Introduction

Illustration du comportement d’une pastille piézoélectrique : la contrainte appliquée crée un signal électrique.

La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...). Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse.

Cette propriété trouve un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d’applications dans l’industrie et la vie (La vie est le nom donné :) quotidienne. Une application parmi les plus familières est l’allume-gaz. Dans un allume-gaz, la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) exercée produit une tension (La tension est une force d'extension.) électrique qui se décharge brutalement sous forme d’étincelles : c'est une application de l’effet direct. De manière plus générale, l’effet direct peut être mis à profit dans la réalisation de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) (capteur de pression etc.) tandis que l’effet inverse permet de réaliser des actionneurs (injecteurs à commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...) piézoélectrique en automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...), nanomanipulateur…).

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) piézoélectriques sont très nombreux. Le plus connu est sans doute le quartz, toujours utilisé aujourd’hui dans les montres pour générer des impulsions d’horloge. Mais ce sont des céramiques synthétiques, les PZT (Les PZT sont un matériau de la famille de céramiques ferroélectriques qui une fois polarisées...) qui sont le plus largement utilisées aujourd’hui dans l'industrie.

Soulignons enfin que l’effet piézoélectrique inverse ne doit pas être confondu avec l’électrostriction qui est un effet du second ordre et existe dans tous les matériaux.

Aspects historiques

Travaux précurseurs

René Just Haüy (L'abbé René Just Haüy, né le 28 février 1743 à...)

Au milieu du XVIIIe siècle, Carl von Linné (Carl Linnæus, puis Carl von Linné après son anoblissement, né le...) et Franz Aepinus avaient étudié l'effet pyroélectrique, par lequel un changement de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) entraîne une variation de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) électrique d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...). Le cristal type présentant cet effet est alors la tourmaline : en chauffant un cristal de tourmaline (Le terme tourmaline ne désigne pas une espèce minérale mais un groupe de...), on fait apparaître sur ses deux faces de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...). La nature de l'électricité est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) sur une face et sur l'autre, vitreuse et résineuse selon les termes de l'époque (on parlerait aujourd'hui de charges positives et négatives).

En 1817, l'abbé René-Just Haüy, qui a étudié en détail la pyroélectricité dans différents minéraux, décrit la découverte de ce qu'il appelle alors « l'électricité de pression » sur le spath d’Islande : en comprimant un cristal entre les doigts, il est possible de faire apparaître de l'électricité sur les faces du cristal. Antoine Becquerel poursuit l'étude du phénomène, il identifie plusieurs autres minéraux présentant cette propriété et montrera à l'aide d'une balance de Coulomb que l'électricité ainsi produite est dans une certaine gamme environ proportionnelle à la pression exercée.

Contrairement à la pyroélectricité, Haüy observe que c'est le même type d'électricité qui est produite sur les deux faces du cristal. Cela suffit à dire que le phénomène découvert par Haüy n'est pas de la piézoélectricité (La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la...). Le spath d’Islande n'est d'ailleurs pas piézoélectrique. Quand ils publieront leurs travaux sur le quartz, les Curie se démarqueront des travaux de Haüy, attribuant l'électricité de pression à un effet de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...).

L'électricité de pression de Haüy aura été pendant une cinquantaine d'années une propriété parmi d'autres permettant de classer les minéraux. Mais le caractère incertain et difficilement reproductible de cet effet le fera tomber dans l'oubli avec la découverte de la piézoélectricité. Au début du XXe siècle, les manuels de minéralogie (La minéralogie est la science qui étudie les minéraux.) ne feront plus mention de l'électricité de pression de Haüy.

Découverte de l'effet piézoélectrique

La première démonstration de l'effet piézoélectrique direct est due à Pierre et Jacques Curie en 1880. À cette époque, les deux frères, âgés respectivement de 21 et 25 ans, sont tous deux préparateurs à la faculté des sciences de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...). Combinant leurs connaissances de la pyroélectricité et de la structure cristalline, ils prédirent et vérifièrent l'existence de la piézoélectricité sur des cristaux de quartz, de tourmaline, de topaze, de sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce...) et de sel de Rochelle. L'existence de l'effet inverse fut prédite l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) suivante par Gabriel Lippman sur la base de calculs thermodynamiques, et immédiatement vérifiée par les Curie. C'est également en 1881 que Hermann Hankel suggéra l'utilisation du terme piézoélectricité du grec piézein signifiant presser, appuyer.

La piézoélectricité resta une curiosité de laboratoire pendant une trentaine d'années ; elle donna surtout lieu à des travaux théoriques sur les structures cristallines présentant cette propriété. Ces travaux aboutirent en 1910 à la publication par Woldemar Voigt du Lehrbuch der Kristallphysik qui donne les vingt classes cristallines piézoélectriques, et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques dans le formalisme de l'analyse tensorielle.

D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) pratique, la piézoélectricité ne fut utilisée que pour réaliser quelques instruments de laboratoire.

Premières applications

La première application de la piézoélectricité fut le sonar développé par Paul Langevin (Paul Langevin, né à Paris le 23 janvier 1872 et décédé dans...) et ses collaborateurs pendant la Première Guerre mondiale. Ce sonar était composé de lames de quartz collées entre deux plaques d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) et d'un hydrophone (Un hydrophone est un transducteur électroacoustique destiné à transformer, dans les liquides,...) et permettait, par la mesure du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) écoulé entre l'émission d'une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée...) et la réception de son écho, de calculer la distance à l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...). Peu de temps après, au début des années 1920, le premier oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou...) à quartz est mis au point par Walter Cady, ouvrant ainsi la voie au contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...).

Le succès de ces projets suscita un grand intérêt pour la piézoélectricité, relança les recherches et conduisit à travers les années qui suivirent au développement de nouveaux dispositifs pour une large palette d'applications dans la vie quotidienne, l'industrie et la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...). L'amélioration du phonographe ou le développement du réflectomètre et du transducteur (Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre.) acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...), largement utilisé pour les mesures de dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et...) ou de viscosité, en sont des exemples.

Pendant cette période, les principaux matériaux utilisés sont le quartz, le sel de Seignette et le dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...) phosphate (Un phosphate, en chimie inorganique, est un sel d'acide phosphorique résultant de l'attaque...) de potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de...) KH2PO4. Or, s'ils peuvent être utilisés, ces matériaux présentent toutefois des inconvénients qui limitent à la fois les applications possibles et l'élaboration de théories de la piézoélectricité.

Découverte des oxydes ferroélectriques

Au cours de la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) Guerre mondiale, la recherche de matériaux diélectriques plus performants amena (Orange est aujourd’hui une marque commerciale propriété de l'entreprise internationale...) différents groupes de recherche au Japon, aux États-Unis et en Russie à découvrir les propriétés piézoélectriques de céramiques de synthèse composées d'oxydes à structure pérovskite : le titanate de baryum (Le baryum est un élément chimique de symbole Ba et de numéro atomique 56.) (BaTiO3) puis un peu plus tard les titano-zirconate de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...) (PbZrxTi1-xO3, abrégé en PZT). La mise au point de ces matériaux représente une étape décisive dans le développement des dispositifs piézoélectriques. En effet, leurs propriétés sont globalement bien meilleures ; ils ont des coefficients piézoélectriques de l'ordre de 100 fois supérieurs à ceux des cristaux naturels. Mais surtout, il est possible avec ces céramiques synthétiques de jouer sur différents paramètres de synthèse et ainsi d'ajuster les propriétés du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) pour une application précise. En particulier, le dopage par divers ions métalliques permet de modifier considérablement leur constante diélectrique (La constante diélectrique ou constante électrique, également nommée permittivité du vide ou...), leur dureté, leur usinabilité, etc.

D'un point de vue théorique, ces matériaux constituent également les premiers ferroélectriques simples qui vont permettre d'élaborer et valider les modèles microscopiques.

Un nouveau saut a été effectué au début des années 1980 avec la synthèse des cristaux de PZN-PT et PMN-PT qui présentent les coefficients piézoélectriques les plus élevés connus à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...).

Sujets de recherche

Aujourd'hui, les recherches sur les matériaux piézoélectriques portent notamment sur la compréhension précise de ces propriétés exceptionnelles, leur optimisation, ainsi que sur le développement de matériaux sans plomb ou de matériaux utilisables dans une plus large gamme de températures.

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