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Jul 15, 2023

Performances piézoélectriques ultra-élevées démontrées dans les matériaux céramiques

18 mai 2022 par Jamie

18 mai 2022

par Jamie Oberdick, Université d'État de Pennsylvanie

La capacité des matériaux piézoélectriques à convertir l'énergie mécanique en énergie électrique et vice versa les rend utiles pour diverses applications allant de la robotique à la communication en passant par les capteurs. Une nouvelle stratégie de conception pour créer des céramiques piézoélectriques ultra-performantes ouvre la porte à des utilisations encore plus bénéfiques pour ces matériaux, selon une équipe de chercheurs de Penn State et de la Michigan Technological University.

"Pendant longtemps, les céramiques polycristallines piézoélectriques ont montré une réponse piézoélectrique limitée par rapport aux monocristaux", a déclaré Shashank Priya, vice-président associé pour la recherche et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State et co-auteur de l'étude publiée dans le revue Sciences avancées. "Il existe de nombreux mécanismes qui limitent l'ampleur de la piézoélectricité dans les matériaux céramiques polycristallins. Dans cet article, nous démontrons un nouveau mécanisme qui nous permet d'améliorer l'amplitude du coefficient piézoélectrique plusieurs fois plus élevé que ce qui est normalement attendu pour une céramique."

Le coefficient piézoélectrique, qui décrit le niveau de réponse piézoélectrique d'un matériau, est mesuré en picocoulombs par Newton.

"Nous avons atteint près de 2 000 picocoulombs par Newton, ce qui est une avancée significative, car dans les céramiques polycristallines, cette magnitude a toujours été limitée à environ 1 000 picocoulombs par Newton", a déclaré Priya. "2 000 étaient considérés comme une cible inaccessible dans la communauté de la céramique, donc atteindre ce nombre est très spectaculaire."

Le chemin vers la découverte du nouveau mécanisme a commencé par une question : quels facteurs contrôlent l'amplitude de la constante piézoélectrique ? La constante piézoélectrique est la charge générée par une unité de force appliquée, le picocoulomb par Newton, qui à son tour dépend des effets se produisant à l'échelle atomique à méso.

"Nous nous sommes demandé quels sont les effets de base, presque à l'échelle atomique, des paramètres fondamentaux qui limitent ou contrôlent la réponse ?" dit Priya. "En utilisant le modèle multi-échelle développé à Michigan Tech, qui est une combinaison de différentes techniques de modélisation pour combler l'échelle de longueur, nous avons mené une enquête très détaillée sur deux phénomènes."

L'un était l'hétérogénéité chimique, qui décrit comment les atomes de différents éléments d'un matériau sont distribués à l'échelle nanométrique. Ceci est important car les différentes positions atomiques et les sites qu'elles occupent sont essentiels à la réponse piézoélectrique. La seconde est l'anisotropie, l'influence de l'orientation cristallographique. Ceci est important car les propriétés piézoélectriques d'un matériau sont plus élevées le long d'une certaine direction cristallographique.

"Imaginez que le matériau est comme un cube - un cube a des axes différents, une diagonale de face et une diagonale de corps, et donc la réponse piézoélectrique change dans toutes ces différentes directions", a déclaré Yu U. Wang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux, Michigan Technical. Université, dit. "Et ainsi, nous montrons qu'en alignant tous les grains d'un matériau céramique le long de certains axes cristallographiques, nous pouvons obtenir une réponse piézoélectrique très élevée. Nous avons créé une très grande hétérogénéité locale et une très grande orientation des grains dans le matériau céramique, et la combinaison de ces deux paramètres de contrôle de base a conduit à une réponse piézoélectrique élevée dans la céramique."

Les chercheurs ont découvert que si vous ajoutez une petite quantité d'europium, élément de terre rare, à la céramique, l'europium occupera le coin du réseau cubique. Cela crée l'hétérogénéité chimique dans le matériau qui est nécessaire pour une réponse piézoélectrique élevée. Les chercheurs ont pu amplifier encore la réponse en orientant 99% des grains de cristal.

La combinaison de ces deux effets n'a jamais été explorée auparavant, selon Yongke Yan, professeur de recherche agrégé en science et ingénierie des matériaux et auteur principal de cette étude.

"Je pense que ce mécanisme que nous avons pu identifier conduit non seulement à une amélioration, mais conduit à une amélioration spectaculaire, et le rapproche de la valeur idéale, ce qui est beaucoup plus élevé que ce à quoi de nombreuses personnes s'attendraient", a déclaré Yan.

Pour collecter les données nécessaires pour prouver leur concept, Priya et son équipe ont travaillé avec Dabin Lin, ancien chercheur invité au Penn State's Materials Research Institute (MRI) et actuellement chargé de cours en génie photoélectrique à l'Université technologique de Xi'an en Chine, et Ke Wang, scientifique du personnel de l'IRM au sein du laboratoire de caractérisation des matériaux de l'IRM. Cela comprenait la collecte de données au microscope électronique à transmission en balayant les matériaux céramiques, qu'ils ont combinés avec des techniques de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS). L'EDS peut déterminer quels éléments chimiques sont présents et permet aux chercheurs de "voir" au niveau de l'atome unique que l'europium est présent dans la céramique d'une manière qui lui donne l'hétérogénéité nécessaire à une réponse piézoélectrique élevée.

Ces découvertes ont le potentiel de conduire à des matériaux piézoélectriques améliorés et même nouveaux, avec une variété de nouvelles applications d'actionneurs et de transducteurs. Cela pourrait signifier une meilleure robotique, des capteurs, des transformateurs, des moteurs à ultrasons et des technologies médicales. De plus, étant donné que les céramiques piézoélectriques ultra-élevées de l'étude peuvent être traitées à l'aide de procédés de fabrication multicouches traditionnels, les matériaux seraient rentables et évolutifs.

"Les gens bénéficient de l'électronique, et ils sont présents dans tant de choses, telles que les robots, les microscopes, les systèmes de transport, tout appareil personnel avec un écran tel qu'un téléphone, les appareils médicaux tels que l'imagerie corporelle ou les outils de numérisation, et même les choses utilisées dans l'exploration spatiale comme des robots qui pourraient opérer à l'extérieur d'un vaisseau spatial", a déclaré Priya. "Toutes ces choses peuvent être améliorées avec des céramiques piézoélectriques ultra-élevées."

Plus d'information: Yongke Yan et al, Performances piézoélectriques ultra-élevées grâce à l'ingénierie compositionnelle et microstructurale synergique, Advanced Science (2022). DOI : 10.1002/advs.202105715

Informations sur la revue :Sciences avancées

Fourni par l'Université d'État de Pennsylvanie