Une avancée dans la technologie de fabrication a considérablement amélioré la qualité des matériaux et les performances des films minces d'un matériau « piézoélectrique » sans plomb. Ce développement par les chercheurs d'A*STAR promet de débloquer une alternative sans plomb à la norme plomb-zircon-titanate (PZT).

Les piézoélectriques sont des matériaux remarquables qui se déforment lors de l'application d'un champ électrique et, inversement, produire un courant électrique lorsqu'il est comprimé. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications électroniques, y compris en tant qu'actionneurs électromécaniques et en tant que capteurs de contrainte et d'accélération. Des couches minces de matériaux piézoélectriques sont également intégrées dans des circuits et dispositifs de systèmes microélectromécaniques (MEMS).

Depuis des décennies, Le PZT était le matériau piézoélectrique de choix, car il offrait le degré de déformation ou de sensibilité nécessaire pour des applications pratiques. Cependant, Le PZT contient 60 % de plomb, un métal toxique, qui bien qu'autrefois couramment utilisé en électronique, a été banni.

Un matériau alternatif, qui est basé sur une composition potassium-sodium-niobate et est connu sous le nom de KNN, est utilisé en remplacement du PZT dans de nombreuses applications en vrac. Pourtant, les films minces de KNN sont problématiques car ils sont soumis à une rupture du contrôle de la composition et de l'ordre atomique nécessaire pour produire l'effet piézoélectrique.

Maintenant, Kui Yao et ses collègues de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR, en collaboration avec des chercheurs de l'Université nationale de Singapour, ont montré qu'une méthode de fabrication basée sur une solution utilisant un cocktail minutieusement formulé d'agents chimiques peut produire des films minces de KNN avec une performance piézoélectrique comparable à celle du PZT.

"Il a été difficile d'obtenir d'excellentes propriétés piézoélectriques dans les films minces à base de KNN car les conditions de phase nécessaires à l'effet piézoélectrique dépendent très sensiblement de la composition, " explique Yao. " Dans KNN, il a été difficile de supprimer la perte d'éléments volatils nécessaires à ces conditions."

Yao et son équipe ont surmonté ce problème en ajoutant un mélange d'agents stabilisants chimiques, affinés au cours de plus de dix ans de recherche, à la solution précurseur utilisée pour préparer les films minces KNN. Les interactions entre les ions alcalins volatils en solution et l'agent stabilisant ont supprimé la volatilisation, permettant de bien contrôler les compositions des films résultants.

"Avec la composition du film sous contrôle, nous avons pu étudier les transitions de phase dans le matériau et leur dépendance à la composition chimique et aux contraintes dans les couches minces à base de KNN, " dit Yao.

Grâce à des mesures laser combinées à une analyse théorique à partir de simulations de premiers principes, l'équipe a confirmé que les performances de leurs films piézoélectriques en font une alternative viable sans plomb au PZT.