1.3 Effet piézoélectrique
La piézoélectricité, du grec
"piézo" signifiant presser ou serrer [21], certains matériaux
(cristaux, céramiques ou polymères) ont la
propriété de se polariser sous l'influence d'une contrainte
mécanique : c'est l'effet piézoélectrique direct. Cette
polarisation est proportionnelle à la contrainte et change de signe avec
elle. Ce phénomène est réversible : une polarisation
électrique résultant de l'application d'un champ
électrique entraînera une déformation du méme
matériau. On parle alors d'effet piézo-électrique inverse
[22,23] (cf. figure 1.1).
L'application d'un champ électrique variable (champ
électrique alternatif) entre les faces d'un matériau
piézoélectrique, va exciter une onde acoustique dans le
matériau. Cette onde acoustique est la résultante d'une
déformation mécanique (déformation variable) du
réseau cristallin qui oscille alors à une fréquence
donnée, dite fréquence de résonance et c'est typiquement
l'application exploitée dans les oscillateurs à quartz
[24,25].
Générateur
de tension
Effet piézoélectrique inverse
D
E
F
O
R
M
A
T
I
O
N
Apparition
de charges
Effet piézoélectrique direct
Mat6riau
piezo6lectrique
C O N T R A
I N T E
Fig. 1.1 - Illustration des effets
piézoélectriques [12]
1.4 Symétrie et
piézoélectricité
L'effet piézoélectrique a été mis
en évidence principalement dans les solides cristallins anisotropes
(absence de centre de symétrie dans la maille cristalline) [27,28,29].
En cristallographie, on classe toutes les structures répertoriées
selon 32 classes de symétrie définies comme étant toutes
les combinaisons distinctes possibles entre les éléments de
symétrie que sont les plans, les axes et les centres de symétrie.
Onze de ces classes sont dites centrosymétriques et ne peuvent donc pas
présenter des propriétés polaires ou aucune polarisation
spontanée. L'une des 21 autres classes (la classe cubique 432)
possèdent des éléments de symétrie lui interdisant
de présenter des caractéristiques polaires. Les 20 classes
restantes possèdent au moins un axe polaire et les matériaux
qu'elles caractérisent peuvent donc posséder des
caractéristiques polaires telles la
piézoélectricité, la
pyroélectricité3 et la
ferroélectricité4 [30,31].
3 Les cristaux pyroélectriques ont une polarisation
électrique spontanée qui dépend de leur température
; ils portent en surfaces des charges électriques proportionnelles
à cette polarisation et de signe contraire sur les faces opposées
[34].
4 Les cristaux ferroélectriques possèdent un moment
dipolaire (polarisation permanente) électrique même en l'absence
d'un champ électrique extérieur [35].
La Figure 1.2 précise la place qu'occupent les
matériaux piézoélectriques dans la hiérarchie des
solides cristallins.
32 Classes cristallines
11 Centrosymétriques
21 Non centrosymétriques
Non piézoélectriques
20 Piézoélectriques
1 Non piézoélectrique
10 Pyroélectriques
10 Non pyroélectriques
Ferroélectriques
Non ferroélectriques
Non ferroélectriques
Fig. 1.2 - Organisation des différentes classes
cristalline [24]
A l'échelle cristalline, la
piézoélectricité se manifeste par une polarisation de la
maille tandis qu'à l'échelle de la maille, ce sont les
propriétés de symétrie des cristaux qui déterminent
leur caractère piézoélectrique ou non. Tout corps
présentant un centre de symétrie ne peut pas être
piézoélectrique alors que les cristaux ne possédant pas de
centre de symétrie peuvent l'être [32].
Un cristal possédant un centre de symétrie ne
peut pas être déséquilibré électriquement et
par conséquent il ne peut pas avoir de propriété
piézoélectrique (cf. figure 1.3.a) [33]. En effet, lorsqu'il est
soumis à une contrainte (flèches jaunes ou vertes), le
déplacement des charges positives et négatives est identique dans
toutes les directions et par conséquent la structure reste
équilibrée (i.e. on observe toujours le même centre de
symétrie).
Maintenant, si ce cristal ne possède pas de centre de
symétrie les phénomènes présentés sur la
figure 1.3.b peuvent être observés. Notons que cette structure de
cristal est formée par deux triangles équilatéraux dont
les sommets disposent de charges positives pour l'un et négatives pour
l'autre. Tant que le cristal n'est soumis à aucune contrainte, les deux
centres des triangles équilatéraux sont identiques et on ne
dispose d'aucun effet piézoélectrique. Dès lors qu'une
contrainte est appliquée, soit suivant X, soit suivant Y, les centres
des deux triangles équilatéraux se déplacent en sens
inverse et déséquilibrent la structure du cristal. L'effet
piézoélectrique est lié à cette possibilité
de déséquilibrer la structure et par conséquent, seuls les
cristaux dont la structure ne possède pas de centre de symétrie
sont piézoélectriques. De plus, comme on peut le constater les
deux centres se déplacent suivant
l'axe des X quelque soit la contrainte appliquée
(suivant Y ou suivant X). Par conséquent l'axe des X est appelé
axe électrique et l'axe des Y est appelé axe mécanique.
Perpendiculairement à ces deux axes se trouve l'axe des Z qui lui sera
appelé l'axe optique car des techniques optiques sont utilisées
pour le localiser. De plus il n'y a aucun effet piézoélectrique
qui soit associé à l'axe optique.
(a)
(b)
Fig. 1.3 - Représentation schématique de
l'apparition de la piézoélectricité : (a)
Cristal
centrosymétrique (ou isotrope), (b) Cristal non
centrosymétrique (ou anisotrope) [33]
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