Une équipe de chercheurs a observé et rapporté pour la première fois la microstructure unique d'un nouveau matériau ferroélectrique, permettant le développement de matériaux piézoélectriques sans plomb pour l'électronique, les capteurs et le stockage d'énergie qui sont plus sûrs pour l'usage humain. Ce travail a été dirigé par le groupe Alem de Penn State et en collaboration avec des équipes de recherche de l'Université Rutgers et de l'Université de Californie, Merced.

Les ferroélectriques sont une classe de matériaux qui présentent une polarisation électrique spontanée lorsqu'une charge électrique externe est appliquée. Cela provoque une polarisation électrique spontanée lorsque les charges positives et négatives des matériaux se dirigent vers des pôles différents. Ces matériaux ont également des propriétés piézoélectriques, ce qui signifie que le matériau génère une charge électrique sous une force mécanique appliquée.

Cela permet à ces matériaux de produire de l'électricité à partir d'énergie comme la chaleur, le mouvement ou même le bruit qui pourraient autrement être gaspillés. Par conséquent, ils présentent un potentiel d'alternatives à l'énergie à base de carbone, comme la récupération d'énergie à partir de la chaleur perdue. De plus, les matériaux ferroélectriques sont particulièrement utiles pour le stockage et la mémoire de données car ils peuvent rester dans un état polarisé sans alimentation supplémentaire, ce qui les rend attrayants pour le stockage de données et l'électronique économes en énergie. Ils sont également largement utilisés dans des applications bénéfiques telles que les commutateurs, les dispositifs médicaux importants tels que les moniteurs de fréquence cardiaque et les ultrasons, le stockage d'énergie et les actionneurs.

Cependant, les matériaux piézoélectriques les plus résistants contiennent du plomb, ce qui est un problème majeur étant donné que le plomb est toxique pour les humains et les animaux.

"Nous aimerions concevoir un matériau piézoélectrique qui ne présente pas les inconvénients des matériaux actuels", a déclaré Nasim Alem, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux de Penn State et auteur correspondant de l'étude. "Et à l'heure actuelle, le plomb dans tous ces matériaux est un gros inconvénient car le plomb est dangereux. Nous espérons que notre étude pourra aboutir à un candidat approprié pour un meilleur système piézoélectrique."

Pour développer une voie vers un tel matériau sans plomb avec de fortes propriétés piézoélectriques, l'équipe de recherche a travaillé avec du manganate de calcium, Ca₃ Mn₂ O₇ (OCM). Le CMO est un nouveau matériau hybride ferroélectrique impropre doté de propriétés intéressantes.

"Le principe de conception de ce matériau consiste à combiner le mouvement des petits octaèdres d'oxygène du matériau", a déclaré Leixin Miao, doctorant en science des matériaux et premier auteur de l'étude dans Nature Communications. . "Dans le matériau, il y a des octaèdres d'atomes d'oxygène qui peuvent s'incliner et tourner. Le terme 'ferroélectrique impropre hybride' signifie que nous combinons la rotation et l'inclinaison des octaèdres pour produire de la ferroélectricité. Il est considéré comme un 'hybride' parce que c'est le combinaison de deux mouvements des octaèdres générant cette polarisation pour la ferroélectricité. Il est considéré comme un ferroélectrique "inapproprié" puisque la polarisation est générée comme un effet secondaire."

Il existe également une caractéristique unique de la microstructure de CMO qui est un mystère pour les chercheurs.

« À température ambiante, certaines phases polaires et non polaires coexistent à température ambiante dans le cristal », a déclaré Miao. "Et on pense que ces phases coexistantes sont corrélées avec un comportement de dilatation thermique négatif. Il est bien connu que normalement, un matériau se dilate lorsqu'il est chauffé, mais celui-ci se contracte. C'est intéressant, mais nous en savons très peu sur la structure, comme comment les phases polaire et non polaire coexistent."

Pour mieux comprendre cela, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à transmission à l'échelle atomique.

"Pourquoi nous avons utilisé la microscopie électronique, c'est parce qu'avec la microscopie électronique, nous pouvons utiliser des sondes à l'échelle atomique pour voir l'arrangement atomique exact dans la structure", a déclaré Miao. "Et il était très surprenant d'observer les nanorégions polaires à double bicouche dans les cristaux de CMO. À notre connaissance, c'est la première fois qu'une telle microstructure était directement imagée dans les matériaux de pérovskite en couches."

Auparavant, on n'avait jamais observé ce qui arrivait à un matériau qui passe par une telle transition de phase ferroélectrique, selon les chercheurs. Mais avec la microscopie électronique, ils pouvaient surveiller le matériau et ce qui se passait pendant la transition de phase.

"Nous avons surveillé le matériau, ce qui se passe pendant la transition de phase, et avons pu sonder atome par atome quel type de liaison nous avons, quel type de distorsions structurelles nous avons dans le matériau et comment cela peut changer en fonction de température », a déclaré Alem. "Et cela explique en grande partie certaines des observations que les gens ont faites avec ce matériau. Par exemple, lorsqu'ils obtiennent le coefficient de dilatation thermique, personne ne sait vraiment d'où cela vient. Fondamentalement, cela descendait au niveau atomique. et comprendre la physique sous-jacente à l'échelle atomique, la chimie ainsi que la dynamique de la transition de phase, comment elle évolue."

Cela permettrait à son tour le développement de matériaux piézoélectriques puissants et sans plomb.

"Les scientifiques ont essayé de trouver de nouvelles voies pour découvrir des matériaux ferroélectriques sans plomb pour de nombreuses applications bénéfiques", a déclaré Miao. "L'existence des nanorégions polaires est considérée comme bénéfique pour les propriétés piézoélectriques, et maintenant nous avons montré que grâce à l'ingénierie des défauts, nous pourrions être en mesure de concevoir de nouveaux cristaux piézoélectriques puissants qui remplaceraient à terme tous les matériaux contenant du plomb pour les applications ultrasonores ou d'actionneurs."

Le travail de caractérisation qui a révélé ces processus inédits dans le matériau a été réalisé dans les installations du Materials Research Institute du Millennium Science Complex. Cela comprenait de multiples expériences de microscopes électroniques à transmission (TEM) qui permettaient de voir du jamais vu auparavant.

Un autre avantage de l'étude était le logiciel gratuit développé par l'équipe de recherche, EASY-STEM, qui permet un traitement plus facile des données d'image TEM. Cela pourrait potentiellement raccourcir le temps nécessaire pour faire avancer la recherche scientifique et la transformer en application pratique.

"Le logiciel dispose d'une interface utilisateur graphique qui permet aux utilisateurs de saisir avec des clics de souris, de sorte que les gens n'ont pas besoin d'être un expert en codage mais peuvent toujours générer une analyse étonnante", a déclaré Miao. + Explorer plus loin

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