Les piézoélectriques sont des matériaux qui changent de forme lorsqu'un champ électrique est appliqué, avec un large éventail d'applications, notamment l'impression d'encre sur du papier et le déplacement précis de la pointe d'un microscope à effet tunnel. Actuellement, les piézoélectriques les plus efficaces sont ceux sous forme de monocristal, car ils ont une grande valeur d'électrodéformation (> 1 pour cent), qui est une marque de combien le matériau peut changer de forme lorsque le champ électrique est appliqué. Cependant, ils sont très chers et difficiles à fabriquer. piézoélectriques en céramique, composé de plusieurs petits cristaux, sont au moins cent fois moins chers et faciles à produire en série, mais ils ont généralement des valeurs d'électrodéformation très faibles.

Pour la première fois, des chercheurs de l'Institut indien des sciences (IISc) ont conçu un matériau céramique capable d'atteindre une valeur d'électrodéformation de 1,3 %, la plus élevée pour une céramique à ce jour et la plus proche du record établi par les monocristaux.

"Le processus de fabrication de la céramique est similaire à celui de la fabrication de briques, " dit Rajeev Ranjan, Professeur agrégé, Département de génie des matériaux, IISc, qui a dirigé l'étude. "Cela peut permettre à l'industrie des actionneurs et des transducteurs de choisir des matériaux beaucoup moins chers que les monocristaux pour les applications haut de gamme."

L'étude a été publiée dans Matériaux naturels .

Matériaux naturels tels que le quartz, lorsqu'il est coupé en monocristaux, peut se compresser ou se dilater automatiquement lorsque la tension est appliquée. Cependant, leur fabrication est coûteuse et compliquée. Depuis les années 1950, l'accent s'est déplacé vers des oxydes de métaux mixtes céramiques à base de ferroélectrique moins chers. Ces céramiques ne présentent pas de piézoélectricité sous leur forme préparée, mais peut être fait en appliquant une forte tension.

Lorsqu'un champ électrique est appliqué à un matériau piézoélectrique—cristal ou céramique—il développe une contrainte, une qualité qui est mesurée par combien sa longueur change en proportion de sa dimension d'origine. Plus la contrainte qui peut être induite dans le matériau est importante, le meilleur, en particulier pour des applications telles que la génération d'ultrasons dans les équipements d'imagerie médicale. La valeur la plus élevée de cette électrocontrainte obtenue à ce jour est de 1,7 pour cent dans des monocristaux d'un type spécial de matériaux à base de plomb appelés ferroélectriques relaxeurs. Jusque là, les chercheurs ont été incapables de concevoir des céramiques avec des valeurs d'électrodéformation similaires ou proches.

Un matériau céramique est généralement une masse assortie de minuscules, cristaux d'oxyde métallique orientés au hasard appelés grains. Lorsque la tension est appliquée, des régions locales appelées domaines au sein de chaque grain tentent de s'orienter dans la direction du champ appliqué, incitant le grain à changer de forme. La mesure dans laquelle un grain change de forme dépend d'une propriété inhérente appelée « déformation spontanée du réseau ». Plus cette souche spontanée est grande, plus le grain peut se déformer sous un champ électrique. L'électrodéformation observée dans un matériau piézoélectrique céramique représente la somme totale des allongements de tous les plusieurs milliers de grains.

Cependant, la plupart des céramiques piézoélectriques ont un inconvénient :lorsque la tension est coupée, les domaines restent bloqués dans leur nouvelle configuration, épinglé par des défauts de matière, et sont incapables de revenir à leur état d'origine. Cela signifie que lorsque la tension est appliquée pour la deuxième ou la troisième fois, l'électrosouche diminue drastiquement.

Par conséquent, un matériau piézocéramique idéal ne doit pas seulement avoir une grande déformation spontanée du réseau, mais aussi un mouvement réversible des domaines.

Pour développer un tel matériel, Ranjan et son équipe ont d'abord préparé une solution solide des composés BiFeO 3 et PbTiO 3 qui avait une grande contrainte de réseau spontanée. Parce que les domaines de ce matériau étaient immobiles, ils l'ont modifié chimiquement en ajoutant des quantités variables de l'élément lanthane pour faire bouger les domaines. A une certaine concentration critique de lanthane, les domaines ont pu revenir à leur état d'origine lorsque la tension a été coupée.

"Notre matière peut donc être assimilée à un caoutchouc qui peut s'allonger plusieurs fois à chaque étirement, " dit Ranjan.

A cette concentration de lanthane, le matériau a également montré une valeur d'électrodéformation de 1,3 pour cent, presque le double de la valeur la plus élevée signalée pour une céramique jusqu'à présent. La valeur est restée la même à chaque fois que la tension a été appliquée. A y regarder de plus près, le matériau a montré des propriétés à l'échelle nanométrique qui étaient similaires aux ferroélectriques relaxeurs haute performance.

"Notre démonstration que l'électrodéformation d'une si grande magnitude peut être réalisée même dans la céramique est susceptible de stimuler les scientifiques à rechercher davantage de nouveaux matériaux, " dit Ranjan.