Valeurs D33 dans les cristaux piézoélectriques : Implications pour les applications pratiques
1 Introduction
Les matériauxpiézoélectriques peuvent générer un champ électrique lorsqu'ils sont déformés par une force externe, et la déformation se produit lorsque le champ électrique est appliqué, ce qui réalise la conversion mutuelle de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique dans le processus, et a donc un large éventail d'applications dans l'équipement électronique et les domaines optoélectroniques. Pour les matériaux piézoélectriques, la constante piézoélectrique est l'expression de performance la plus courante et la plus intuitive, qui reflète le matériau pour la contrainte mécanique ou le champ électrique et la direction du champ électrique généré ou la déformation de la taille de la relation. L'une des valeurs de caractérisation les plus couramment utilisées est la valeur d33, qui sera examinée dans cet article du point de vue de sa relation avec les propriétés et les applications de divers cristaux piézoélectriques.
Fig. 1 Cristaux et plaquettes de quartz
2 Aperçu de l'effet piézoélectrique
2.1 Cristaux piézoélectriques et effet piézoélectrique
Les cristaux piézoélectriques sont des matériaux cristallins qui ont un effet piézoélectrique. L'effet piézoélectrique est un phénomène physique qui se produit lorsque certains matériaux sont déformés par des forces externes, ce qui produit une séparation des charges à l'intérieur du matériau, générant ainsi un champ électrique aux deux extrémités du matériau. Inversement, lorsqu'un champ électrique est appliqué à ces matériaux, ceux-ci subissent une déformation mécanique. L'effet piézoélectrique se retrouve principalement dans certains cristaux sans structure centrosymétrique, tels que le titanate de baryum (BaTiO3), le titanate de zirconate de plomb (PZT) et le quartz (SiO2).
2.2 Constantes piézoélectriques
Les constantes piézoélectriques sont un ensemble de paramètres qui caractérisent la capacité d'un matériau piézoélectrique à convertir un moteur sous l'effet d'une contrainte mécanique et d'un champ électrique. Ce sont les coefficients clés qui relient les quantités électriques et mécaniques, reflétant spécifiquement la déformation mécanique d'un matériau ou la distribution des charges sous l'effet d'un champ électrique appliqué ou d'une contrainte mécanique. Ces constantes sont généralement désignées par dij, gij, eij, etc., dij étant la plus courante.
1. Constante dij (constante de déformation) : utilisée pour décrire la relation entre la déformation produite par le matériau sous l'action d'un champ électrique appliqué et l'intensité du champ électrique. I et j représentent la direction du champ électrique appliqué et la direction de la déformation produite.
2. La constante gij (constante de contrainte) décrit la relation entre le champ électrique généré par le matériau soumis à une contrainte mécanique et la contrainte. I et j représentent respectivement la direction de la contrainte mécanique appliquée et la direction du champ électrique généré.
3. La constante eij (constante de charge) décrit la relation entre la densité de charge générée par le matériau piézoélectrique soumis à une contrainte mécanique et la contrainte. I et j représentent respectivement la direction de la contrainte appliquée et la direction de la charge générée.
2.3 Constante D33
La valeur de d33 représente la proportionnalité entre la déformation produite par le matériau dans la direction de polarisation (généralement la direction 3) et l'intensité du champ électrique appliqué lorsque le champ électrique est appliqué au matériau dans cette direction. Une valeur d33 élevée signifie que le matériau peut générer une déformation mécanique plus importante lorsqu'un champ électrique est appliqué, ou un champ électrique plus fort lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée. Cela indique que le matériau est efficace dans la conversion du moteur et peut convertir l'énergie électrique en énergie mécanique ou l'énergie mécanique en énergie électrique de manière plus efficace.
L'ampleur de la valeur d33 a un impact direct sur les performances du matériau piézoélectrique et, par conséquent, sur l'efficacité du matériau piézoélectrique dans les applications. Dans les capteurs piézoélectriques, plus la valeur d33 est élevée, plus la sensibilité et la réactivité du matériau sont importantes, car le capteur reçu par une contrainte mécanique ou une pression externe peut produire un signal électrique plus évident. Dans les actionneurs piézoélectriques, les matériaux présentant des valeurs d33 élevées peuvent générer des contraintes ou des déplacements plus importants lorsqu'un champ électrique est appliqué, ce qui les rend adaptés aux applications qui nécessitent un contrôle plus précis et une puissance de sortie élevée. Dans les capteurs d'énergie piézoélectriques, les matériaux présentant des valeurs d33 élevées peuvent convertir plus efficacement l'énergie mécanique de l'environnement en énergie électrique, améliorant ainsi l'efficacité de l'utilisation de l'énergie.
3 Facteurs influençant les valeurs D33
3.1 Structure cristalline
La symétrie et les constantes de réseau du cristal ont une influence importante sur la valeur d33. Les cristaux à faible symétrie (par exemple, monoclinique ou triclinique) ont généralement des coefficients piézoélectriques plus élevés parce qu'ils permettent une plus grande distorsion du réseau. Des constantes de réseau plus importantes tendent à impliquer un espace déformable plus grand, ce qui peut améliorer les propriétés piézoélectriques.
Fig. 2 Les cristaux piézoélectriques ont une symétrie plus faible
3.2 Composition des matériaux
Le dopage de différents éléments dans les matériaux piézoélectriques peut affecter de manière significative la valeur d33. Par exemple, dans le PZT, les propriétés piézoélectriques peuvent être optimisées en ajustant le rapport entre le titane et le zirconium. En outre, le rapport stœchiométrique du matériau influe sur la valeur d33. Tout écart par rapport au rapport stœchiométrique idéal peut entraîner des défauts cristallins, ce qui affecte les propriétés piézoélectriques.
3.3 Traitement
La température et le temps de frittage des matériaux céramiques piézoélectriques affectent leur microstructure et la taille des grains, qui à leur tour affectent la valeur d33. Des conditions de frittage appropriées permettent d'optimiser la taille des grains et de réduire les défauts des joints de grains. Le traitement de polarisation est une étape clé pour améliorer les propriétés piézoélectriques. En appliquant un champ électrique à des températures élevées, les dipôles à l'intérieur du matériau sont orientés dans la même direction, ce qui améliore la valeur d33.
3.4 Microstructure
La taille des grains a un effet significatif sur la valeur d33. En général, une taille de grain intermédiaire (de l'ordre du micron) est favorable à l'amélioration des propriétés piézoélectriques, tandis qu'une taille de grain trop grande ou trop petite entraîne une diminution des valeurs d33. Les défauts des joints de grains affectent les propriétés piézoélectriques, et la réduction de ces défauts permet d'améliorer les valeurs d33. La concentration de contraintes et l'accumulation de charges aux joints de grains réduisent les propriétés piézoélectriques.
3.5 Conditions externes
La température a un effet significatif sur la valeur d33. La plupart des matériaux piézoélectriques présentent des propriétés piézoélectriques optimales près de la température de Curie, mais la valeur d33 diminue à une température trop élevée ou trop basse. Les contraintes et déformations mécaniques externes peuvent également affecter les valeurs d33. Dans certains matériaux, une précontrainte appropriée peut améliorer les propriétés piézoélectriques, mais une contrainte trop forte peut entraîner une fissuration ou une dégradation du matériau.
3.6 Ferroélectricité des matériaux
La structure des domaines ferroélectriques d'un matériau piézoélectrique a un effet direct sur la valeur d33. Un mouvement plus important des parois du domaine améliore la réponse piézoélectrique du matériau. La relation entre la direction de polarisation et la direction de contrainte du matériau affecte également la valeur d33, et la meilleure réponse piézoélectrique est généralement obtenue lorsque la direction de polarisation est la même que la direction de contrainte.
Fig. 3 Schéma de l'arrangement du dipôle électrique et des courbes de réponse de l'électrodéposition dans les transitions de phase ferroélectriques
3.7 Champ électrique et fréquence
L'intensité et la direction du champ électrique appliqué ont un effet significatif sur la valeur d33. Un champ électrique approprié peut améliorer la réponse piézoélectrique d'un matériau. La fréquence du champ électrique appliqué affecte également la valeur d33, certains matériaux présentant des propriétés piézoélectriques améliorées par résonance à des fréquences spécifiques.
4 Propriétés et applications des matériaux piézoélectriques courants
4.1 Le quartz
Lequartz (SiO2) est un matériau piézoélectrique naturel largement utilisé dans divers dispositifs électroniques et optiques. Il s'agit d'un système cristallin hexagonal à haute symétrie, et ses propriétés piézoélectriques dépendent de l'orientation du cristal et de la direction de la contrainte. Le quartz présente généralement des valeurs d33 de l'ordre de 2 à 3 pC/N, ce qui est relativement faible. Malgré la valeur relativement faible de la constante piézoélectrique d33 du quartz, ses propriétés physiques uniques et son excellente stabilité le rendent irremplaçable dans certains domaines.
Le quartz présente une excellente stabilité physique et chimique et est capable de conserver des propriétés piézoélectriques stables dans diverses conditions environnementales. En outre, le facteur de haute qualité du quartz le rend supérieur à d'autres matériaux dans les oscillateurs et les résonateurs, offrant une stabilité de fréquence plus élevée et une perte d'énergie plus faible. Le coefficient de basse température du quartz garantit la stabilité de la fréquence sur une large gamme de températures, ce qui constitue un avantage important pour les applications de haute précision. Ces propriétés font que le quartz est largement utilisé, même si sa valeur d33 est relativement faible.
Les cristaux de quartz sont largement utilisés dans les oscillateurs et les résonateurs des appareils électroniques pour fournir des références de fréquence stables. Le facteur de haute qualité et le coefficient de basse température du quartz garantissent la stabilité de la fréquence et une faible perte sur de longues périodes. Le quartz est également utilisé dans les capteurs piézoélectriques pour mesurer la force, la pression et l'accélération. Les capteurs à quartz se distinguent par leur précision et leur stabilité à long terme, ce qui les rend adaptés aux mesures de haute précision et à la surveillance à long terme. Le quartz est également utilisé dans les modulateurs optiques et les dispositifs de communication par fibre optique. La grande transparence et la faible absorption du quartz lui confèrent d'importantes applications dans le domaine de l'optique, en particulier dans les communications par laser et par fibre optique.
Fig. 4 Anneaux de plaquettes de quartz
4.2 Titanate de baryum
Letitanate de baryum (BaTiO3) est un matériau céramique piézoélectrique courant qui a suscité beaucoup d'intérêt dans de nombreuses applications en raison de ses excellentes propriétés piézoélectriques et de ses valeurs d33 élevées. Le titanate de baryum a une structure de chalcogénure (ABO3), et cette structure présente une bonne piézoélectricité et ferroélectricité dans une plage de température spécifique. La valeur d33 du titanate de baryum est généralement de l'ordre de 100 à 200 pC/N. Il s'agit d'une valeur relativement élevée. Il s'agit d'une valeur relativement élevée. Cette valeur relativement élevée indique que le titanate de baryum est capable de produire une déformation mécanique significative lorsqu'un champ électrique est appliqué.
Le titanate de baryum ayant une valeur d33 élevée peut améliorer de manière significative l'efficacité de conversion du moteur du matériau. Le titanate de baryum présente une ferroélectricité dans une plage de température spécifique, ce qui lui permet de conserver des propriétés piézoélectriques stables sur une large plage de température. Les matériaux à base de titanate de baryum présentent une excellente stabilité chimique et une grande résistance mécanique, ce qui leur permet d'être utilisés pendant de longues périodes dans des environnements difficiles. Les matériaux céramiques à base de titanate de baryum sont faciles à traiter et à mouler, conviennent à la production de masse et sont largement utilisés dans les domaines industriels.
En raison de sa valeur d33 élevée et de ses excellentes propriétés piézoélectriques, le titanate de baryum est largement utilisé dans divers domaines. Le titanate de baryum est utilisé pour fabriquer des capteurs de pression, des capteurs d'accélération et des capteurs de vibration. La valeur d33 élevée du titanate de baryum permet à ces capteurs de détecter les contraintes mécaniques et les vibrations de manière sensible, fournissant ainsi des mesures sensibles et à haute résolution. Le titanate de baryum est également utilisé pour fabriquer des actionneurs de précision, tels que des actionneurs de microdéplacement et des transducteurs à ultrasons, capables de générer de grandes déformations mécaniques lorsqu'un champ électrique est appliqué, ce qui permet un contrôle précis et une puissance de sortie élevée. Les caractéristiques du titanate de baryum font qu'il est largement utilisé dans les capteurs d'énergie pour convertir l'énergie mécanique (par exemple, les vibrations, la pression) de l'environnement en énergie électrique. L'amélioration de l'efficacité de la conversion de l'énergie permet aux capteurs d'énergie de collecter et de stocker l'énergie plus efficacement pour les appareils auto-alimentés et les vêtements. Une constante diélectrique élevée et de bonnes propriétés piézoélectriques permettent aux condensateurs au titanate de baryum d'exceller dans les applications à haute fréquence et à haute tension, offrant une densité d'énergie et une stabilité élevées.
4.3 Titanate de zirconate de plomb (PZT)
LePZT a un fort effet piézoélectrique, qui produit une séparation significative des charges sous contrainte mécanique, créant un champ électrique ; inversement, il induit une déformation mécanique significative sous l'effet d'un champ électrique appliqué. Le PZT a une structure de chalcogénure (ABO3) et ses propriétés piézoélectriques et ferroélectriques peuvent être ajustées en faisant varier le rapport entre Zr et Ti.
Les valeursd33 du PZT sont généralement comprises entre 200 et 600 pC/N, ce qui fait du PZT l'un des matériaux aux propriétés piézoélectriques élevées. Les valeurs d33 élevées impliquent que le PZT est capable de générer une déformation mécanique significative lorsqu'un champ électrique est appliqué dans sa direction de polarisation (généralement la direction 3). Cela indique que le PZT est très efficace pour la conversion des moteurs. La valeur d33 plus élevée du PZT a considérablement amélioré l'efficacité de conversion du moteur du matériau, ce qui lui permet d'exceller dans les applications piézoélectriques de haute performance. En ajustant le rapport zirconium/titane, les propriétés piézoélectriques et ferroélectriques du PZT peuvent être optimisées pour différentes applications. Les matériaux PZT présentent une excellente stabilité chimique et une grande résistance mécanique et peuvent être utilisés dans des environnements difficiles pendant de longues périodes. Les céramiques PZT sont faciles à traiter et à mouler, ce qui les rend adaptées à la production à grande échelle et largement utilisées dans les applications industrielles.
Fig. 5 Feuille de céramique de titanate de zirconate de plomb
4.4 Oxyde de zinc (ZnO)
L'oxyde de zinc (ZnO) est un matériau semi-conducteur doté d'excellentes propriétés piézoélectriques, et sa valeur d33 est généralement comprise entre 5 et 12 pC/N. Bien que le ZnO ait une valeur d33 plus élevée que le ZnO, il a une valeur d33 plus faible que le ZnO. Bien que la valeur d33 de ZnO soit relativement faible par rapport aux matériaux piézoélectriques conventionnels tels que le titanate de zirconate de plomb (PZT) et le titanate de baryum (BaTiO3), ses propriétés uniques le rendent prometteur pour une large gamme d'applications dans de nombreux domaines. L'oxyde de zinc a une structure de zincite hexagonale fibrillaire, une structure qui lui confère d'excellentes propriétés piézoélectriques et des coefficients de couplage électromécanique élevés. L'oxyde de zinc est capable de générer une déformation mécanique significative lorsqu'un champ électrique est appliqué dans la direction de sa polarisation (généralement dans la direction de l'axe c), ce qui n'est pas aussi fort que certaines céramiques piézoélectriques de haute performance, mais suffisant pour certaines applications spécifiques.
Les propriétés piézoélectriques de l'oxyde de zinc en font un excellent matériau pour des applications telles que les nanogénérateurs, les capteurs piézoélectriques et les dispositifs à ondes acoustiques de surface. Dans les nanogénérateurs, les réseaux de nanofils de ZnO peuvent convertir efficacement l'énergie mécanique (par exemple, la vibration et la compression) en énergie électrique et, malgré leurs faibles valeurs d33, les efficacités de récolte d'énergie peuvent être améliorées de manière significative grâce à l'optimisation de la nanostructure et à la conception des réseaux. Dans les capteurs piézoélectriques, la sensibilité élevée et la bonne réponse en fréquence de l'oxyde de zinc lui permettent de détecter les petites contraintes mécaniques et les changements de pression. En outre, l'oxyde de zinc est largement utilisé dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface, où ses excellentes propriétés piézoélectriques et semi-conductrices permettent un traitement performant des signaux d'ondes acoustiques.
Les atouts de l'oxyde de zinc sont également sa bonne stabilité chimique et sa biocompatibilité, ce qui lui confère un grand potentiel dans le domaine biomédical. Par exemple, les capteurs à nanofils d'oxyde de zinc peuvent être utilisés pour la détection biomoléculaire et les études de mécanique cellulaire, en combinant leurs propriétés piézoélectriques et les caractéristiques des semi-conducteurs pour permettre une détection très sensible et sélective. Les applications de l'oxyde de zinc se développent également dans les domaines de la détection environnementale et de la collecte d'énergie. Malgré sa valeur d33 relativement faible, la polyvalence et l'accordabilité de l'oxyde de zinc en font un matériau piézoélectrique précieux pour toute une série d'applications.
Fig. 6 Cristal semi-conducteur d'oxyde de zinc
4.5 Niobate de lithium (LiNbO₃)
Leniobate de lithium (LiNbO3) est un matériau ferroélectrique doté d'importantes propriétés piézoélectriques, avec des valeurs d33 généralement comprises entre 6 et 20 pC/N. Bien que les valeurs d33 du LiNbO3 ne soient pas aussi élevées que celles de certaines céramiques piézoélectriques à haute performance (par exemple, le titanate de zirconate de plomb), ses propriétés physiques uniques le rendent important pour les applications dans les dispositifs optoélectroniques et acoustiques. Le niobate de lithium a une structure cristalline tripartite qui lui confère d'excellentes propriétés piézoélectriques et optiques. Le niobate de lithium est capable de générer une déformation mécanique significative lorsqu'un champ électrique est appliqué dans la direction de la polarisation, généralement dans la direction de l'axe c.
Les propriétés piézoélectriques du niobate de lithium lui permettent d'exceller dans les modulateurs optiques, les dispositifs à ondes acoustiques de surface et les dispositifs optiques non linéaires. Dans les modulateurs optiques, le niobate de lithium peut réaliser une modulation rapide et précise du signal optique grâce à son coefficient électro-optique élevé et à ses bonnes propriétés piézoélectriques ; dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface, le niobate de lithium utilise sa vitesse élevée de propagation des ondes acoustiques et ses propriétés piézoélectriques pour réaliser un traitement et une transmission très efficaces des signaux d'ondes acoustiques, ce qui est largement utilisé dans les communications sans fil et le filtrage des signaux. En outre, le niobate de lithium est également largement utilisé dans les dispositifs optiques non linéaires. Ses excellentes propriétés optiques non linéaires en font un matériau idéal pour la conversion de fréquence et les oscillateurs paramétriques optiques.
Les avantages du niobate de lithium comprennent également sa grande résistance mécanique, sa stabilité chimique et sa large fenêtre de transparence, ce qui lui permet de conserver de bonnes performances dans une large gamme d'environnements difficiles. Cela confère au niobate de lithium un grand potentiel pour les applications aérospatiales, militaires et industrielles. Par exemple, dans l'aérospatiale, les capteurs en niobate de lithium peuvent être utilisés pour la détection de force et de pression de haute précision ; dans le domaine militaire, les propriétés optiques et piézoélectriques du niobate de lithium peuvent être utilisées dans les contre-mesures optoélectroniques avancées et les équipements de communication. Dans les applications industrielles, la stabilité à haute température et la résistance aux radiations du niobate de lithium en font un matériau adapté aux équipements de surveillance et de contrôle dans les environnements difficiles. Bien que le niobate de lithium ait une valeur D33 relativement faible, sa polyvalence et ses excellentes propriétés optoélectroniques en font un matériau piézoélectrique précieux dans une variété d'applications.
Fig. 7 Cristaux de LiNbO3
4.6 Tantalate de lithium (LiTaO₃)
Letantalate de lithium (LiTaO3) est un matériau piézoélectrique important dont les valeurs d33 sont généralement comprises entre 5 et 18 pC/N. Les valeurs d33 de LiTaO3 sont comprises entre 5 et 18 pC/N. Bien que la valeur d33 de LiTaO3 soit légèrement inférieure à celle de certaines céramiques piézoélectriques à haute performance (par exemple, le titanate de zirconate de plomb), ses propriétés physiques et chimiques uniques lui permettent d'être largement utilisé dans les dispositifs optoélectroniques et acoustiques. Le tantalate de lithium a une structure cristalline tripartite qui lui confère d'excellentes propriétés piézoélectriques et optiques. Lorsqu'un champ électrique est appliqué dans sa direction de polarisation (généralement la direction de l'axe c), le tantalate de lithium est capable de générer une déformation mécanique significative. Bien que les valeurs de d33 soient relativement faibles, elles sont suffisantes pour de nombreuses applications optoélectroniques et acoustoélectroniques.
Les propriétés piézoélectriques du tantalate de lithium lui permettent d'exceller dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface, les modulateurs optiques et les dispositifs optiques non linéaires. Dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface, le tantalate de lithium utilise sa vitesse élevée de propagation des ondes acoustiques et ses bonnes propriétés piézoélectriques pour obtenir un traitement et une transmission très efficaces des signaux d'ondes acoustiques, qui sont largement utilisés dans les communications sans fil et le filtrage des signaux ; dans les modulateurs optiques, le tantalate de lithium peut réaliser une modulation rapide et précise du signal optique grâce à son coefficient électro-optique élevé et à ses bonnes propriétés piézoélectriques ; en outre, le tantalate de lithium est également largement utilisé dans les dispositifs optiques non linéaires, et ses excellentes propriétés optiques non linéaires en font un matériau idéal pour la conversion de fréquence et les oscillateurs paramétriques optiques.
Les avantages du tantalate de lithium comprennent également sa grande résistance mécanique, sa stabilité chimique et sa large fenêtre de transparence, ce qui lui permet de conserver de bonnes performances dans des environnements difficiles. Cela confère au tantalate de lithium un grand potentiel d'utilisation dans les applications aérospatiales, militaires et industrielles. Par exemple, dans l'aérospatiale, les capteurs en tantalate de lithium peuvent être utilisés pour la détection de force et de pression de haute précision ; dans le domaine militaire, les propriétés optiques et piézoélectriques du tantalate de lithium peuvent être utilisées dans les contre-mesures optoélectroniques avancées et les équipements de communication ; et dans les applications industrielles, la stabilité à haute température et la résistance aux radiations du tantalate de lithium permettent de l'utiliser dans des environnements difficiles pour les équipements de surveillance et de contrôle. Malgré sa valeur d33 relativement faible, la polyvalence et les excellentes propriétés optoélectroniques du tantalate de lithium en font un matériau piézoélectrique précieux dans une variété d'applications.
Fig. 8 Cristaux de LiTaO3
5 Conclusion
L'effet piézoélectrique et ses constantes associées (en particulier la valeur d33) affectent directement les performances des matériaux piézoélectriques et déterminent leur efficacité dans des applications telles que les capteurs, les actionneurs et les collecteurs d'énergie. Les facteurs affectant la valeur d33 comprennent la structure cristalline, la composition du matériau, le traitement, la microstructure, les conditions externes, la ferroélectricité du matériau, ainsi que le champ électrique et la fréquence appliqués, qui agissent ensemble de diverses manières pour déterminer les propriétés finales des matériaux piézoélectriques.
Stanford Advanced Materials (SAM) s'engage à fournir des matériaux piézoélectriques de premier ordre qui maximisent le potentiel des valeurs d33, garantissant des performances et une fiabilité élevées dans diverses applications pratiques.
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