Le développement d'une base théorique pour la piézoélectricité ultra-élevée dans les matériaux ferroélectriques a conduit à un nouveau matériau avec une réponse piézoélectrique deux fois plus élevée que n'importe quelle céramique ferroélectrique commerciale existante, selon une équipe internationale de chercheurs de Penn State, Chine et Australie.

La piézoélectricité est la propriété matérielle au cœur des ultrasons médicaux, sonar, contrôle actif des vibrations et de nombreux capteurs et actionneurs. Un matériau piézoélectrique a la capacité de se déformer mécaniquement lorsqu'une tension électrique est appliquée ou de générer une charge électrique lorsqu'une force mécanique est appliquée.

Ajout de petites quantités d'un matériau de terres rares soigneusement sélectionné, samarium, à une céramique piézoélectrique haute performance appelée niobate de plomb et niobate de plomb (PMN-PT) augmente considérablement ses performances piézo, les chercheurs rapportent dans Matériaux naturels cette semaine. Cette stratégie de matériaux par conception sera également utile dans la conception de matériaux pour d'autres applications, croit l'équipe.

"Ce n'est pas la manière habituelle de développer de nouveaux matériaux, " a déclaré l'auteur co-correspondant de l'équipe, Long-Qing Chen, Professeur Donald W. Hamer de science et génie des matériaux, professeur de mathématiques, et professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique, État de Penn. "La majorité des matériaux utiles existants sont découverts par des expériences d'essais et d'erreurs. Mais ici, nous avons conçu et synthétisé une nouvelle céramique piézoélectrique guidée par la théorie et les simulations."

L'équipe a d'abord analysé l'impact de l'ajout de divers dopants chimiques sur la structure locale d'une céramique ferroélectrique existante. Ils ont ensuite pu réduire le pool de dopants efficaces en comparant les pertes diélectriques mesurées avec les signatures obtenues à partir de simulations de champ de phase. Après le dépistage des dopants, ils se sont ensuite concentrés sur l'optimisation du processus et de la composition pour obtenir une piézoélectricité ultra-élevée.

"Ce travail est basé sur une compréhension de l'origine de la piézoélectricité ultra-élevée dans les cristaux ferroélectriques qui ont été développés il y a 30 ans. Notre nouvelle compréhension a suggéré que l'hétérogénéité de la structure locale joue un rôle important dans la piézoélectricité dans les ferroélectriques, qui peut aussi être étendu à d'autres fonctionnalités, " a déclaré l'auteur co-correspondant Shujun Zhang, un professeur de science des matériaux anciennement à Penn State et maintenant à l'Université de Wollongong en Australie.

L'hétérogénéité de la structure locale fait référence à des distorsions structurelles à l'échelle nanométrique au sein d'un matériau hôte créées en dopant une petite quantité d'espèces chimiques, en l'occurrence dopage du samarium dans les céramiques PMN-PT, comme moyen de modifier le paysage énergétique thermodynamique du matériau, ce qui à son tour augmente les propriétés diélectriques - la capacité d'un matériau à répondre à un champ électrostatique - et l'effet piézoélectrique.

"Ce matériau est un bon choix à utiliser dans les transducteurs, tels que ceux utilisés en échographie médicale, " a déclaré l'auteur principal Fei Li, un associé de recherche à Penn State. "Nous avons déjà des appareils fabriqués à partir de notre matériau par un groupe de l'Université de Californie du Sud."

Cet appareil, appelé transducteur à aiguille, utilise un élément piézoélectrique submillimétrique du matériau Penn State, monté dans une aiguille ou un cathéter standard, afin d'effectuer des procédures mini-invasives, pour imager l'intérieur du corps ou pour guider une chirurgie de précision à l'intérieur du corps. L'appareil a de meilleures performances que les appareils existants avec les mêmes dimensions, dit Li.

Penn State a déposé un brevet provisoire sur le matériau.