Matériaux Piézoélectrique

Historique

En 1655, et avant la découverte du phénomène piézoélectrique, le premier composé ferroélectrique a été fabriqué par Elie Seignette dans une pharmacie : le sel de Rochelle (KNaC4H4O6 .4H2O) [1]. En 1756 le médecin physicien Aepinus (inventeur du condensateur électrique) a étudié les propriétés de la tourmaline connue pour ses capacités (lorsqu’elle est chauffée des charges électriques apparaissent sur la surface) [2] et il a pu mettre en évidence l’effet pyroélectrique [3]. Et c’est en 1824 que Sir David Brewster donne à cet effet son nom qu’on le connait aujourd’hui [4]. La piézoélectricité a été découverte par Jacques et Pierre Curie en 1880 [5]: apparition des charges électriques sous l’effet d’une contrainte appliquée. L’étude a été faite sur le quartz, la tourmaline, le topaze, le sel de Rochelle. Une année plus tard, Lippmann suggère l’existence de l’effet indirect: l’application d’un champ électrique dans un cristal provoque une déformation [6], et ce phénomène a été vérifié au cours de la même année par les frères Curie. Entre 1916 et 1917, la première application de la piézoélectricité, achevée par Paul Langevin, était l’émission et la détection sous-marine des ondes ultrasonores : le transducteur de Langevin. Pendant 20 ans, la découverte des propriétés piézoélectriques et des nouvelles applications a continué en utilisant des cristaux naturels (1920 – 1940). C’est en 1924, et au cours des études faites sur le sel de Rochelle, que Swann a découvert la ferroélectricité en mesurant la variation de la polarisation en fonction du champ électrique appliqué ; il a donc démontré pour la première fois la nature hystérétique de la polarisation [7]. Entre 1940 et 1965, la piézoélectricité passe de l’étude des cristaux naturels à la synthèse de nouveaux matériaux, et c’est en 1944 que Von Hippel a découvert, en étudiant les propriétés diélectriques le titanate de baryum (BaTiO3), que ce dernier a des propriétés ferroélectriques et piézoélectriques [8]. Le titanate de baryum a montré que l’apparition de la ferroélectricité n’est pas exclusive au matériau ayant des liaisons hydrogène. Généralités – Matériaux Piézoélectriques 10 La découverte en 1952 du Titano-Zirconate de Plomb (PZT) qui possède des propriétés électriques excellentes [9] a ouvert la porte à des nouvelles applications. Les dépôts de couches minces, beaucoup plus récents, ont amené à la miniaturisation des systèmes en microélectronique (MEMS) qui a développé des nouveaux axes de recherche : la piézoélectricité dans le monde de la micro-nanotechnologie. Des recherches des nouveaux matériaux sans plomb pour remplacer le PZT (et ses dérivés) ont commencé il y a un peu plus de dix ans. Des matériaux à base de Bismuth et de Potassium sont déjà connus depuis plus d’un demi-siècle [10] [11]. Mais les activités de recherche avant 1990 ont été destinées vers la recherche des matériaux piézoélectriques dont les propriétés sont meilleures que celles de PZT. Cependant, depuis les années 2000, la recherche est dirigée vers l’amélioration des propriétés des matériaux piézoélectriques écologiques (sans plomb) qui vont être capables à remplacer le PZT. I.2. Matériaux piézoélectriques Les paragraphes suivants présentent des définitions générales des effets piézoélectrique, pyroélectrique et ferroélectrique et une description des classifications cristallographiques, du domaine ferroélectrique, du cycle d’hystérésis et de la structure pérovskite. I.2.1. Définitions et propriétés • La piézoélectricité, représentée figure I.1, est la capacité de certains matériaux de générer une charge électrique en réponse aux contraintes mécaniques appliquées (effet direct) ou de générer une contrainte mécanique sous l’application d’un champ électrique (effet indirect). Figure I. 1 : Représentation de (a) l’effet direct et (b) l’effet inverse de la piézoélectricité.  • La pyroélectricité peut être expliquée par l’apparition des charges électriques en variant la température d’un cristal ; c’est le couplage des effets thermique et électrique. • La ferroélectricité, représentée figure I.2, est la propriété que possède certains cristaux de se polariser sous l’application d’un champ électrique extérieur. Figure I. 2:Schématisation du changement de polarisation sous l’effet de l’application d’un champ électrique.

La ferroélectricité 

Les classifications cristallographiques

Comme représenté sur la figure I.3, les classes cristallines sont groupées en fonction de leur symétrie : les cristaux Centro symétriques et les cristaux non-Centro symétriques. Figure I. 3 : classification des cristaux selon leurs symétries. Généralités – Matériaux Piézoélectriques 12 Parmi les 32 classes cristallines, 21 sont non-Centro symétriques : ne possèdent pas un centre de symétrie ce qui rend l’apparition de la polarisation possible (figure I.4). Vingt de ces classes sont piézoélectriques dont 10 possèdent des propriétés pyroélectriques. Enfin certains de ces cristaux pyroélectriques peuvent être ferroélectriques. Figure I. 4:Schéma représentant la relation entre l’apparition de la piézoélectricité et la symétrie des cristaux. b- Les domaines ferroélectriques La polarisation peut être expliquée par un petit déplacement des ions positifs dans une direction et des ions négatifs dans la direction opposée [12]. La région dans laquelle les axes de polarisations sont identiques est appelée « domaine ferroélectrique » [12]. La figure I.5 illustre 2 types de domaines : • Les domaines à 90°: domaines adjacents ayant leurs vecteurs de polarisation perpendiculaires. • Les domaines à 180° : domaines adjacents ayant leurs vecteurs de polarisation orientés antiparallèlement (en sens opposé).