérisations par spectroscopie d’absorption X et diffraction des rayons X operando ont été spécifiquement développées afin d’apporter des éléments de compréhension des mécanismes de stockage de charges dans ces matériaux.
Mots clés : Matériau Pérovskite, Couche mince, Pulvérisation magnétron, stockage de l’énergie, électrochimie, Batterie Lithium Ion, microbatterie
Perovskite-based thin films deposited by reactive magnetron sputtering for high power electrochemical energy storage microdevices
Abstract:
The development of the Internet of Things (IoT) is driving a growing need for electrical energy storage micro-devices. Perovskite-based oxides, of general formula ABO3, are attracting increasing interest as anode materials for high-power Li-ion micro-batteries. In this work, we investigate a novel strategy for fabricating LaxNbO3 and LaxTiO3 perovskite thin films by co-sputtering, based on the partial substitution of lanthanum at the A-site with vacancies. The aim is to provide an alternative to standard anode materials such as lithium and Li4Ti5O12, used in microdevices. Creating a vacancy network within the perovskite layer is intended to facilitate lithium insertion and enable rapid ionic diffusion within the material.
To achieve this, the thin films were deposited by reactive magnetron co-sputtering of two targets (i.e. Lanthanum/Niobium or Lanthanum/Titanium). Crystallization of the thin films was induced through high-temperature (T ≥ 1000°C) postdeposition annealing. Several techniques were used to characterize the structural and chemical properties of the films, as well as the electrochemical properties by cyclic voltammetry and galvanostatic cycling. Operando X-Ray absorption spectroscopy and X-Ray diffraction characterizations were also specifically developed in order to gain a better understanding of the charge storage mechanisms in these materials.
Keywords: Perovskite materials, Thin films, magnetron sputtering, energy storage, electrochemistry, Li-ion, micro-battery
