Les matériaux ferroélectriques sont utilisés dans les caméras infrarouges, les ultrasons médicaux, les mémoires informatiques et les actionneurs qui transforment les propriétés électriques en propriétés mécaniques et vice versa. La plupart de ces matériaux essentiels contiennent cependant du plomb et peuvent donc être toxiques.
« Depuis 10 ans, il y a eu une énorme initiative partout dans le monde pour trouver des matériaux ferroélectriques ne contenant pas de plomb », a déclaré Laurent Bellaiche, professeur émérite de physique à l'Université de l'Arkansas.
Les atomes d’un matériau ferroélectrique peuvent avoir plusieurs structures cristallines. Le point de rencontre de deux structures cristallines s’appelle une limite de phase, et les propriétés qui rendent les matériaux ferroélectriques utiles sont les plus fortes à ces limites.
À l’aide de processus chimiques, les scientifiques ont manipulé les limites de phase des matériaux ferroélectriques à base de plomb pour créer des dispositifs plus performants et plus petits. Le réglage chimique des limites de phase d’un matériau ferroélectrique sans plomb s’avère toutefois difficile.
De nouvelles recherches menées par une équipe comprenant Bellaiche et ses collègues physiciens de l'Université de l'Alberta, Kinnary Patel et Sergey Prosandeev, ont trouvé un moyen d'améliorer les ferroélectriques sans plomb en utilisant une contrainte ou une force mécanique plutôt qu'un processus chimique. Cette découverte pourrait produire des composants ferroélectriques sans plomb, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour les dispositifs et les capteurs qui pourraient être implantés chez l'homme.
« Il s'agit d'une découverte majeure », a déclaré Bellaiche.
Les résultats ont été publiés dans la revue Communications naturelles. Ruijuan Xu, de l'Université d'État de Caroline du Nord, était l'enquêteur principal.
Que sont les ferroélectriques ?
Les matériaux ferroélectriques, découverts pour la première fois en 1920, possèdent une polarisation électrique naturelle qui peut être inversée par un champ électrique. Cette polarisation reste inversée même une fois le champ électrique supprimé.
Les matériaux sont diélectriques, ce qui signifie qu'ils peuvent être polarisés par l'application d'un champ électrique. Cela les rend très efficaces dans les condensateurs.
Les ferroélectriques sont également piézoélectriques, ce qui signifie qu'ils peuvent générer des propriétés électriques en réponse à l'énergie mécanique, et vice versa. Cette qualité peut être utilisée dans les sonars, les capteurs d’incendie, les minuscules haut-parleurs d’un téléphone portable ou les actionneurs qui forment avec précision des lettres dans une imprimante à jet d’encre.
Toutes ces propriétés peuvent être améliorées en manipulant la limite de phase des matériaux ferroélectriques.
« Dans un ferroélectrique à base de plomb, tel que le titanate de zirconate de plomb, on peut ajuster chimiquement les compositions pour qu'elles atterrissent directement sur la phase », a déclaré Patel.
Cependant, les ferroélectriques sans plomb contiennent des métaux alcalins très volatils, qui peuvent se transformer en gaz et s'évaporer lorsqu'ils sont réglés chimiquement.
Une nouvelle approche
Les chercheurs ont plutôt créé un film mince de niobate de sodium, un matériau ferroélectrique sans plomb (NaNbO3). Le matériau est connu pour avoir une structure cristalline fondamentale complexe à température ambiante. Il est également flexible. Les scientifiques savent depuis longtemps que la modification de la température du niobate de sodium peut produire plusieurs phases ou différents agencements d'atomes.
Au lieu d’un processus chimique ou d’une manipulation de la température, les chercheurs ont modifié la structure des atomes du niobate de sodium par déformation.
Ils ont fait pousser une fine pellicule de niobate de sodium sur un substrat. La structure des atomes du niobate de sodium se contracte et se dilate à mesure qu'ils tentent de correspondre à la structure des atomes du substrat. Le processus crée une pression sur le niobate de sodium.
« Ce qui est assez remarquable avec le niobate de sodium, c'est que si vous modifiez un peu la longueur, les phases changent beaucoup », a déclaré Bellaiche.
À la surprise des chercheurs, la souche a amené le niobate de sodium à avoir trois phases différentes à la fois, ce qui optimise les propriétés ferroélectriques utiles du matériau en créant davantage de limites.
« Ce à quoi je m'attendais, pour être honnête, c'est que si nous changeons de souche, cela passera d'une phase à une autre. Mais pas trois en même temps », a déclaré Bellaiche. « C'était une découverte importante. »
Les expériences ont été menées à température ambiante. La prochaine étape consistera à voir si le niobate de sodium réagit de la même manière à la déformation à des températures extrêmes allant de moins 270 °C à 1 000 °C au-dessus.
Les autres auteurs de l'article, « Limite de phase morphotrope sans plomb induite par la contrainte », comprennent des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord, de l'Université Cornell, de l'Université Drexel, de l'Université Stanford, de l'Université d'État de Pennsylvanie, du Laboratoire national d'Argonne et du Laboratoire national d'Oak Ridge.
