PZT - Définition

Introduction

Les céramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb) (ou LZT pour les anglophones, pour Lead Zirconate Titanate) dont des matériaux de formule chimique Pb(Zr_x,Ti_1-x)O₃ .

Ces matériaux sont très utilisés dans l'industrie en raison de propriétés particulières :

• ferroélectrique (ce qui signifie qu'il possède une polarisation électrique à spontanée, qui peut être renversée par l'application d'un champ électrique)
• piézoélectrique (Ce qui signifie qu'il développe un tension électrique entre ses deux faces une fois compressé (ce qui le rend utile pour des applications de type capteur), ou qu'il change physiquement de forme selon le champ électrique externe auquel on l'applique (utile pour des applications de type actionneur).
• pyroélectrique (ce qui signifie que ce matériau développe une différence de tension entre deux de ses faces quand il est chauffé ou refroidi (ce qui en fait un capteur de température ou de variation de températures)

Histoire

Les premiers PZT ont été élaborés dès 1954, à partir de découvertes faites par trois physiciens japonais, Yutaka Takagi, Gen Shirane et Etsuro Sawaguchi, à l'Université de Technologie de Tōkyō, vers 1952.

Caractéristiques physiques

La structure cristalline des PZT est de type pérovskite.
La masse volumique du PZT varie entre 7500 et 7800 kg/m³

Selon la présence plus ou moins importante de Titane (ou de Zirconium), les propriétés du PZT (mécanique, couplage, diélectrique, pertes) changent.

Ce matériau comporte une permittivité particulièrement importante à la frontière de phase morphotropique (MPB pour morphotropic phase boundary pour les anglophones), près dex= 0,52.Pour cette valeur x = 0.52, cette famille de matériaux surclasse les autres matériaux piézoélectriques classiques (Quartz, Langasites...) par ses propriétés piézoélectriques.
Néanmoins les années 2000 ont vu l'émergence de nouveaux matériaux aux propriétés ferroélectriques extraordinaires (un ordre de grandeur plus piézoélectrique que les PZT) que sont les monocristaux ferroélectriques de type pérovskites (PMN-PT, PZN-PT...).

Ces propriétés font des PZT des composés parmi les plus importants du domaine de l'électrocéramique.
Dans les produits commercialisés, les PTZ ne sont généralement pas inclus dans leur forme pure mais sous forme de semi-conducteur dopés avec soit des dopants accepteurs, qui créent des trous vacants d'oxygène (anion) , doit des dopants "donateurs", qui créent des trous de métal (cation) en facilitant dans les deux cas les mouvements électroniques dans le matériau.

• Un dopage en accepteurs crée généralement un PZT dit dur (hard ) ; Dans les PZT durs, le mouvement du Mur de domaine (changement de phase) est freiné par les impuretés ce qui diminue les pertes dans le matériau, mais avec comme conséquence d'une réduction de la constante piézo-électrique.
• le dopage en donateurs crée PZT dit soft. Un PZT soft a habituellement une constante piézoélectriques plus élevée qu'un PTZ dur, mais plus de pertes internes au matériau en raison du frottement interne plus important.

La plupart des PZT durs et mous diffèrent dans leurs constantes piézo-électrique. Ces constantes piézo-électriques sont proportionnelles à la polarisation ou au champ électrique produit par unité de contrainte mécanique, ou inversement à la déformation mécanique produite par unité de champ électrique appliqué au matériau.