Development and applications of various BiFeO3 structures for fabrication of high-performing devices using industry-ready technologies

Résumé

La production d’énergies plus propres ainsi que le traitement des eaux usées de plus en plus toxiques sont probablement les deux plus grands défis auxquels l’humanité devra faire face dans les prochaines décennies. Bien qu’énormément d’efforts sont déployés pour apporter des réponses concrètes à ces problèmes, de nombreuses recherches sont encore nécessaires pour trouver des solutions optimales. Parmi ces potentielles solutions, les matériaux céramiques et plus particulièrement les oxydes de pérovskite sont d’un grand intérêt. En raison de sa structure cristalline singulière, la ferrite de bismuth ou le BiFeO3 (BFO) fait aujourd’hui partie des oxydes de pérovskite les plus étudiés. En effet, le BFO est un matériau multiferroïque unique, car il possède un ordre ferroélectrique et un ordre ferromagnétique au sein de la même phase à température ambiante. Quelques effets de couplage entre ces deux ordres ont aussi été démontrés et la plupart font encore l’objet de recherches intenses aussi bien fondamentales que théoriques. Malgré ces études, les dispositifs commercialisés à base de BFO sont toujours rares. Le cadre de travail de cette thèse de doctorat vise à contribuer à l’avancement de dispositifs basés sur la ferrite de bismuth. En particulier, cette thèse se concentre sur le développement de dispositifs de hautes performances fabriqués à partir de nanofibres et de poudres de BFO. Suite à une revue de littérature approfondie du BFO, nous avons premièrement identifié les technologies basées sur l’énergie solaire telles que les réactions photoélectrochimiques pour le craquage de l’eau afin de produire de l’énergie plus propre et la photocatalyse pour un meilleur traitement des eaux usées. Ensuite, nous avons fabriqué des dispositifs en utilisant des méthodes de fabrication compatibles avec l’industrie telles que l’électrofilage ou la sérigraphie pour faciliter l’intégration du BFO. Par la suite, nous avons créé différentes cellules photocatalytiques basées sur des nanofibres et des poudres de BFO utilisant des quantités de matériaux moindres que précédemment rapportées dans la littérature. Ces méthodes de fabrication rendent également possible la synthèse de catalyseurs non colloïdaux permettant un suivi en temps réel et automatique de la concentration de polluants. Cette stratégie est prometteuse, car elle permet de se passer de l’étape de récupération du catalyseur après traitement du lixiviat. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons travaillé sur l’intégration de poudres de BFO sur des cartes de circuits imprimés pour fabriquer des capteurs de température performants. Grâce à l’utilisation de la sérigraphie comme méthode de déposition, nous présentons des capteurs de température hautement reproductibles et sensibles. En mélangeant et en ajustant la quantité de graphène ajoutée aux poudres de BFO, nous rendons possible des mesures à température ambiante. Nous obtenons aussi la plus haute sensibilité reportée pour des capteurs de température imprimés à base de graphène pour une aussi large gamme de fonctionnement. Dans l’ensemble, cette thèse met en avant des techniques prometteuses pour réaliser des dispositifs performants à base de diverses structures de BFO utilisant des technologies compatibles avec l’industrie.

Date	5 déc. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Sylvain G. Cloutier (Directeur(-trice))