Une comparaison des matériaux ferroélectriques, dont certains présentent l'effet piézoélectrique longitudinal négatif. Les matériaux à ferroélectricité augmentée en pression sont soulignés. Crédit :Liu et al. ©2017 Société américaine de physique
(Phys.org)—L'effet piézoélectrique, qui provoque l'expansion d'un matériau dans la direction d'un champ électrique appliqué, est commun dans de nombreux matériaux et utilisé dans une variété de technologies, des ultrasons médicaux à l'électronique alimentée par vibration. Mais l'effet piézoélectrique négatif, dans lequel un matériau se contracte au lieu de se dilater dans la direction du champ électrique appliqué, a été considérée comme une anomalie rare et contre-intuitive, et a reçu peu d'attention.
Maintenant dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , les physiciens Shi Liu et R. E. Cohen du Carnegie Institute for Science à Washington, D.C., ont identifié 93 matériaux qui présentent l'effet piézoélectrique négatif, montrant qu'il est beaucoup plus commun qu'on ne le pensait auparavant. Ils ont également étudié les origines de l'effet piézoélectrique négatif, ce qui peut conduire au développement de nouveaux dispositifs piézoélectriques.
"L'effet piézoélectrique longitudinal négatif n'a pas été bien examiné dans le passé, " Cohen a dit Phys.org . "Notre article est le premier travail à mener une enquête systématique sur le mécanisme de l'effet piézoélectrique négatif. Profitant de la base de données de matériaux open source bien organisée hébergée par le Materials Project, nous sommes en mesure d'identifier rapidement près de 100 matériaux possédant cette réponse inhabituelle littéralement en quelques minutes. Ce travail met en évidence comment les calculs de mécanique quantique détaillés et l'informatique des matériaux peuvent fonctionner ensemble pour accélérer la découverte et la conception de matériaux. »
Comme l'ont expliqué les chercheurs, la piézoélectricité contient deux composants :une contribution d'ions bloqués, qui est purement électronique, et un apport de contrainte interne, qui résulte de relaxations atomiques microscopiques.
Dans la nouvelle étude, les physiciens ont découvert que la principale différence entre les matériaux piézoélectriques conventionnels et négatifs réside dans la contribution la plus importante. Dans les piézoélectriques conventionnels, la contribution de la contrainte interne domine, tandis que dans les piézoélectriques négatifs, la réponse des ions bloqués domine, indiquant la présence de fortes liaisons ioniques et de petites relaxations atomiques dans ces matériaux.
Les chercheurs ont ensuite effectué des recherches dans une base de données existante de près de 1 000 matériaux piézoélectriques et identifié 93 composés possédant une composante dominante d'ions bloqués, les marquant comme piézoélectriques négatifs.
Dans leur analyse, les physiciens ont également découvert une autre caractéristique inhabituelle des matériaux piézoélectriques négatifs, c'est-à-dire que la haute pression améliore leur ferroélectricité. C'est l'inverse de ce qui est observé dans les matériaux piézoélectriques classiques, où les hautes pressions provoquent une diminution de la ferroélectricité. Les chercheurs espèrent que cette ferroélectricité à pression accrue des matériaux piézoélectriques négatifs pourra conduire à la conception de nouveaux dispositifs.
"Ce travail illustre la puissance de la théorie et de l'informatique ensemble, et nous (et d'autres) pouvons utiliser cette approche pour trouver d'autres nouveaux types de matériaux intéressants, " dit Liu. " En ce qui concerne les piézoélectriques, nous espérons que ce travail inspirera des études expérimentales de l'effet piézoélectrique longitudinal négatif. Nos collègues ici travaillent à synthétiser certains des composés à réponse piézoélectrique négative que nous avons proposés dans l'article. Il sera également très intéressant d'étudier ce qui se passera si nous créons un système de matériaux composites avec des couches alternées de piézoélectriques conventionnels à réponse positive et ceux à réponse négative. Lorsque vous activez le champ électrique, certaines couches se dilateront alors que certaines couches se contracteront. Une telle concurrence peut donner lieu à une physique inhabituelle et potentiellement permettre de nouvelles applications. »
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