Le fonctionnement des céramiques piézoélectriques enfin expliqué

Bien qu’elles se retrouvent dans un grand nombre d’applications industrielles ou de la vie quotidienne, l’origine atomique des propriétés piézoélectriques des céramiques piézoélectriques de la famille PbZrxTi1-xO3 restaient inexpliquées. Le mystère est aujourd'hui levé et le rôle des ions zirconium enfin expliqués.

La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et, réciproquement, de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Cette propriété trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne. L’allume-gaz est parmi les plus familières. Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement pour former une étincelle.
Les Dans la seconde partie du XXème siècle, les recherches se sont orientées vers des céramiques titanate de baryum (BaTiO3) puis, un peu plus tard, de titano-zirconates de plomb PbZrxTi1-xO3. En effet, leurs propriétés sont globalement bien meilleures que celles des cristaux naturels ; ils présentent des coefficients piézoélectriques environ 100 fois supérieurs.
La solution solide de zircono-titanate de plomb, notamment la composition PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT), est une céramique qui convertit jusqu’à 70 % de l’énergie mécanique qu’elle reçoit lorsqu’elle est déformée en énergie électrique (et réciproquement). Cette propriété exceptionnelle est exploitée depuis plus de 50 ans dans de nombreuses application technologiques : sonars, sondes échographiques, injecteurs des moteurs diesels, capteurs divers…. Malgré les nombreuses études expérimentales et théoriques menées sur cette céramique, aucun modèle à l’échelle atomique n’a jamais été proposé afin d’expliquer pourquoi sa réponse piézoélectrique de PbZr0.52Ti0.48O3 est environ 15 fois plus forte que celle du composé sans Zirconium : PbTiO3.
Une équipe de chercheurs de l’Institut Charles Gerhardt (CNRS / Université Montpellier II) ont utilisé la spectroscopie d’absorption des rayons X afin de :

clarifier le rôle du zirconium, à l’échelle atomique, dans les propriétés piézoélectriques de ce matériau ;
mesurer ses déplacements polaires associés à une transition électrique (ferroélectrique-paraélectrique).

Ils ont ainsi montré que, contrairement aux liaisons Ti-O fortement polaires, les atomes de Zirconium vont produire une faible polarisation. Une telle configuration atomique pour un type d’atome implique un basculement de polarisation très facile, c’est-à-dire qu’un faible champ électrique est nécessaire pour ce basculement, ce qui va créer une situation énergétique favorable pour le basculement coopératif des dipôles Ti-O fortement polaires et expliquer ainsi les fortes propriétés piézoélectriques de PZT. Dans PZT, les petits déplacements (Zr) entraînent les gros (Ti) sous champ électrique !