journal article·2022Open access

Electromechanical conversion efficiency of GaN NWs: critical influence of the NW stiffness, the Schottky nano-contact and the surface charge effects

Noelle Gogneau, Pascal Chrétien, Tanbir Sodhi, Laurent Couraud, Laetitia Leroy, Laurent Travers, Jean-Chistophe Harmand, François H. Julien, Maria Tchernycheva, Frédéric Houzé

Nanoscale· Volume 14· Issue 13

Abstract

The piezoelectric nanowires (NWs) are considered as promising nanomaterials to develop high-efficient piezoelectric generators. Establishing the relationship between their characteristics and their piezoelectric conversion properties is now essential to further improve the devices. However, due to their nanoscale dimensions, the NWs are characterized by new properties that are challenging to investigate. Here, we use an advanced nano-characterization tool derived from AFM to quantify the piezo-conversion properties of NWs axially compressed with a well-controlled applied force. This unique technique allows to establish the direct relation between the output signal generation and the NW stiffness and to quantify the electromechanical coupling coefficient of GaN NWs, which can reach up to 43.4%. We highlight that this coefficient is affected by the formation of the Schottky nano-contact harvesting the piezo-generated energy, and is extremely sensitive to the surface charge effects, strongly pronounced in sub-100 nm wide GaN NWs. These results constitute a new building block in the improvement of NW-based nanogenerator devices.
Source: openalex_inverted_index · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials · GaN-based semiconductor devices and materials · Thermal properties of materials

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Centre de Nanosciences et Nanotechnologies, Université Paris-Saclay, CNRS, UMR9001, Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau, France

Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, Sorbonne Université, CNRS, Laboratoire de Génie électrique et électronique de Paris, 11 rue Joliot-Curie, 91190 Gif sur Yvette, France

Funding

Agence Nationale de la Recherche

References (65)

Show source-provided references
1. Tomioka · Nature · 2012 · 488 · 18910.1038/nature11293 ↗
2. Gazibegovic · Nature · 2017 · 548 · 43410.1038/nature23468 ↗
3. Wang · Science · 2001 · 24 · 145510.1126/science.1062340 ↗
4. Karimi · Nano Lett. · 2018 · 18 · 36510.1021/acs.nanolett.7b04217 ↗
5. Xu · Sci. Rep. · 2015 · 5 · 1050710.1038/srep10507 ↗
6. Chen · ACS Nano · 2017 · 11 · 450710.1021/acsnano.6b08027 ↗
7. Kacimi · Nanomaterials · 2018 · 8 · 42610.3390/nano8060426 ↗
8. Zhang · Nanomaterials · 2021 · 11 · 171210.3390/nano11071712 ↗
9. Geng · Nanotechnology · 2021 · 17 · 32
10. Duan · Sensors · 2020 · 20 · 282010.3390/s20102820 ↗
11. Xu · Nat. Nanotechnol. · 2010 · 5 · 36610.1038/nnano.2010.46 ↗
12. Liu · Nanoscale · 2016 · 8 · 209710.1039/C5NR06841J ↗
13. Shin · Energy Environ. Sci. · 2015 · 8 · 319810.1039/C5EE02611C ↗
14. Ani Melfa Roji · RSC Adv. · 2017 · 7 · 3364210.1039/C7RA05256A ↗
15. Cao · Adv. Funct. Mater. · 2021 · 31 · 210298310.1002/adfm.202102983 ↗
16. Minary-Jolandan · Nano Lett. · 2012 · 12 · 97010.1021/nl204043y ↗
17. Zhao · Nano Lett. · 2004 · 4 · 58710.1021/nl035198a ↗
18. Agrawal · Nano Lett. · 2011 · 11 · 78610.1021/nl104004d ↗
19. Chen · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 95 · 14312310.1063/1.3213556 ↗
20. Calarco · J. Mater. Res. · 2011 · 26 · 215710.1557/jmr.2011.211 ↗
21. Jamond · Nanoscale · 2017 · 9 · 461010.1039/C7NR00647K ↗
22. Sharma · RSC Adv. · 2016 · 6 · 625110.1039/C5RA25671B ↗
23. Wang · Science · 2006 · 312 · 24210.1126/science.1124005 ↗
24. Lin · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92 · 02210510.1063/1.2831901 ↗
25. Zhou · ACS Nano · 2012 · 6 · 647810.1021/nn3022074 ↗
26. Chen · Nano Energy · 2012 · 1 · 42410.1016/j.nanoen.2012.01.003 ↗
27. Gogneau · Phys. Status Solidi RRL · 2014 · 8 · 41410.1002/pssr.201409105 ↗
28. Li · Nano Energy · 2016 · 20 · 19410.1016/j.nanoen.2015.12.018 ↗
29. Zheng · Nano Lett. · 2016 · 16 · 178710.1021/acs.nanolett.5b04842 ↗
30. Yang · Adv. Mater. · 2012 · 24 · 467610.1002/adma.201104420 ↗
31. Wang · Nano Lett. · 2007 · 7 · 296610.1021/nl070814e ↗
32. Tao · Adv. Electron. Mater. · 2018 · 4 · 170029910.1002/aelm.201700299 ↗
33. Kang · Nano Energy · 2015 · 17 · 26110.1016/j.nanoen.2015.09.004 ↗
34. Alekseev · Phys. Status Solidi RRL · 2017 · 12 · 170035810.1002/pssr.201700358 ↗
35. Gao · Adv. Mater. · 2007 · 19 · 6710.1002/adma.200601162 ↗
36. Lu · Nano Lett. · 2009 · 9 · 122310.1021/nl900115y ↗
37. T. K.Sodhi , P.Chretien , F.Houzé , N.Gogneau , et al. To be submitted
38. Van de Walle · J. Appl. Phys. · 2007 · 101 · 08170410.1063/1.2722731 ↗
39. Jacopin · Appl. Phys. Lett. · 2014 · 104 · 02311610.1063/1.4860968 ↗
40. Liu · Nano Lett. · 2008 · 8 · 32810.1021/nl0728470 ↗
41. Gogneau · Semicond. Sci. Technol. · 2016 · 31 · 10300210.1088/0268-1242/31/10/103002 ↗
42. Xu · Nanotechnology · 2011 · 22 · 10570410.1088/0957-4484/22/10/105704 ↗
43. Vecchiola · Appl. Phys. Lett. · 2016 · 108 · 24310110.1063/1.4953870 ↗
44. Pérez-García · Nano Lett. · 2007 · 7 · 150510.1021/nl070238m ↗
45. Jamond · Nanotechnology · 2016 · 27 · 32540310.1088/0957-4484/27/32/325403 ↗
46. Gao · Nano Lett. · 2007 · 7 · 249910.1021/nl071310j ↗
47. Wang · Phys. E · 2008 · 40 · 56110.1016/j.physe.2007.08.040 ↗
48. Hsu · AIMS Mater. Sci. · 2019 · 6 · 37710.3934/matersci.2019.3.377 ↗
49. Wang · Nat. Mater. · 2015 · 14 · 59410.1038/nmat4228 ↗
50. Park · J. Mech. Phys. Solids · 2006 · 54 · 186210.1016/j.jmps.2006.03.006 ↗
51. Tang · Comput. Mater. Sci. · 2012 · 51 · 11710.1016/j.commatsci.2011.07.037 ↗
52. Lee · Nanoscale Res. Lett. · 2011 · 6 · 35210.1186/1556-276X-6-352 ↗
53. Gogneau · Appl. Phys. Lett. · 2014 · 104 · 21310510.1063/1.4880101 ↗
54. Lu · ACS Nano · 2009 · 3 · 35710.1021/nn800804r ↗
55. Lin · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92 · 02210510.1063/1.2831901 ↗
56. Zhou · ACS Nano · 2012 · 6 · 647810.1021/nn3022074 ↗
57. Hou · Nano Energy · 2013 · 2 · 38710.1016/j.nanoen.2012.11.004 ↗
58. Smit · Appl. Phys. Lett. · 2002 · 81 · 385210.1063/1.1521251 ↗
59. Smit · Appl. Phys. Lett. · 2002 · 80 · 256810.1063/1.1467980 ↗
60. Polenta · ACS Nano · 2008 · 2 · 28710.1021/nn700386w ↗
61. Brubaker · J. Appl. Phys. · 2011 · 110 · 05350610.1063/1.3633522 ↗
62. Songmuang · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 91 · 25190210.1063/1.2817941 ↗
63. Bertness · J. Cryst. Growth · 2007 · 300 · 9410.1016/j.jcrysgro.2006.10.209 ↗
64. Largeau · Nanotechnology · 2008 · 19 · 15570410.1088/0957-4484/19/15/155704 ↗
65. Largeau · Cryst. Growth Des. · 2012 · 12 · 272410.1021/cg300212d ↗