Les faisceaux de neutrons révèlent des secrets sur les matériaux nécessaires à l’Internet des objets

« L’accès aux faisceaux de neutrons a été indispensable à nos découvertes », explique Ye.

Bien que la piézoélectricité ne soit pas nécessairement sur toutes les lèvres, les matériaux piézoélectriques sont souvent utilisés en arrière-plan, à petite ou à grande échelle. Par exemple, ils sont essentiels à de nombreux outils diagnostiques médicaux à ultrasons. Ils permettent un contrôle précis de l’injection de carburant dans les moteurs automobiles, ce qui favorise l’économie de carburant et la réduction des émissions. Ils font partie intégrante des capteurs à distance que les automobiles utilisent pour alerter les conducteurs de divers dangers, comme une pression insuffisante des pneus ou la présence d’objets sur la trajectoire du véhicule. Ils contribuent à rendre les téléphones « intelligents » par le rétroéclairage des écrans, le contrôle de la fonction de zoom de la caméra et le filtrage des bruits pendant les appels. Ils permettent aux imprimantes de déposer l’encre exactement au bon endroit sur la page, et ils fournissent les quantités précises de matériaux nécessaires dans la tête d’une imprimante 3D. Ils sont utilisés par des entreprises comme IBM pour gérer avec précision l’« impression » des 30 milliards de transistors d’une puce de processeur informatique. Et il ne s’agit là que de la pointe de l’iceberg.

En termes simples, les matériaux piézoélectriques génèrent des signaux électriques en réponse à une force extérieure (détection) ou génèrent une force en se dilatant ou en se contractant en réponse à un signal électrique (actionnement). La fonction d’actionnement de ces matériaux est utile aux ingénieurs pour de nombreuses applications, telles que la mise au point de systèmes de contrôle permettant de positionner des pièces mobiles avec une précision nanométrique. Par exemple, les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans le télescope spatial Hubble pour permettre aux scientifiques au sol de contrôler ses miroirs avec une précision si incroyable qu’il peut résoudre des images de galaxies voisines situées à des milliards d’années-lumière.

En fait, la marine américaine estime qu’il est essentiel d’améliorer les matériaux piézoélectriques pour perfectionner les technologies sonar de manière à mieux détecter les menaces sous-marines et à éviter d’être détecté par les forces adverses. Voilà l’une des raisons pour lesquelles le gouvernement américain finance les travaux de Zuo-Guang Ye, de l’Université Simon Fraser, l’un des plus grands spécialistes mondiaux du fonctionnement interne de ces matériaux.

Toutefois, s’il était possible d’en améliorer la sensibilité, la puissance et la compacité, leur champ d’application s’étendrait bien au-delà de l’espace et des applications militaires.

À titre d’exemple, Ye souligne leurs avantages potentiels dans le secteur des soins de santé, où « de meilleurs matériaux piézoélectriques sont nécessaires pour améliorer les technologies de diagnostic et de traitement médical, comme les ultrasons ». Il évoque aussi l’énorme potentiel des matériaux piézoélectriques pour améliorer la chirurgie laparoscopique (c.-à-d. les chirurgies réalisées par l’insertion de caméras et d’outils télécommandés dans le corps du patient par une petite incision). Ces chirurgies « minimalement invasives », d’utilisation courante pour des interventions comme l’ablation de la vésicule biliaire et l’implantation d’endoprothèses cardiaques, améliorent considérablement le temps de rétablissement des patients, mais il y a encore beaucoup de place à l’amélioration. « La chirurgie laparoscopique requiert de meilleurs matériaux piézoélectriques afin de procurer plus de puissance aux minuscules appareils chirurgicaux dans le corps du patient, explique Ye. Une plus grande puissance ultrasonique pourrait aider à briser les gros calculs rénaux, par exemple. »

En plus de permettre des avancées dans les soins de santé, de meilleurs matériaux piézoélectriques sont aussi nécessaires à la concrétisation de l’« Internet des objets ». Ce concept envisage des milliards d’appareils - ménagers, professionnels, civils et même médicaux - tous connectés sans fil les uns aux autres par l’intermédiaire de capteurs, d’actionneurs et de transmetteurs qui travaillent ensemble pour transmettre les données nécessaires à un fonctionnement optimal avec un minimum d’intervention humaine. Les spécialistes prévoient que l’Internet des objets pourrait changer la vie au quotidien d’innombrables façons, comme de permettre de diagnostiquer un cancer du sein à partir d’un échantillon d’haleine ou d’ajuster automatiquement les feux de circulation pour s’adapter le plus efficacement possible aux flux de circulation à la seconde près - et il ne s’agit là que de deux exemples dans une mer de millions d’idées.

« De meilleurs matériaux piézoélectriques sont aussi nécessaires à la concrétisation de l’Internet des objets... Des matériaux piézoélectriques améliorés pourraient éliminer le besoin de batteries [pour des milliards d’appareils]. »

Des matériaux piézoélectriques plus performants pourraient contribuer à réduire la taille des capteurs, des actionneurs et des émetteurs utilisés dans les appareils de prochaine génération, et pourraient également maîtriser plus précisément la bande passante utilisée par chaque appareil, élément important vu l’encombrement des ondes radioélectriques. Et comme les matériaux piézoélectriques ont la capacité exceptionnelle de produire de l’électricité, leur amélioration pourrait aussi servir à récupérer d’importantes quantités d’énergie de l’environnement pour alimenter des milliards de ces appareils de détection et de transmission, éliminant ainsi la nécessité de remplacer continuellement les batteries de ces appareils.

Aujourd’hui, le principal matériau piézoélectrique est une céramique connue simplement sous le nom de PZT en raison de sa composition de zirconate de plomb (PbZrO₃) et de titanate de plomb (PbTiO₃) qui forment ensemble un type d’alliage appelé « solution solide ». Bien que le marché mondial du PZT soit évalué à plus de 12 milliards de dollars par an, les scientifiques ne comprennent pas encore parfaitement pourquoi le PZT et d’autres matériaux piézoélectriques ont l’étonnante capacité de se dilater et de se contracter avec une telle précision, ni même, ce qui est encore plus étrange, ce qui leur permet de produire leur propre électricité. Et tant que ce mystère persistera, les améliorations apportées aux matériaux piézoélectriques resteront limitées.

Depuis 60 ans, les scientifiques utilisent tous les outils à leur disposition pour comprendre le fonctionnement des matériaux piézoélectriques, mais avec un succès limité. Cette difficulté s’explique par le fait que le PZT est une combinaison complexe de deux types de matériaux opposés. D’une certaine façon, il ressemble au verre, dont les molécules sont disposées aléatoirement (ce qui explique pourquoi le verre se comporte comme un liquide qui se déplace très lentement). À d’autres égards, il ressemble au sel de table, c’est-à-dire l’extrême opposé, dans lequel les atomes s’agencent selon un modèle cubique unique et régulier. En effet, le PZT comporte des régions où les atomes ou les molécules sont disposés de manière aléatoire, comme dans le verre, ainsi que des régions où ils sont disposés de manière beaucoup plus ordonnée, comme dans le sel.

Pour compliquer encore davantage les choses, même les régions les plus ordonnées du PZT peuvent prendre l’une de nombreuses « phases » (c.-à-d. des motifs atomiques). Ces phases peuvent persister sur une distance extrêmement courte, par exemple sur quelques molécules seulement (environ un nanomètre), ce qui rend leur observation encore plus difficile. Qui plus est, ces phases varient en fonction du rapport entre les deux molécules constitutives du PZT, PbZrO₃ et PbTiO₃. Les moindres différences dans la position de certains atomes par rapport à la phase semblent entraîner de grandes différences dans les comportements macroscopiques du PZT, y compris ses propriétés piézoélectriques. Pour ajouter à la complexité, les phases près de la surface du matériau peuvent différer des phases plus profondes.

En raison de cette composition inhabituelle, il a été difficile pour les scientifiques de trouver les outils adéquats en vue d’étudier le PZT. Certains outils sont adaptés à l’étude des matériaux vitreux, tandis que d’autres, comme les faisceaux de neutrons et les rayons X, se prêtent idéalement à l’étude des matériaux ordonnés. Les neutrons et les rayons X sont néanmoins très efficaces dans les cas où le motif régulier est très compliqué ou lorsqu’il y a plusieurs phases, comme c’est souvent le cas dans les alliages métalliques. Malgré cela, en raison de la complexité des matériaux piézoélectriques, les scientifiques n’ont pas encore toutes les réponses concernant la nature des phases présentes dans le PZT et autres matériaux piézoélectriques, ni les conditions dans lesquelles se manifestent ces phases.

Une percée majeure dans la compréhension du fonctionnement interne de ces matériaux découle de la croissance par l’équipe de recherche de Ye d’une série de monocristaux de PZT de haute qualité, chacun ayant un rapport différent de ses deux molécules constitutives. Ces cristaux de taille millimétrique ont permis à Ye et à ses collègues du monde entier de recourir à des faisceaux de neutrons pour obtenir des données plus précises qu’il n’était possible auparavant. Les scientifiques ont également eu recours à des techniques spécialisées de faisceaux de neutrons pour obtenir des données sur les différentes phases qui persistent sur seulement quelques nanomètres de PZT. Ces techniques spécialisées ont été mises en œuvre dans des installations de faisceaux de neutrons de renommée mondiale, comme le NIST Centre for Neutron Research aux États-Unis, l’installation de faisceaux de neutrons ISIS au Royaume-Uni et l’Institut Laue-Langevin en France.

Ces techniques spécialisées de faisceau de neutrons, associées à des méthodes expérimentales complémentaires, ont permis aux scientifiques de réaliser plusieurs découvertes majeures. Tout d’abord, les premiers résultats ont permis d’observer clairement l’une des phases clés du PZT, appelée « phase M », une phase dont l’existence même était remise en question par des scientifiques au moment de la publication des résultats en 2010 (doi:10.1103/PhysRevB.81.172103).

Les premières découvertes de Ye ont également permis de résoudre un deuxième mystère. Même les scientifiques qui avaient auparavant reconnu l’existence de la phase M avaient cherché sans succès la « limite manquante », c’est-à-dire les conditions où la phase M était convertie en une deuxième phase, appelée « phase R ». Les résultats obtenus par Ye mettent en doute l’existence même de cette limite, car ils montrent que les phases M et R coexistent en réalité dans de nombreux cas (doi:10.1103/PhysRevLett.105.207601).

« Ils ont également découvert que la phase M_A est à l’origine d’un comportement piézoélectrique plus puissant que la phase M_B , et ils ont réussi à en expliquer la raison. »

Dans des résultats ultérieurs, Ye et ses collègues ont effectivement trouvé une limite manquante, mais elle ne se situait pas du tout entre les phases M et R. Elle se trouvait plutôt entre deux variantes de la phase M, M_A et M_B. En outre, ils ont montré que l’apparition des deux types de phase M dépendait de la proportion relative des deux molécules constitutives PbZrO₃ et PbTiO₃ dans le matériau. Plus intéressant encore, ils ont également découvert que la phase M_A est à l’origine d’un comportement piézoélectrique plus puissant que la phase M_B , et ils ont réussi à en expliquer la raison. Les connaissances acquises par l’équipe sur la phase M_A peuvent s’appliquer à une variété d’autres matériaux similaires, ce qui a justifié la publication de ces résultats dans l’une des plus grandes revues scientifiques pluridisciplinaires, Nature Communications, en 2014 (doi:10.1038/ncomms6231).

« Grâce à leur meilleure compréhension, Ye et ses collègues ont ensuite pu faire une autre observation étonnante sur ce matériau permettant d’éclairer le mécanisme à l’origine de la piézoélectricité puissante du PZT et de mener éventuellement à une toute nouvelle classe de matériaux pour la technologie spintronique qui pourrait constituer le fondement d’ordinateurs et d’appareils plus puissants à l’avenir. »

Grâce à leur meilleure compréhension du fonctionnement interne du PZT, Ye et ses collègues ont pu faire une autre observation étonnante sur ce matériau, publiée dans Nature Communications en 2016 (doi:10.1038/ncomms12385). Au moyen de la microscopie électronique, ils ont découvert que la polarisation électrique à l’interface des parois de domaine peut en fait être en rotation - même si le PZT appartient à la grande classe de matériaux où la polarisation observée a toujours été fixe. Cette découverte éclaire le mécanisme à l’origine de la piézoélectricité puissante du PZT et pourrait déboucher sur une toute nouvelle classe de matériaux pour la technologie spintronique qui encode de l’information dans la direction du champ magnétique d’un électron et qui pourrait constituer le fondement d’ordinateurs et d’appareils plus puissants à l’avenir.

Outre l’exploration du PZT, Ye a effectué d’importantes observations sur deux autres matériaux piézoélectriques très complexes et mal compris, désignés sous le nom de PMN-xPT et PZN-xPT. Ces matériaux sont utilisés dans le télescope spatial Hubble, car ils présentent le plus puissant effet piézoélectrique connu (jusqu’à trois fois celui du PZT). Comme le PZT, ils contiennent tous deux du PbTiO₃ et un oxyde à base de plomb : Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ ou Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃, respectivement. Mais contrairement au PZT, ils appartiennent à une catégorie de matériaux piézoélectriques connus sous le nom de « composants de relaxation », dans lesquels la polarisation électrique a une structure aléatoire.

« Une meilleure compréhension [p. ex., grâce aux résultats de Ye] est essentielle pour permettre aux scientifiques de perfectionner les capacités de détection et d’actionnement des matériaux piézoélectriques et de fabriquer des appareils plus sensibles, plus puissants ou plus compacts. »

Il convient de noter que les composants de relaxation n’ont pas encore fait l’objet d’une définition scientifique complète. Par conséquent, « nous devions les étudier [PMN-xPT et PZN-xPT] en détail parce qu’il n’y avait pas de consensus scientifique sur les phases de ces matériaux, ce qui nous empêchait de comprendre les causes de leurs propriétés piézoélectriques exceptionnelles, explique Ye. Parallèlement, des questions sur le fonctionnement des composants de relaxation ont persisté malgré des décennies de recherche, en partie parce que nous ne comprenons pas assez bien les causes du comportement complexe des composants de relaxation ».

Les découvertes de Ye et de ses collègues ont contribué à résoudre des controverses scientifiques sur les composants de relaxation. Par exemple, encouragée par le succès de ses analyses antérieures du PZT au moyen de faisceaux de neutrons, l’équipe de Ye a utilisé des faisceaux de neutrons et d’autres outils pour effectuer une comparaison systématique entre le PZT et le PMN-xPT. On estime que ces deux matériaux sont identiques à bien des égards, ce qui constitue un cas d’essai idéal pour cerner les facteurs qui font que ce dernier matériau est un composant de relaxation et présente un comportement piézoélectrique extrêmement puissant.

Dans des données publiées en 2014 dans la prestigieuse revue multidisciplinaire Proceedings of the National Academy of Sciences (doi:10.1073/pnas.1314780111), les scientifiques ont montré que la principale différence entre ces deux matériaux résidait dans la présence de « champs électriques aléatoires intenses » dans le PMN-xPT, et que ces champs intensifiaient le comportement piézoélectrique du composant de relaxation. Les résultats probants montrent qu’il faudrait considérer les champs électriques aléatoires intenses comme un élément fondamental du comportement des composants de relaxation et, par conséquent, les utiliser comme élément de définition de ces derniers.

« Vingt ans d’études approfondies n’avaient pas permis d’établir le lien entre ces nanorégions polaires et la piézoélectricité... Les scientifiques ont non seulement montré que ces nanorégions polaires étaient à l’origine d’une grande partie du comportement piézoélectrique jusqu’alors inconnu du matériau, mais ils ont aussi élucidé le mécanisme par lequel ces minuscules régions exercent un effet aussi important sur les propriétés du matériau dans son ensemble. »

Sur la base de ce succès, Ye et ses collègues se sont ensuite penchés sur une autre question scientifique cruciale. Vingt ans plus tôt, les scientifiques avaient découvert des régions nanoscopiques dans le PMN-xPT et le PZN-xPT où les champs électriques pointent dans des directions autres que celles des champs dans la masse du matériau, appelées « nanorégions polaires ». Des études approfondies n’avaient pas réussi à expliquer le lien entre ces nanorégions polaires et la piézoélectricité.

Les scientifiques ont recueilli d’autres observations expérimentales de ces régions minuscules au moyen de rayons X et ont créé des simulations informatiques à partir des données de phase recueillies lors d’expériences au moyen de rayons X et de faisceaux de neutrons. Les résultats ont été révélateurs : non seulement les scientifiques ont montré que ces nanorégions polaires étaient à l’origine d’une grande partie du comportement piézoélectrique jusqu’alors inconnu du matériau, mais ils ont également élucidé le mécanisme par lequel ces minuscules régions exercent un effet aussi important sur les propriétés du matériau dans son ensemble. Ces conclusions ont été publiées dans Nature Communications en 2016 (doi:10.1038/ncomms13807).

« L’accès aux faisceaux de neutrons s’est révélé indispensable à nos découvertes, explique Ye. Ils sont essentiels pour la détection des variations nanométriques des phases et pour l’observation des phases en profondeur plutôt qu’en surface. Nous avons démontré que la détermination précise de ces phases est essentielle pour comprendre le comportement piézoélectrique. »

Cette meilleure compréhension permettra aux scientifiques d’affiner les capacités de détection et d’actionnement des matériaux piézoélectriques et de fabriquer des appareils plus sensibles, plus puissants ou plus compacts. En effet, selon Ye, « ces connaissances sont nécessaires à la conception de matériaux piézoélectriques plus performants qui auront un impact sur les soins de santé, l’Internet des objets, les transports, l’énergie et une foule de produits de consommation courante, même si l’on ne se rend pas forcément compte de leur présence ».

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.