Hétérostrain

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5086 (2022) Citer cet article

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Les matériaux piézoélectriques fournissent des contraintes élevées et des forces motrices importantes dans les actionneurs et peuvent transformer l'énergie électrique en énergie mécanique. Bien qu’ils aient été découverts il y a plus de 100 ans, les scientifiques sont toujours à la recherche d’alternatives piézoélectriques sans plomb pour réduire leur impact environnemental. Le développement de matériaux piézoélectriques à haute contrainte constitue un défi à long terme, particulièrement difficile pour la conception de matériaux piézoélectriques polycristallins à haute contrainte ne contenant aucun élément de plomb toxique. Dans ce travail, nous rapportons une stratégie visant à améliorer l'électrodéformation via la conception d'une «hétérostraine» via l'ingénierie des défauts à l'échelle atomique et l'ingénierie du domaine à méso-échelle. Nous obtenons une électrocontrainte ultra élevée de 2,3 % à haute température (220 °C) dans les céramiques polycristallines sans plomb, supérieure à tous les matériaux piézoélectriques de pointe, y compris les céramiques et les monocristaux sans plomb et à base de plomb. Nous démontrons des solutions pratiques pour obtenir une électrodéformation élevée dans un piézoélectrique environnemental à faible coût pour diverses applications.

Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux universels et importants pour diverses applications, telles que les actionneurs et les capteurs. Les piézoélectriques subissent des contraintes en réponse à la stimulation par un champ électrique et fonctionnent de manière réactive et contrôlée. Comparés à d'autres classes de matériaux qui se déforment sous l'action d'une stimulation physique externe, par exemple les alliages à mémoire de forme1, les matériaux électrorhéologiques2,3 et les matériaux magnétostrictifs4, les actionneurs piézoélectriques présentent l'avantage d'une réponse rapide, de bonnes caractéristiques de fréquence et d'une résistance aux interférences électromagnétiques. L'électrodéformation de référence de 1,7 % a été rapportée dans des monocristaux de Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PZN-PT)5. Cependant, la croissance de monocristaux de haute qualité présente de nombreux inconvénients, tels qu'un coût élevé, un contrôle complexe et délicat des paramètres expérimentaux et des environnements difficiles, qui excluent leurs applications pratiques6. Contrairement au monocristal, le développement d’un piézoélectrique polycristallin non texturé consomme moins d’argent, prend moins de temps et consomme moins d’énergie, offrant ainsi une solution pratique pour les applications à grande échelle. Malheureusement, l’électrodéformation des piézocéramiques polycristallines est bien inférieure à celle des monocristaux. Par exemple, l’électrodéformation maximale signalée dans la piézocéramique polycristalline sans plomb est inférieure à 0,7 %7, tandis que l’électrodéformation maximale signalée dans la piézocéramique polycristalline à base de plomb est de 1,3 %8. De plus, l'élément plomb est restreint par la directive sur la restriction des substances dangereuses (RoHS) et la directive sur les déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) en raison de sa toxicité et de ses dommages à l'environnement. Même si l'interdiction du plomb dans les produits électroniques commerciaux est progressivement mise en œuvre, les matériaux piézoélectriques à base de plomb occupent toujours une position irremplaçable dans certaines technologies très sophistiquées et dans l'aérospatiale. Par conséquent, obtenir une électrocontrainte plus importante dans les matériaux piézoélectriques, en particulier dans les matériaux sans plomb, est une exigence cruciale pour l’application d’actionnement. De plus, au cours des dernières décennies, peu de progrès ont été réalisés dans l’obtention d’électrodéformations importantes à haute température (supérieures à 200 °C). Par exemple, l’électrodéformation maximale à haute température est inférieure à 0,6 %7.

En principe, une électrodéformation importante peut être obtenue grâce à une ingénierie multi-échelle de la relation composition-structure-propriété. La contribution de l'électrodéformation est divisée en deux parties : les contributions intrinsèques et les contributions extrinsèques. Les contributions intrinsèques proviennent d'effets piézoélectriques et électrostrictifs. Les contributions extrinsèques proviennent de la commutation de domaines non à 180 ° et des changements de volume produits par le changement de phase non ferroélectrique à ferroélectrique9. Généralement, la construction d'une limite de phase morphotrope (MPB) peut produire un couplage de différentes directions de polarisation dans différentes phases et ainsi améliorer considérablement la réponse piézoélectrique d33 aux petits signaux. Cependant, un MPB ne montre normalement pas de commutation inverse importante des domaines ferroélectriques ni d'amélioration de la déformation électrolytique. L'introduction de défauts peut fournir une force de restauration pour la commutation réversible dans des domaines non-180° et présenter une énorme déformation récupérable de 0,75 %10, mais la formation de défauts dépend du processus de vieillissement. La stabilité des défauts devient le point clé pour influencer la stabilité de la déformation, en particulier sous les champs électriques et thermiques, ce qui pourrait contrôler de manière irréversible la concentration de lacunes en oxygène11. La construction de transitions de phase réversibles induites par un champ électrique par dopage ionique peut augmenter la symétrie cristalline7,12,13. Wu et al.14 ont combiné les transitions de phase induites par le champ et les défauts de points chargés pour améliorer l'électrodéformation. Mais la symétrie des phases ferroélectriques a été améliorée et la stabilité en température de l'électrodéformation a été limitée en dessous d'une faible température de transition ferroélectrique-relaxeur (~ 127 ° C). Ainsi, à des températures plus élevées (~ 200 °C), la symétrie accrue de la phase ferroélectrique entrave la transition de phase induite par un champ électrique. Ainsi, avec l’augmentation de la température, la contrainte électrique diminue, ce qui signifie que l’actionnement à haute température est pire15,16. Par conséquent, pour surmonter ce problème et améliorer l'électrodéformation, le critère de conception doit être d'améliorer la contribution de la commutation de domaine réversible tout en conservant une faible symétrie cristalline, permettant ainsi un couplage amélioré des polarisations à longue et courte portée. Dans ce travail, nous rapportons une stratégie visant à améliorer l'électrodéformation via la conception d'une «hétérostraine» via l'ingénierie des défauts à l'échelle atomique et l'ingénierie du domaine à méso-échelle. Nous obtenons une électrocontrainte ultra élevée de 2,3 % à haute température (220 °C) dans les céramiques polycristallines sans plomb, supérieure à tous les matériaux piézoélectriques de pointe, y compris les céramiques polycristallines sans plomb et à base de plomb. La forte hybridation atomique, le grand déplacement ionique, la rotation dans le plan des octaèdres d'oxygène et les changements de niveau d'énergie induits par les lacunes et les champs électriques, améliorent la stabilité de la structure désordonnée et donnent naissance à des domaines hétérogènes, élucidant ainsi le mécanisme de l'amélioration importante de électrocontrainte. Nous démontrons des solutions pratiques pour obtenir une électrodéformation élevée dans un piézoélectrique environnemental à faible coût pour diverses applications.