Allumer un gril à gaz, passer des ultrasons, utiliser une brosse à dents à ultrasons : ces actions impliquent l’utilisation de matériaux capables de traduire une tension électrique en un changement de forme et vice versa.
Connue sous le nom de piézoélectricité, la capacité d’échange entre contrainte mécanique et charge électrique peut être largement exploitée dans les condensateurs, les actionneurs, les transducteurs et les capteurs tels que les accéléromètres et les gyroscopes pour l’électronique de nouvelle génération. Cependant, l’intégration de ces matériaux dans des systèmes miniaturisés a été difficile en raison de la tendance des matériaux électromécaniquement actifs, à l’échelle submicrométrique, lorsque l’épaisseur n’est que de quelques millionièmes de pouce, à être « serrés » par le matériau auquel ils sont attachés. , ce qui réduit considérablement leurs performances.
Des chercheurs de l’Université Rice et des collaborateurs de l’Université de Californie à Berkeley ont découvert qu’une classe de matériaux électromécaniquement actifs appelés antiferroélectriques pourrait être la clé pour surmonter les limitations de performances dues au serrage dans les systèmes électromécaniques miniaturisés.
Une nouvelle étude publié dans Matériaux naturels rapporte qu’un système antiferroélectrique modèle, le zirconate de plomb (PbZrO3), produit une réponse électromécanique qui peut être jusqu’à cinq fois supérieure à celle des matériaux piézoélectriques conventionnels, même dans des films de seulement 100 nanomètres (ou 4 millionièmes de pouce) d’épaisseur.
« Nous utilisons des matériaux piézoélectriques depuis des décennies », a déclaré Lane Martin, scientifique en matériaux chez Rice, qui est l’auteur correspondant de l’étude. « Récemment, il y a eu une forte motivation pour intégrer davantage ces matériaux dans de nouveaux types d’appareils très petits, comme vous voudriez le faire, par exemple, pour une puce électronique insérée dans votre téléphone ou votre ordinateur. Le problème est que ces matériaux sont généralement juste moins utilisable à ces petites échelles.
Selon les normes industrielles actuelles, un matériau est considéré comme ayant de très bonnes performances électromécaniques s’il peut subir un changement de forme (ou de déformation) de 1 % en réponse à un champ électrique. Pour un objet mesurant 100 pouces de longueur, par exemple, obtenir 1 pouce de plus ou de moins représente 1 % de contrainte.
« Du point de vue de la science des matériaux, il s’agit d’une réponse significative, puisque la plupart des matériaux durs ne peuvent changer que d’une fraction de pour cent », a déclaré Martin, professeur Robert A. Welch, professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie et directeur du Rice Advanced. Institut des matériaux.
Lorsque les matériaux piézoélectriques conventionnels sont réduits à des systèmes de taille inférieure à un micromètre (1 000 nanomètres), leurs performances se détériorent généralement considérablement en raison de l’interférence du substrat, ce qui atténue leur capacité à changer de forme en réponse à un champ électrique ou, inversement, à générer une tension en réponse à un changement de forme.
Selon Martin, si les performances électromécaniques étaient évaluées sur une échelle de 1 à 10 (où 1 est la performance la plus basse et 10 est la norme industrielle de 1 % de déformation), alors le serrage devrait généralement faire baisser la réponse électromécanique des piézoélectriques conventionnels de 10 à 1 %. la plage 1-4.
« Pour comprendre l’impact du serrage sur le mouvement, imaginez d’abord que vous êtes assis sur un siège du milieu dans un avion sans personne de chaque côté de vous : vous seriez libre d’ajuster votre position si vous êtes mal à l’aise, surchauffez, etc. », a déclaré Martin. « Maintenant, imaginez le même scénario, sauf que vous êtes maintenant assis entre deux énormes joueurs de ligne offensive de l’équipe de football de Rice. Vous seriez ‘serré’ entre eux de telle sorte que vous ne pourriez vraiment pas ajuster votre position de manière significative en réponse à un stimulus. »
Les chercheurs voulaient comprendre comment des films très minces d’antiferroélectriques, une classe de matériaux restés peu étudiés jusqu’à récemment en raison du manque d’accès aux versions « modèles » des matériaux ainsi qu’à leur structure et leurs propriétés complexes, changeaient de forme en réponse à la tension. et s’ils étaient également susceptibles de se serrer.
Tout d’abord, ils ont développé des films minces du matériau antiferroélectrique modèle PbZrO3 en contrôlant très soigneusement l’épaisseur, la qualité et l’orientation du matériau. Ensuite, ils ont effectué une série de mesures électriques et électromécaniques pour quantifier les réponses des films minces à la tension électrique appliquée.
« Nous avons constaté que la réponse était considérablement plus importante dans les films minces de matériaux antiferroélectriques que celle obtenue dans des géométries similaires de matériaux traditionnels », a déclaré Hao Pan, chercheur postdoctoral au sein du groupe de recherche de Martin et auteur principal de l’étude.
Mesurer le changement de forme à de si petites échelles n’était pas une tâche facile. En fait, l’optimisation de la configuration de mesure a nécessité tellement de travail que les chercheurs ont documenté le processus dans un publication séparée.
« Avec une configuration de mesure perfectionnée, nous pouvons obtenir une résolution de deux picomètres, soit environ un millième de nanomètre », a déclaré Pan. « Mais le simple fait de montrer qu’un changement de forme s’est produit ne signifie pas que nous comprenons ce qui se passe, nous avons donc dû l’expliquer. Ce fut l’une des premières études à révéler les mécanismes à l’origine de cette haute performance. »
Avec le soutien de leurs collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology, les chercheurs ont utilisé un microscope électronique à transmission de pointe pour observer le changement de forme du matériau à l’échelle nanométrique avec une résolution atomique en temps réel.
« En d’autres termes, nous avons observé l’actionnement électromécanique au fur et à mesure qu’il se produisait, afin de pouvoir voir le mécanisme responsable des grands changements de forme », a déclaré Martin. « Ce que nous avons découvert, c’est qu’il y a un changement induit par la tension électrique dans la structure cristalline du matériau, qui est comme l’unité de construction fondamentale ou le type unique de bloc Lego à partir duquel le matériau est construit. Dans ce cas, ce bloc Lego est étiré de manière réversible avec une tension électrique appliquée, nous donnant une réponse électromécanique importante.
Étonnamment, les chercheurs ont découvert que non seulement le serrage n’interfère pas avec les performances du matériau, mais qu’il les améliore en fait. En collaboration avec des collaborateurs du Lawrence Berkeley National Laboratory et du Dartmouth College, ils ont recréé le matériau par ordinateur afin d’avoir une autre vision de la manière dont le serrage affecte l’actionnement sous tension électrique appliquée.
« Nos résultats sont l’aboutissement d’années de travail sur des matériaux connexes, y compris le développement de nouvelles techniques pour les sonder », a déclaré Martin. « En trouvant comment améliorer le fonctionnement de ces matériaux minces, nous espérons permettre le développement de dispositifs électromécaniques ou de systèmes microélectromécaniques (MEMS) plus petits et plus puissants – et même de systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) – qui consomment moins d’énergie et peuvent faire mieux. » des choses que nous n’aurions jamais cru possibles auparavant.
Plus d’information:
Hao Pan et al, Clamping permet des réponses électromécaniques améliorées dans les films minces antiferroélectriques, Matériaux naturels (2024). DOI : 10.1038/s41563-024-01907-y