Etude et élaboration de nanofils de silicium par voie chimique pour application supercondensateur

Abstract

Le développement croissant des petits appareils électroniques nécessite de composants de stockage d’énergie de plus en plus petits et performants en l’occurrence les micro-supercondensateurs ou les condensateurs électrochimiques (CE), qui peuvent assurer leurs fonctionnements autonomes. Dans cette thèse on s’est intéressé à la fabrication de ce type de composant à base de nanofils de silicium (NFSis). Dans la première partie, nous avons fabriqué des réseaux de nanofils de silicium revêtus par une couche mince de TiO 2 par des processus simples et efficaces. Les réseaux de nanofils de silicium sont produits par gravure chimique assistée par un métal du silicium cristallin dans une solution aqueuse d’HF/AgNO 3 . Ensuite, le dépôt de couche atomique a été utilisé comme moyen pour recouvrir ces nanofils d'un film minces de TiO 2 (20 nm). Les échantillons de TiO 2 /NFSis ont ensuite été soumis à un recuit à 400°C sous une atmosphère hydrogénée pendant 4 heures et testés comme matériaux d'électrode (H-TiO 2 /NFSis) dans des microsupercondensateurs.

Les propriétés électrochimiques de l'électrode H-TiO 2 /NFSis élaborée ont été évaluées dans une solution électrolytique aqueuse de Na 2 SO 4 à 1 M de concentration et révèlent que la capacité spécifique a été multipliée par un facteur de six par rapport à celle de l'électrode TiO 2 /NFSis non recuite et par 20 fois par rapport à celle de l'électrode NFSis sans modification dans mêmes conditions de travail. Il est important de noter que les H-TiO 2 /NFSis ont également montré une grande stabilité sur 30 000 cycles de charge-décharge galvanostatique à 0,1 mA /cm 2 avec une diminution de 19% de la capacité initiale. Le traitement hydrogéné a augmenté la densité du groupe hydroxyle et la densité de porteurs à la surface du TiO 2 , améliorant ainsi les propriétés capacitives des H-TiO 2 /NFSis. De plus, nous avons également démontré que l'électrode H-TiO 2 /NFSis est un bon support pour déposer une autre couche mince de MoS 2 avec la méthode hydrothermale. Les électrodes préparées ont atteint une bonne capacité spécifique de 25,45 mF/cm 2 à une vitesse de balayage de 100 mV/ s avec une diminution remarquable (0,12V) de la chute de potentiel (IR) indiquant une petite résistance série équivalente dans l'électrode H-TiO 2 /NFSis comparée à celle de l'électrode TiO 2 /NFSis non hydrogénée. La seconde partie est dédiée à l’élaboration d’une électrode de nanofils de silicium décorés de nanoparticules de ruthénium (Ru/NFSis). Les NFSis sont obtenus par la méthode de croissance vapeur-liquide-solide (VLS), tandis qu'un simple procédé chimique est utilisé pour déposer les nanoparticules de Ruthènium. Alors que la nanostructuration du silicium permet d'augmenter la surface, le revêtement avec des NPs de Ru introduit une pseudo-capacité nécessaire pour atteindre des densités d'énergie et de puissance élevées. Le micro-supercondensateur Ru/NFSis présente une capacité spécifique de 36,25 mF/cm 2 à une densité de courant de 1mA/cm 2 dans un électrolyte aqueux de Na 2 SO 4 et une grande stabilité à travers 25000 cycles de charge-décharge galvanostatique pour une densité de courant de 1mA/cm 2 . Un supercondensateur à l'état solide est ensuite fabriqué avec des électrodes symétriques séparées par un électrolyte d'alcool polyvinylique/acide sulfurique. Le dispositif présente une capacité spécifique de ~18 mF/cm 2 à une densité de courant de 1 mA/cm et une densité de puissance de 0,5 mW/cm 2 . Ce dispositif de nanofils à l'état solide présente également une bonne stabilité sur un test de 10000 cycles de charge-décharge.