Matériaux piézoélectriques à forte déformation pour l'actionnement microsystème

High-strain piezoelectric materials for MEMS actuators

• Auteur / Autrice : Julie Abergel
• Direction : Emmanuel Defaÿ
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 04/06/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Sylvestre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Defaÿ, Peter Mardilovich, Catherine Dubourdieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mario Maglione, Danick Briand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titanozirconate de plomb

Piézoélectricité

Matériaux

Mots clés libres

Matériaux

Piézoélectricité

PZT

PLZT

AlN

Materials

Piezoélectrics

PZT

PLZT

AlN

Résumé

Les actionneurs piézoélectriques se distinguent par leurs faibles temps de réponse et leurs rapports déflexion/ tension d’actionnement élevés. Dans ces travaux, nous nous attacherons à optimiser la déformation de matériaux piézoélectriques. La première approche consiste à augmenter le champ dans la couche active et la seconde à optimiser les coefficients piézoélectriques du matériau. Pour répondre à des problématiques d’actionnement basse tension, des couches de nitrure d’aluminium (AlN) ultraminces ont été déposées et caractérisées. Le coefficient e31,eff s’est avéré être constant entre 800 et 50 nm d’épaisseur, à une valeur de -0,8 C/m², ce qui est proche de l’état de l’art. Le caractère piézoélectrique de l’AlN à une épaisseur de 12 nm a été mis en évidence. Toujours dans l’optique de travailler à champ électrique élevé, une étude visant à augmenter le champ de claquage du titano-zirconate de plomb (PZT) par insertion d’atomes de lanthane a été menée. Le champ de claquage est amélioré de 35% environ, sans que la permittivité diélectrique et les coefficients piézoélectriques ne soit dégradés. La seconde approche consiste à optimiser les coefficients piézoélectriques. Pour cela, le Titano Zircoate de Plomb a été étudié au voisinage de différentes transitions de phases. La transition morphotropique est particulièrement favorable au niveau piézoélectrique, avec un coefficient e31,eff qui atteint -18 C/m² hors champ et -27 C/m² sous champ. La problématique de blocage de parois de domaines a été abordée. La transition de Curie se manifeste principalement au niveau diélectrique, avec une permittivité relative qui atteint 2640 à 370°C, soit près du double de la valeur mesurée à température ambiante. Les pertes diélectriques diminuent entre 25°C et 280°C, pour atteindre 1,6 %. Afin de bénéficier d’une transition critique, du PZT fortement dopé au lanthane a été déposé.Un comportement relaxeur a été mis en évidence et un coefficient piézoélectrique induit d31 de -25 pm/V a été mesuré. Les matériaux développés dans cette thèse ouvrent des perspectives pour la réalisation de microactionneurs et notamment de têtes d’imprimantes jet d’encre.

Piezoelectric actuators exhibit low response times and high deflection/actuation voltage ratios. This PhD thesis aims at optimizing their strain values by increasing the applied field and the piezoelectric coefficients. To target low voltage issues, Aluminum Nitride (AlN) ultrathin layers were deposited and characterized. e31,eff coefficient was found to be constant between 800 and 50 nm, at a value as high as -0.8 C/m². Piezoelectric behaviour was also shown for 12 nm-thick AlN layers, by three different ways. Still in order to apply high electric fields, a study was carried out to improve Lead Zirconate Titanate (PZT) breakdown field, by inserting lanthanum atoms. Breakdown field was improved by approximately 35%, with no decrease of permittivity or piezoelectric coefficients. Another optimization approach consists in increasing the material’s piezoelectric coefficients. In this view, PZT was characterized around several phase transitions. Near morphotropic phase boundary, piezoelectric effect was found to be enhanced: e31,eff coefficient raises up to -18 C/m² at low field conditions and -27 C/m² in actuating conditions. Domain wall pining issue was also discussed. Near Curie transition, dielectric properties were found to be enhanced, with a dielectric constant rising up to 2640 at 370C, which is almost twice as high as room temperature value. Furthermore, dielectric loss decreases from 25C to 280C to reach 1.6%. To profit from a critic phase transition, highly Lanthanum doped PZT was deposited. Relaxor behaviour was shown and an induced piezoelectric coefficient d31 of -25 pm/V was measured. Materials developed in this PhD thesis can be used to realize microactuators and especially inkjet printheads.