Elaboration de micro-supercondensateurs à base d'électrodes en silicium nanostructuré : des nanomatériaux aux dispositifs

Since 1990, portable electronics is a thriving field. Devices gather more and more functions and thusrequire more and more efficient energy sources in terms of power, autonomy and lifespan. Such sourcesshould be fixed as close as possible from the micro-electronic circuit, ideally directly on chip. Microsupercapacitorsare a promising solution. Due to the electrodes materials (carbon or metallic oxide), theirfabrication directly on chip is still difficult. It should be easier with silicon based electrodes. The aim of thiswork is the elaboration of micro-supercapacitors with nanostructured silicon based electrodes. Theirperformances can be improved by working on the electrode and the electrolyte. The electrode must bestable in the electrolyte and have a high developed surface. The electrolyte must lead to high voltage. Thiswork demonstrates that only highly doped silicon electrodes with an adapted surface treatment have acapacitive behavior. The electrode surface can be increased via nanostructures growth of by gold-catalyzedCVD. Thanks to the study of the influence of growth parameters on the nanostructures morphology, theprocess has been optimized to get highly doped, dense, long and hyperbranched nano-trees with severalbranches generations. Their doping level is precisely monitored thanks to the use of HCl. Doping, length,density and branches are the key parameters to improve the electrode capacity. Micro-supercapacitorsperformances (maximum voltage, energy, power, stability) with such electrodes have been evaluated inseveral electrolytes. Higher voltage, and thus higher energy and power can be reached in ionic liquids.Several improvement trails are investigated: surface treatment, new device design. Our processcompatibility with micro-electronics one has been checked.Depuis les années 1990, l'électronique portable connait un véritable essor. De plus en pluscomplexes, ces appareils requièrent des besoins énergétiques croissants en termes de puissance,d'autonomie et de durée de vie. De nouveaux dispositifs de stockage pouvant être assemblés au plusproche du circuit micro-électronique et dans l'idéal directement sur la puce doivent donc être développés.Les micro-supercondensateurs représentent une solution prometteuse. Constitués principalementd’électrodes en carbone ou oxydes métalliques, leur fabrication sur les puces de micro-électroniques restedifficile. Cette intégration serait facilitée avec des électrodes à base de silicium. L’objectif de cette thèse estl'élaboration de micro-supercondensateurs constitués d’électrodes en silicium nanostructuré. Leursperformances peuvent être améliorées en travaillant à la fois sur les électrodes et sur l’électrolyte.L’électrode doit être stable en présence de l’électrolyte et avoir une grande surface développée.L’électrolyte doit permettre d’atteindre une tension élevée. Ce travail démontre que seules les électrodes ensilicium fortement dopées avec un traitement de surface adapté ont un comportement capacitif. La surfacedes électrodes est augmentée via la croissance de nanostructures par CVD catalysée par de l’or. L’étude del’influence des paramètres de croissance sur la morphologie des nanostructures a permis d’optimiser leprocédé pour obtenir des nano-arbres fortement dopés longs, denses, hyperbranchés et avec plusieursgénérations de branches ont pu être obtenus. L’utilisation du chlorure d’hydrogène permet de contrôlerprécisément le dopage des nanofils. Les paramètres clés des nanostructures pour obtenir de meilleurescapacités ont été identifiés : dopage, longueur, densité, branches. Les performances des microsupercondensateurs(Tension maximale, Energie, Puissance, Stabilité) avec des électrodes en siliciumnanostructurée ont été évaluées dans différents électrolytes. L’utilisation de liquide ionique (EMI-TFSI)permet d’augmenter la tension maximale et donc l’énergie et la puissance. Des pistes d’amélioration ont étéétudiées : traitement de surface, nouvelles architecture de dispositifs. La compatibilité des procédés utilisésavec ceux de micro-électronique a aussi été vérifiée

Ionic Liquid-Based Electrolytes for Supercapacitor and Supercapattery

There is a strong desire to replace or complement aqueous and organic electrolytes by ionic liquids (ILs) in electrochemical energy storage (EES) devices to achieve high operating voltages and hence high energy capacity. ILs are regarded as the inherent and competitive electrolytes since they were introduced to the electrochemical research community because they can overcome many disadvantages of the conventional aqueous and organic electrolytes, such as narrow potential windows, volatility, and flammability. This paper reviews critically the recent literatures of IL-based electrolytes used in supercapacitor, supercapattery, and micro-supercapacitor. Supercapattery is a generic term for various hybrid devices combining the merits of rechargeable battery and supercapacitor and often shows capacitive behavior. Fundamentals of supercapattery are briefly explained with typical examples. Micro-supercapacitor falls in the same scope of supercapacitor and supercapattery and shares the same fundamental concerns besides topology or structure. The future of IL-based electrolytes for the capacitive EES devices are also prospected

Elaboration of micro-supercapacitors with nanostructured silicon based electrodes : from materials to devices : from materials to devices

Depuis les années 1990, l'électronique portable connait un véritable essor. De plus en pluscomplexes, ces appareils requièrent des besoins énergétiques croissants en termes de puissance,d'autonomie et de durée de vie. De nouveaux dispositifs de stockage pouvant être assemblés au plusproche du circuit micro-électronique et dans l'idéal directement sur la puce doivent donc être développés.Les micro-supercondensateurs représentent une solution prometteuse. Constitués principalementd’électrodes en carbone ou oxydes métalliques, leur fabrication sur les puces de micro-électroniques restedifficile. Cette intégration serait facilitée avec des électrodes à base de silicium. L’objectif de cette thèse estl'élaboration de micro-supercondensateurs constitués d’électrodes en silicium nanostructuré. Leursperformances peuvent être améliorées en travaillant à la fois sur les électrodes et sur l’électrolyte.L’électrode doit être stable en présence de l’électrolyte et avoir une grande surface développée.L’électrolyte doit permettre d’atteindre une tension élevée. Ce travail démontre que seules les électrodes ensilicium fortement dopées avec un traitement de surface adapté ont un comportement capacitif. La surfacedes électrodes est augmentée via la croissance de nanostructures par CVD catalysée par de l’or. L’étude del’influence des paramètres de croissance sur la morphologie des nanostructures a permis d’optimiser leprocédé pour obtenir des nano-arbres fortement dopés longs, denses, hyperbranchés et avec plusieursgénérations de branches ont pu être obtenus. L’utilisation du chlorure d’hydrogène permet de contrôlerprécisément le dopage des nanofils. Les paramètres clés des nanostructures pour obtenir de meilleurescapacités ont été identifiés : dopage, longueur, densité, branches. Les performances des microsupercondensateurs(Tension maximale, Energie, Puissance, Stabilité) avec des électrodes en siliciumnanostructurée ont été évaluées dans différents électrolytes. L’utilisation de liquide ionique (EMI-TFSI)permet d’augmenter la tension maximale et donc l’énergie et la puissance. Des pistes d’amélioration ont étéétudiées : traitement de surface, nouvelles architecture de dispositifs. La compatibilité des procédés utilisésavec ceux de micro-électronique a aussi été vérifiée.Since 1990, portable electronics is a thriving field. Devices gather more and more functions and thusrequire more and more efficient energy sources in terms of power, autonomy and lifespan. Such sourcesshould be fixed as close as possible from the micro-electronic circuit, ideally directly on chip. Microsupercapacitorsare a promising solution. Due to the electrodes materials (carbon or metallic oxide), theirfabrication directly on chip is still difficult. It should be easier with silicon based electrodes. The aim of thiswork is the elaboration of micro-supercapacitors with nanostructured silicon based electrodes. Theirperformances can be improved by working on the electrode and the electrolyte. The electrode must bestable in the electrolyte and have a high developed surface. The electrolyte must lead to high voltage. Thiswork demonstrates that only highly doped silicon electrodes with an adapted surface treatment have acapacitive behavior. The electrode surface can be increased via nanostructures growth of by gold-catalyzedCVD. Thanks to the study of the influence of growth parameters on the nanostructures morphology, theprocess has been optimized to get highly doped, dense, long and hyperbranched nano-trees with severalbranches generations. Their doping level is precisely monitored thanks to the use of HCl. Doping, length,density and branches are the key parameters to improve the electrode capacity. Micro-supercapacitorsperformances (maximum voltage, energy, power, stability) with such electrodes have been evaluated inseveral electrolytes. Higher voltage, and thus higher energy and power can be reached in ionic liquids.Several improvement trails are investigated: surface treatment, new device design. Our processcompatibility with micro-electronics one has been checked

Elaboration de micro-supercondensateurs à base d'électrodes en silicium nanostructuré : des nanomatériaux aux dispositifs

Since 1990, portable electronics is a thriving field. Devices gather more and more functions and thusrequire more and more efficient energy sources in terms of power, autonomy and lifespan. Such sourcesshould be fixed as close as possible from the micro-electronic circuit, ideally directly on chip. Microsupercapacitorsare a promising solution. Due to the electrodes materials (carbon or metallic oxide), theirfabrication directly on chip is still difficult. It should be easier with silicon based electrodes. The aim of thiswork is the elaboration of micro-supercapacitors with nanostructured silicon based electrodes. Theirperformances can be improved by working on the electrode and the electrolyte. The electrode must bestable in the electrolyte and have a high developed surface. The electrolyte must lead to high voltage. Thiswork demonstrates that only highly doped silicon electrodes with an adapted surface treatment have acapacitive behavior. The electrode surface can be increased via nanostructures growth of by gold-catalyzedCVD. Thanks to the study of the influence of growth parameters on the nanostructures morphology, theprocess has been optimized to get highly doped, dense, long and hyperbranched nano-trees with severalbranches generations. Their doping level is precisely monitored thanks to the use of HCl. Doping, length,density and branches are the key parameters to improve the electrode capacity. Micro-supercapacitorsperformances (maximum voltage, energy, power, stability) with such electrodes have been evaluated inseveral electrolytes. Higher voltage, and thus higher energy and power can be reached in ionic liquids.Several improvement trails are investigated: surface treatment, new device design. Our processcompatibility with micro-electronics one has been checked.Depuis les années 1990, l'électronique portable connait un véritable essor. De plus en pluscomplexes, ces appareils requièrent des besoins énergétiques croissants en termes de puissance,d'autonomie et de durée de vie. De nouveaux dispositifs de stockage pouvant être assemblés au plusproche du circuit micro-électronique et dans l'idéal directement sur la puce doivent donc être développés.Les micro-supercondensateurs représentent une solution prometteuse. Constitués principalementd’électrodes en carbone ou oxydes métalliques, leur fabrication sur les puces de micro-électroniques restedifficile. Cette intégration serait facilitée avec des électrodes à base de silicium. L’objectif de cette thèse estl'élaboration de micro-supercondensateurs constitués d’électrodes en silicium nanostructuré. Leursperformances peuvent être améliorées en travaillant à la fois sur les électrodes et sur l’électrolyte.L’électrode doit être stable en présence de l’électrolyte et avoir une grande surface développée.L’électrolyte doit permettre d’atteindre une tension élevée. Ce travail démontre que seules les électrodes ensilicium fortement dopées avec un traitement de surface adapté ont un comportement capacitif. La surfacedes électrodes est augmentée via la croissance de nanostructures par CVD catalysée par de l’or. L’étude del’influence des paramètres de croissance sur la morphologie des nanostructures a permis d’optimiser leprocédé pour obtenir des nano-arbres fortement dopés longs, denses, hyperbranchés et avec plusieursgénérations de branches ont pu être obtenus. L’utilisation du chlorure d’hydrogène permet de contrôlerprécisément le dopage des nanofils. Les paramètres clés des nanostructures pour obtenir de meilleurescapacités ont été identifiés : dopage, longueur, densité, branches. Les performances des microsupercondensateurs(Tension maximale, Energie, Puissance, Stabilité) avec des électrodes en siliciumnanostructurée ont été évaluées dans différents électrolytes. L’utilisation de liquide ionique (EMI-TFSI)permet d’augmenter la tension maximale et donc l’énergie et la puissance. Des pistes d’amélioration ont étéétudiées : traitement de surface, nouvelles architecture de dispositifs. La compatibilité des procédés utilisésavec ceux de micro-électronique a aussi été vérifiée

Elaboration de micro-supercondensateurs à base d'électrodes en silicium nanostructuré (des nanomatériaux aux dispositifs)

Depuis les années 1990, l'électronique portable connait un véritable essor. De plus en pluscomplexes, ces appareils requièrent des besoins énergétiques croissants en termes de puissance,d'autonomie et de durée de vie. De nouveaux dispositifs de stockage pouvant être assemblés au plusproche du circuit micro-électronique et dans l'idéal directement sur la puce doivent donc être développés.Les micro-supercondensateurs représentent une solution prometteuse. Constitués principalementd électrodes en carbone ou oxydes métalliques, leur fabrication sur les puces de micro-électroniques restedifficile. Cette intégration serait facilitée avec des électrodes à base de silicium. L objectif de cette thèse estl'élaboration de micro-supercondensateurs constitués d électrodes en silicium nanostructuré. Leursperformances peuvent être améliorées en travaillant à la fois sur les électrodes et sur l électrolyte.L électrode doit être stable en présence de l électrolyte et avoir une grande surface développée.L électrolyte doit permettre d atteindre une tension élevée. Ce travail démontre que seules les électrodes ensilicium fortement dopées avec un traitement de surface adapté ont un comportement capacitif. La surfacedes électrodes est augmentée via la croissance de nanostructures par CVD catalysée par de l or. L étude del influence des paramètres de croissance sur la morphologie des nanostructures a permis d optimiser leprocédé pour obtenir des nano-arbres fortement dopés longs, denses, hyperbranchés et avec plusieursgénérations de branches ont pu être obtenus. L utilisation du chlorure d hydrogène permet de contrôlerprécisément le dopage des nanofils. Les paramètres clés des nanostructures pour obtenir de meilleurescapacités ont été identifiés : dopage, longueur, densité, branches. Les performances des microsupercondensateurs(Tension maximale, Energie, Puissance, Stabilité) avec des électrodes en siliciumnanostructurée ont été évaluées dans différents électrolytes. L utilisation de liquide ionique (EMI-TFSI)permet d augmenter la tension maximale et donc l énergie et la puissance. Des pistes d amélioration ont étéétudiées : traitement de surface, nouvelles architecture de dispositifs. La compatibilité des procédés utilisésavec ceux de micro-électronique a aussi été vérifiée.Since 1990, portable electronics is a thriving field. Devices gather more and more functions and thusrequire more and more efficient energy sources in terms of power, autonomy and lifespan. Such sourcesshould be fixed as close as possible from the micro-electronic circuit, ideally directly on chip. Microsupercapacitorsare a promising solution. Due to the electrodes materials (carbon or metallic oxide), theirfabrication directly on chip is still difficult. It should be easier with silicon based electrodes. The aim of thiswork is the elaboration of micro-supercapacitors with nanostructured silicon based electrodes. Theirperformances can be improved by working on the electrode and the electrolyte. The electrode must bestable in the electrolyte and have a high developed surface. The electrolyte must lead to high voltage. Thiswork demonstrates that only highly doped silicon electrodes with an adapted surface treatment have acapacitive behavior. The electrode surface can be increased via nanostructures growth of by gold-catalyzedCVD. Thanks to the study of the influence of growth parameters on the nanostructures morphology, theprocess has been optimized to get highly doped, dense, long and hyperbranched nano-trees with severalbranches generations. Their doping level is precisely monitored thanks to the use of HCl. Doping, length,density and branches are the key parameters to improve the electrode capacity. Micro-supercapacitorsperformances (maximum voltage, energy, power, stability) with such electrodes have been evaluated inseveral electrolytes. Higher voltage, and thus higher energy and power can be reached in ionic liquids.Several improvement trails are investigated: surface treatment, new device design. Our processcompatibility with micro-electronics one has been checked.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Micro-ultracapacitors with highly doped silicon nanowires electrodes

International audienceHighly n-doped silicon nanowires (SiNWs) with several lengths have been deposited via chemical vapor deposition on silicon substrate. These nanostructured silicon substrates have been used as electrodes to build symmetrical micro-ultracapacitors. These devices show a quasi-ideal capacitive behavior in organic electrolyte (1 M NEt4BF4 in propylene carbonate). Their capacitance increases with the length of SiNWs on the electrode and has been improved up to 10 μFcm−2 by using 20 μm SiNWs, i.e., ≈10-fold bulk silicon capacitance. This device exhibits promising galvanostatic charge/discharge cycling stability with a maximum power density of 1.4 mW cm−2