Tous les matériaux ferroélectriques possèdent une propriété connue sous le nom de piézoélectricité dans laquelle une force mécanique appliquée peut générer un courant électrique et un champ électrique appliqué peut provoquer une réponse mécanique. Les matériaux ferroélectriques sont utilisés dans une grande variété d'applications industrielles, des ultrasons et sonar aux condensateurs, transducteurs, capteurs de vibrations et caméras infrarouges ultrasensibles. Maintenant, une équipe internationale de scientifiques dirigée par Penn State a peut-être résolu l'énigme vieille de 30 ans expliquant pourquoi certains cristaux ferroélectriques présentent des réponses piézoélectriques extrêmement fortes.

En 1997, un cristal de solution solide relaxant-ferroélectrique avec la réponse piézoélectrique connue la plus élevée a été rapporté à Penn State par Thomas R. Shrout, actuellement scientifique principal et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State, et le parc Seung-Eek. Il a une réponse piézoélectrique cinq à dix fois plus élevée que tout autre matériau ferroélectrique connu.

"Il y a eu un certain nombre de mécanismes proposés pour expliquer ses réponses piézoélectriques ultra-élevées, mais aucun d'entre eux n'offre une explication satisfaisante pour toutes les observations et mesures expérimentales associées à la réponse élevée. Sans une solide compréhension du mécanisme sous-jacent, il serait difficile de concevoir de nouveaux matériaux avec une réponse piézoélectrique encore plus élevée, " dit Fei Li, chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux à Penn State et auteur principal d'un article récent dans la revue Communication Nature tenter d'expliquer le phénomène.

Cependant, la communauté scientifique est parvenue à un consensus général selon lequel ce qu'on appelle les nanorégions polaires a contribué à la réponse piézo élevée des cristaux relaxeurs, dit Li.

Une nanorégion polaire est une région spatiale dans un cristal. Il a une taille nanométrique (5-10 nm) et possède une polarisation électrique nette. Il existe de nombreuses régions aussi minuscules réparties de manière aléatoire dans l'espace dans un cristal relaxeur. D'autres matériaux piézoélectriques bien connus, comme le titanate de zirconate de plomb (PZT), n'ont pas de nanorégions polaires, mais ont plutôt des domaines ferroélectriques beaucoup plus grands dans lesquels la polarisation est uniforme. L'équipe a entrepris de prouver que les nanorégions polaires étaient en effet responsables des énormes réponses, et plus important, pour déterminer le mécanisme par lequel ils contribuent à générer de telles réponses énormes.

Les expériences ont été réalisées à des températures cryogéniques ultra basses (50-150 K). Cela a permis aux chercheurs de séparer les réponses des nanorégions polaires, qui restent actifs dans cette plage de température, de ces réponses piézoélectriques élevées qui se produisent généralement près d'une transition de phase ferroélectrique.

"Nous avons observé expérimentalement une amélioration significative de la réponse piézoélectrique des cristaux relaxeurs-ferroélectriques dans la plage de température de 50 à 150 K. Cette amélioration représente 50 à 80 % de la piézoélectricité à température ambiante, " a déclaré Shujun Zhang, auteur principal et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State (actuellement à l'Université de Wollongong).

"Nous avons attribué l'amélioration observée expérimentalement à l'existence des nanorégions polaires. En utilisant la modélisation du champ de phase, nous avons d'abord prouvé que cette amélioration significative provenait des nanorégions polaires, c'est à dire., le rehaussement est absent sans la présence de ces nanorégions polaires, puis démontré comment les nanorégions polaires contribuent à générer des réponses ultra-élevées, " dit Long-Qing Chen, un auteur principal et professeur Donald Hamer de science et d'ingénierie des matériaux, État de Penn. « Notre mécanisme proposé est capable d'expliquer avec succès toutes les mesures expérimentales et les observations associées aux réponses élevées. Ce travail est une étape importante dans la réalisation du rêve de découvrir de nouveaux matériaux piézoélectriques par conception.

Une note de prudence

"Toutefois, il est à noter que notre modèle proposé est un modèle à mésoéchelle, qui est une échelle intermédiaire. L'origine atomistique des PNR reste une question ouverte, des recherches plus approfondies sont donc encore nécessaires pour clarifier la contribution des nanorégions polaires à l'échelle atomique. Et en fait, nos travaux en cours sont axés sur la compréhension des mécanismes à l'échelle atomique des nanorégions polaires dans les réponses piézoélectriques, " dit Chen.