GeO2: PIEzoélectrique à haut coefficient de couplage pour des applications à très haute température. Procédé de croissance industriel associé pour l’obtention de MONocristaux de haute qualité optique de grandes dimensions. – PIEMON

L'énorme besoin industriel en matériaux piézoélectriques pouvant fonctionner dans des dispositifs sous très haute température sans dégradation a conduit l'industrie et la communauté scientifique à exposer la nécessité de nouvelles générations de matériaux piézoélectriques fiables et sans plomb fonctionnant sur une large plage de températures et permettant la miniaturisation des dispositifs. L'utilisation d'un matériau piézoélectrique à température élevée présente de nombreux défis tels qu'une possible transition de phase qui peut annuler ou conduire à une instabilité des propriétés piézoélectriques.

GeO2, avec la structure quartz-alpha (GeO2-alpha), dispose d'une large gamme de températures de fonctionnement (jusqu'à sa fusion à 1115°C). Sa forte distorsion structurale empêche sa transition vers la phase centrosymétrique (proche de 573°C pour le quartz).
En outre, une prédiction DFT ABINIT des propriétés élastiques et piézoélectriques de GeO2-alpha confirme que les matériaux de la famille du quartz avec une structure cristalline très déformée doivent avoir un coefficient de couplage électromécanique d'environ 20% (8% pour le quartz). Le projet PIEMON est le résultat d'un processus de recherches théoriques et expérimentales pour des applications industrielles. Ce projet prévoit de suivre tout le processus, de la croissance de GeO2 monocristal à son utilisation dans les systèmes piézoélectriques dans une large gamme de températures, ciblé dans ce projet à des composantes à forte valeur ajoutée telles que les capteurs inertiels très précis (accéléromètres&gyroscopes) et les résonateurs pour les applications temps&fréquence.

Tous les résultats obtenus à partir de ce projet nous permettront de mesurer la contribution que le matériau GeO2-alpha pourrait avoir dans les dispositifs piézoélectriques dédiés à des applications spécifiques à très haute températures, 600-1000°C, inaccessibles à la plupart des céramiques ou des monocristaux piézoélectriques. Le projet PIEMON sera basé sur un partenariat multidisciplinaire de quatre entités (3 universitaires et 1 industriel) dont les compétences d'expertise dans les domaines scientifiques et technologiques seront axées sur les 3 principaux objectifs développés au cours du programme scientifique:
1) Développement des conditions expérimentales pour contrôler la croissance avec germes de GeO2-alpha de haute qualité cristalline par la méthode du flux à haute température. La simulation numérique sera utilisée comme un outil pour l'étude du milieu de croissance et la topographie aux rayons X comme un outil de caractérisation (des défauts étendus) et d'amélioration de la qualité du cristal (sélection des germes). Ensuite, le travail consistera à optimiser le facteur d'échelle afin de produire des cristaux (V> 10 cm3) adaptés pour les applications piézoélectriques industrielles.

2) Caractérisations expérimentales du matériau GeO2-alpha en termes de propriétés thermiques et physiques. Le comportement de paramètres thermophysiques, des coefficients de dilatation linéaire, des propriétés piézo-électriques et diélectriques avec la température sera analysé à l'aide de plusieurs orientations cristallines. Leur dépendance à la température conduira aux coefficients de température du 1er et 2cd ordre requis pour obtenir l'orientation des coupes compensés de GeO2 et les coefficients de couplage électromécaniques associés. Les indices de réfraction et les propriétés élastiques seront également mesurés avec précision.

3) Améliorer du point de vue technologique le matériau GeO2-alpha en estimant ses performances dans les systèmes piézoélectriques (capteurs inertiels, résonateurs ...) et en les comparant à celles des matériaux de structure quartz-alpha déjà utilisés dans des applications industrielles telles que SiO2 et GaPO4. Il sera également nécessaire d'optimiser la conception des résonateurs en mode flexion et extension et de faire leur assemblage afin de mesurer leurs performances.