Récemment, un matériau nanoporeux super-souche, la composition de titanate de baryum-calcium-zirconium (Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BCZT), a été créé, qui présente une réponse piézoélectrique extraordinaire (d33 ≈7500 pm V-1). Cette valeur représente un ordre de grandeur supérieur à celui des matériaux piézoélectriques traditionnels comme le titanate de zirconate de plomb (PZT).
Ce étudePublié dans Science chimiquemarque la première étude sur la dépendance à la contrainte des propriétés piézoélectriques au niveau nanométrique à l’aide du BCZT.
Le processus de synthèse simple associé à ses capacités piézoélectriques exceptionnelles permet au BCZT nanoporeux d’être un candidat très prometteur pour le développement d’un condensateur diélectrique et d’un générateur respectueux de l’environnement pour la récupération d’énergie à haute densité à l’avenir.
Les matériaux piézoélectriques, connus pour leur capacité unique à générer une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique ou à se déformer sous un champ électrique, sont largement utilisés dans les capteurs, les transducteurs, les sonars sous-marins et les petits appareils de diagnostic médical. Depuis plus d’un demi-siècle, les matériaux piézoélectriques conventionnels, hautement toxiques et à base de plomb, dominent le commerce.
« Notre objectif était d’inventer des matériaux piézoélectriques sans plomb offrant des performances comparables, voire supérieures, à celles des matériaux conventionnels. Ce n’est pas seulement notre objectif, mais un objectif commun aux chercheurs du monde entier », a déclaré Yukana Terasawa, professeur adjoint à la Faculté des sciences et technologies avancées. à l’Université de Kumamoto, l’un des principaux auteurs de cette étude.
L’une des caractéristiques les plus remarquables de ce nouveau matériau nanoporeux est sa structure ultra fine, avec une épaisseur inférieure à 30 nm. Cette caractéristique contribue de manière significative à sa piézoélectricité élevée. La constante de charge piézoélectrique (dij), en particulier la valeur d33 de BCZT, atteint la valeur impressionnante de 7 500 pm V-1.
Il s’agit d’une amélioration substantielle par rapport au PZT conventionnel à base de plomb, qui a une valeur d33 d’environ 650 pC V-1. Cela met en évidence le potentiel du BCZT en tant qu’alternative supérieure au PZT et le positionne comme le matériau ferroélectrique le plus performant des 50 dernières années.
Outre ses propriétés piézoélectriques remarquables, ce matériau bénéficie d’une approche de synthèse simple. Les méthodes traditionnelles de synthèse du titanate de baryum sans plomb (BaTiO3, BTO) impliquent des processus complexes de remixage, de recalcination ou de préparation en plusieurs étapes.
En revanche, le BCZT peut être synthétisé à l’aide d’une méthode de modélisation douce, une technique sol-gel qui utilise un copolymère dibloc comme agent dirigeant les pores. Cette approche innovante simplifie considérablement le processus de synthèse, le rendant plus accessible et efficace.
Cette avancée révolutionnaire ouvre non seulement la voie au remplacement des matériaux piézoélectriques conventionnels par des alternatives plus respectueuses de l’environnement, mais ouvre également de nouvelles possibilités de développement et d’application de dispositifs ferroélectriques pour la récupération d’énergie.
Grâce à leur grande efficacité en matière de récupération d’énergie, ces dispositifs innovants devraient à l’avenir devenir des rivaux des sources d’énergie traditionnelles comme le charbon et les hydrocarbures.
Plus d’information:
Motasim Billah et al, Piézoréponse géante dans un film mince nanoporeux (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3, Science chimique (2024). DOI : 10.1039/D3SC06712B