Etude du comportement piézoélectrique multi-échelles de composites innovants micro- et nano-structurés – NanoPiC

La fabrication des composites a été réalisée par croissance puis gravure de couches minces inorganiques non toxiques et greffage puis imprégnation de polymère. Le (Bi0.5Na0.5)TiO3 (ou BNT) apparait être un bon candidat pour remplacer le PbZrTiO3 (ou PZT, le matériau de référence). La croissance des couches minces de BNT a d’abord été réalisée par pulvérisation cathodique RF-magnétron. La fabrication de piliers de tailles micrométriques a ensuite été réalisée par gravure par voie humide de ces couches minces. Dans le but d’améliorer l’adhésion à l’interface céramique/polymère, de nouveaux polymères promoteurs d’adhésion à base de polymère piézoélectrique de type PVDF ou miscible avec le PVDF (à base de PMMA) ont été synthétisés par polymérisation RAFT puis fonctionnalisés par une fonction à base catéchol ayant la capacité de réagir avec la céramique pour créer une interface robuste. Ces polymères ont ensuite été greffés à la surface des piliers de céramiques et permettent de créer une couche interfaciale. Finalement les piliers greffés ont été imprégnés par un copolymère fluoré commercial. La structure et les propriétés des matériaux ont été caractérisées à différentes échelles au cours des étapes successives de fabrication des composites.

Le résultat majeur de ce projet concerne la maitrise des différentes étapes de fabrication de composites piézoélectriques structurés, réalisée par imprégnation de piliers de céramiques électroactives par un polymère piézoélectrique.

La fabrication de composites piézoélectriques structurés ouvre de larges perspectives dans le domaine acoustique avec la modulation de l’impédance acoustique en fonction de la taille des domaines céramiques par rapport aux domaines polymères. Une application possible de cette nouvelle génération de composites a trait au milieu médical avec l’intégration de ces derniers dans des sondes échographiques aux sensibilités accrues.

Le projet ANR NanoPiC a entrainé la publication de 7 articles scientifiques dans des journaux de facteur d’impact élevé (avec un facteur d’impact moyen = 5.4) et 5 articles sont actuellement en cours d’écriture ou de soumission.

Le projet NanoPiC a pour but de fabriquer des matériaux piézoélectriques innovants et ayant des propriétés améliorées, à partir de composites céramiques - polymère structurés. La structuration à différentes échelles (du micron au nanomètre) sera réalisée par gravure de films minces de céramiques de BNT. Le choix de ces céramiques est basée sur le double aspect d'un matériau non toxique et présentant des propriétés piezoélectriques élevées (d33 = 80/120 pm/V). Un polymère fluoré passif ou actif (PVDF ou PVDF-TrFE) sera incorporé par greffage à partir des surfaces céramiques afin de renforcer la cohésion interfaciale entre les deux matériaux. Sous forme cristalline polaire, ces polymères fluorés présentent l’intérêt d'avoir un coefficient piézoélectrique élevé par rapport aux autres matériaux polymères (|d33| = 20/30 pC/N). La combinaison des techniques de gravure des céramiques et de greffage du polymère pour la fabrication des composites structurés est une approche totalement originale et novatrice.
Dans le cas du PVDF, la structuration des domaines du micron au nanomètre présente un intérêt majeur sur la structure cristalline du polymère et peut entrainer un changement de phase (non polaire/polaire) induit par le confinement, rendant ainsi le polymère initialement passif, actif.
La caractérisation piézoélectrique des composites sera réalisée à l'échelle macroscopique afin de sonder la réponse piézoélectrique globale du matériau. Dans ce cas, les paramètres de polarisation (direction du champs électrique, temps et température) auront un rôle majeur et permettront une polarisation en parallèle ou en anti-parallèle des domaines céramiques et polymères, c'est-à-dire une compensation ou une addition des propriétés piézoélectriques. En complément, des études piézoélectriques locales seront réalisées par PFM (Piezoelectric Force Microscopy) dans le but d'évaluer l'impact de la taille (domaines micrométriques ou nanométriques) et de l'environnement (par exemple dans le cas des domaines céramiques, influence de l'ajout d'un polymère passif ou actif, influence du greffage...) des domaines céramiques et polymères sur les performances piézoélectriques. La compréhension des comportements piézoélectriques multi-échelles de ces matériaux composites structurés est d'une part, un enjeu scientifique fort et d'autre part, ouvre la voie à l'utilisation de ces matériaux pour des applications dans le domaine des pMUT (piezoelectric Micro machined Ultrasonic Transducers).