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

Fourmont, Paul (2022). Development and applications of various BiFeO3 structures for fabrication of high-performing devices using industry-ready technologies. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Production of cleaner energy and the treatment of more and more toxic wastewater are probably the two main challenges humanity will face in the decades to come. Even though tremendous efforts are deployed to bring tangible answers to those problems, a lot of investigations are still needed to find optimal solutions. Among those, ceramic materials and more precisely oxide perovskite are of huge interest. Due to its singular crystalline structure, bismuth ferrite or BiFeO3 (BFO) is today one of the most studied oxide perovskites. In fact, BFO is a unique multiferroic material as it possesses both ferroelectric and ferromagnetic ordering within the same phase at room temperature. Some coupling effects between both orders have also been demonstrated and most of them are still under intense theoretical and experimental investigations. Despite such endeavors, commercial devices based on BFO are still scarce.

The framework of this doctoral thesis aims to contribute to the advancement of devices based on bismuth ferrite. In particular, this thesis focuses on the development of BFO nanofibers and powders to fabricate high-performing devices.

Following an extensive review of the literature about BFO, we first identify sun-based technologies such as photoelectrochemical water-splitting for production of cleaner energy and photocatalysis for better treatment of wastewater. Then, we fabricate devices using industry-ready technologies such as electrospinning and screen printing to facilitate the integration of BFO. As a result, we create various photocatalytic cells based on BFO nanofibers and particles involving smaller material quantities than previous literature reports. The fabrication methods also enable the syntheses of colloidal-free catalysts, which allow live and automated tracking of the pollutant concentration. This strategy holds great promises to bypass the need for catalyst collection of the treated leachate.

For the second part of this thesis, we work toward the integration BFO powder as a highperforming thermistor for the printed circuit board technology. Using screen printing as a deposition method, we report highly reproducible and sensitive thermistors. By mixing and adjusting the graphene quantity added to the BFO powder, we enable room-temperature assessment. We also achieve the highest sensitivity reported for graphene-based printed thermistors for such a large range of operating temperatures.

Overall, this thesis yields a favorable way to achieve high-performance devices based on various BFO structures using industry-ready technologies.

Titre traduit

Développements et applications de structures de BiFeO3 pour la fabrication de dispositifs hautes performances par l’intermédiaire de technologies compatibles avec l’industrie

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 159-194).
Mots-clés libres:	BiFeO3, réactions photoélectrochimiques, membranes non colloïdales, nanofibres, hétérojonctions, thermistances
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cloutier, Sylvain G.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 janv. 2023 19:45
Dernière modification:	30 janv. 2023 19:45
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3136

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