Ingénierie de la photostriction aux transitions de phase dans les ferroélectriques sans plomb – PHOTO-TRICS

Les matériaux ferroélectriques (FE) présentent une polarisation électrique spontanée, couplée à une déformation, contrôlable en appliquant un champ électrique. Leur couplage électromécanique est exploité dans des dispositifs tels que capteurs et actionneurs, dont le fonctionnement est généralement contrôlé par une tension électrique. Un contrôle optique de la déformation permettrait un contrôle à distance, plus rapide, à plus faible consommation d’énergie, sans besoin de circuits électriques complexes miniaturisés. La photostriction, génération non thermique de déformation sous éclairement, suscite donc un intérêt croissant pour le contrôle optique des fonctionnalités. Cependant, la plupart des études restent limitées à des matériaux nocifs pour l’environnement (à base de plomb) qui répondent dans l’ultraviolet avec des déformations photo-induites inférieures à 0,1 %, ce qui limite fortement les applications. PHOTO-TRICS vise une déformation supérieure à 1%, induite dans le visible et dans des films minces FE sans plomb, pour développer un contrôle optique efficace des FE intégrables dans une nouvelle génération de dispositifs. À cette fin, nous proposons une stratégie matériau originale, combinant ingénieries de phase et de bande interdite, dans des films minces dopés de (Ba,Ca)(Zr,Ti)O3, inexplorés jusqu'à présent pour la photostriction. Pour cela, il est nécessaire de comprendre le mécanisme physique de la photostriction et d’identifier les paramètres matériaux clés afin de contrôler et d'optimiser leur réponse. La photostriction pouvant être considérée comme une combinaison de l'effet photovoltaïque (PV) et de l'effet piézoélectrique inverse (PE), son amélioration nécessite une stratégie d'optimisation combinée de la réponse PV et de la réponse PE. Cependant, aucune stratégie matériaux n'a été développée jusqu'à présent, et son étude dans les films minces a été limitée aux échelles ultrarapide et de la maille atomique, par des mesures synchrotron de diffraction de rayons X.

PHOTO-TRICS propose de combiner i) une ingénierie de phase par composition, pour tirer profit de la sensibilité naturellement élevée des FE aux stimuli, près des transitions de phase structurales, (réponse PE améliorée) et ii) une ingénierie de la bande interdite par dopage, pour une meilleure absorption dans le visible (réponse PV optimisée). Cette stratégie sera développée dans des films minces codopés (Co, Nb) de Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-xBCT), qui offrent un terrain de jeu idéal à l’ingénierie de la photostriction. Notre méthodologie sera basée sur l'étude approfondie du mécanisme de photostriction, en analysant tous les paramètres matériaux clés (structuraux, ferroélectriques, piézoélectriques, optiques et photovoltaïques). Cette caractérisation sera réalisée à différentes échelles de longueur et de temps afin de fournir une image complète et une compréhension approfondie de la réponse photostrictive des matériaux, grâce à un ensemble unique d'outils de caractérisation de pointe (incluant des techniques de laboratoire) et de modélisation jamais réunis à ce jour. Enfin, notre stratégie matériaux sera utilisée pour proposer un premier dispositif photostrictif, permettant de tester l'efficacité de l'actionnement optique par la phototriction.

Le succès de ce projet ambitieux, allant bien au-delà de l'état de l'art, se base sur les résultats préliminaires et sur l'expertise complémentaire et multidisciplinaire des partenaires (C2N, LPMC et SPMS), à la pointe de la recherche sur la photostriction. Les nouvelles connaissances, les techniques expérimentales et les stratégies matériaux développées par PHOTO-TRICS feront progresser significativement le domaine émergent de la photostriction, offrant des perspectives passionnantes pour le contrôle optique des matériaux, et ouvrant la voie à des dispositifs microélectroniques plus efficaces avec une sensibilité accrue, un fonctionnement plus rapide et une consommation d'énergie plus faible.