Une piézoélectricité géante avec des films ultraminces

Les matériaux piézoélectriques, transforment les déformations mécaniques en tension électrique, ou, inversement se déforment sous l’effet de l’électricité. Ils sont largement utilisés, autant dans la vie courante (allume-gaz, imprimante à jet d’encre, …) que dans le milieu scientifique et médical (échographie, capteurs de force, …). De nombreux efforts visent actuellement à développer des matériaux dont la ferroélectricité est plus intense afin de miniaturiser les dispositifs et d’étendre les champs d’application de cette propriété. Des physiciens français, espagnols et néozélandais viennent de faire un pas dans cette voie au sein du laboratoire européen associé « TALEM » (Transpyrenean Associated Laboratory for Electron Microscopy), qui lie le Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales de Toulouse (CEMES – CNRS) à l’Institut de Nanoscience d’Aragon de l’Université de Saragosse (Espagne), dans le cadre d’une collaboration plus vaste avec l’Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats de l’Université autonome de Barcelone et le Zernike Institute for Advanced Materials de l’université de Groningen (Pays-Bas). Ils ont réalisé et analysé des dépôts d’épaisseur nanométrique dont les propriétés sont contrôlées, notamment par les contraintes induites par la croissance. Ils ont ainsi montré que le comportement piézoélectrique est d’autant plus important que la couche est mince.

Pour mener à bien leurs travaux, les physiciens ont réalisé des films minces de PbTiO₃, d’une épaisseur d’environ 100 couches atomiques, déposés dans des conditions de croissance contrôlées. Ils ont ensuite analysé la structure de ces couches par microscopie électronique en transmission. Celles-ci s’organisent spontanément et forment à l’échelle nanométrique un réseau périodique de domaines ferroélastiques-ferroélectriques. Cette organisation permet de relâcher la contrainte mécanique due à la différence de taille entre les liaisons interatomiques du substrat et celles de la couche déposée. Toutefois les contraintes ne disparaissent pas, elles sont transférées dans la direction perpendiculaire à la couche et induisent alors un effet flexoélectrique, c’est-à-dire l’apparition d’une polarisation électrique due à un gradient de déformation au sein du matériau. Comme ce gradient, rapport entre la variation de contrainte et l’épaisseur sur laquelle elle se produit, est d’autant plus grand que la couche est mince, cet effet flexoélectique est maximal pour les couches les plus fines. Il résulte de ces effets l’apparition d’une piézoélectricité « de couche mince » qui peut être bien plus importante que pour les matériaux massifs. Ce mécanisme permettrait aussi d’induire de la piézoélectricité dans des matériaux a priori non piézoélectrique et ainsi d’envisager des alternatives sans plomb au piézoélectrique le plus rependu : le Titano-Zirconate de Plomb.

La réalisation de tels piézoélectriques, miniaturisés ouvre la porte à l’utilisation à grande échelle pour transformer en énergie électrique l’énergie mécanique « perdue », telles que les vibrations associées au fonctionnement de nombreux équipements, voitures, appareils de la maison, machine industrielle, etc.

Les résultats ont été publiés dans Nature Materials.

a) Image STEM- HAADF des domaines ferroélastiques - ferroélectriques avec un zoom révélant l’arrangement atomique des colonnes de Pb et TiO. La mesure du déplacement des colonnes de TiO permet la mesure locale de la polarisation électrique et donc de cartographier celle-ci. b) Cartographie de la déformation hors plan (couleur) et de la polarisation électrique (vecteur). Cette cartographie met en évidence la rotation de la polarisation (courbe) couplée au gradient de déformation.