Propriétés piézoélectriques des alliages d'oxyde de zinc: étude ab-initio

Les matériaux piézoélectriques ont une grande importance technologique et sont utilisés dans divers dispositifs tels que des résonateurs, des transducteurs, des récupérateurs d'énergie, etc. Cependant, l'un des candidats les plus prédominants parmi les matériaux piézoélectriques est basé sur le plomb, ce qui conduit à un certain nombre de problèmes de santé publique et environnementale. Il est donc important d'étudier les matériaux de substitution, et parmi les concurrents le ZnO est particulièrement intéressant. Il présente le coefficient piézoélectrique d33 le plus élevé parmi les isolants piézoélectriques binaires à structure tétrahédrique. Le ZnO est par ailleurs biocompatible et beaucoup plus respectueux de l'environnement que le plomb, ce qui ouvre la porte à de nombreuses applications en particulier dans le domaine biomédical. Ce mémoire de maîtrise porte sur les propriétés piézoélectriques des alliages à base de ZnO. Nous présentons d'abord une définition des coefficients piézoélectriques d'intérêt. Notre travail repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la théorie perturbative de la fonctionnelle de la densité (DFPT). Nous présentons brièvement ces méthodes, car elles sont essentielles à la compréhension du travail présenté. Grâce à ces méthodes, il est possible de simuler les propriétés du système d'électrons qui constitue notre système d'intérêt, en particulier les propriétés piézoélectriques du ZnO. Les résultats obtenus dans la littérature pour ce type de méthode sont présentés et discutés. Afin d'améliorer les coefficients piézoélectriques d33 et e33, plusieurs stratégies sont discutées, à savoir la substitution d'un atome de zinc, l'impact de la concentration de ce substituant et enfin l'impact de la déformation. Nous avons décidé d'étudier le sujet à l'aide de la méthode DFPT utilisant la fonctionnelle LDA (approximation de la densité locale) implémentée dans le logiciel ABINIT sous le formalisme PAW (Projector Augmented Wave) avec la bibliothèque JTH. Notre travail porte principalement sur les supercellules à 32 atomes (soit une concentration de 6.25 % atomique dans le sous-réseau métallique), avec les meilleures performances pour les alliages sans contrainte obtenus pour Zn15YO15N et Zn15LaO15N. Ces composés atteignent respectivement un coefficient piézoélectrique d33 de 17,5 pC/N et 18 pC/N et un coefficient e33 de 1,7 C/m2. Sous une déformation biaxiale dans le plan de 1%, l'alliage Zn7YO7N affiche un coefficient de 2,6 C/m2 qui correspond à une amélioration de 100% par rapport au ZnO. Nous avons ensuite démontré que le coefficient piézoélectrique e33 dépendait linéairement du ratio de cellule c/a selon une pente de � -9 C/m2. Cela nous permet de prédire rapidement et efficacement le coefficient piézoélectrique e33 d'alliages de ZnO en minimisant les ressources informatiques requises.