Modifications des propriétés structurales et électromécaniques de monocristaux piézoélectriques PZN-xPT : ingénierie des domaines et dopage au manganèse

Pb(Zn1/3Nb2/3)1-xTixO3 (PZN-xPT) single crystals exhibit for x = 9% the best piezoelectric properties known to date. In this work, these properties are studied in relation with the crystal structures and ferroelectric domain states of crystals with composition x = 7, 9 and 12%.First of all, the domain states obtained for various compositions and different electric field strengths and directions are characterized by means of permittivity measurements as a function of temperature. Notably, the instability of the single domain state 1T in tetragonal PZN-12%PT for plates thinner than 300 microns is evidenced and confirmed by XRD.The second part is devoted to domain engineering in PZN-12%PT poled long [101]. Measurements of the full electromechanical tensor describing the intrinsic properties as well as observations of multidomain crystals by polarized light microscopy are presented. A model is developed that takes into account clamping effects in the multidomain crystal and yields analytical expressions for its effective properties. This model satisfactorily accounts for the observed extrinsic decrease of the transverse dielectric constants.The third part focuses on crystals doped with manganese. The effects of doping are found to be similar to what is known for classical piezoelectric materials (hardening, increase of the mechanical quality factor, decrease of permittivity and piezoelectric coefficients) but seemingly correspond to a modification of the intrinsic rather than extrinsic contributions. Moreover, it is shown that doping destabilizes the single domain state 1O in PZN-7%PT and in contrast stabilizes the 1R state in PZN-9%PT.Les monocristaux Pb(Zn1/3Nb2/3)1-xTixO3 (PZN-xPT) présentent autour de x = 9% les meilleures propriétés piézoélectriques connues à ce jour. Ce travail est consacré à l'étude de ces propriétés, en relation avec la structure cristallographique et les différents états en domaines ferroélectriques de cristaux de composition x = 7, 9 et 12%.On décrit tout d'abord par des mesures de permittivité en température les états en domaines accessibles en fonction du champ électrique appliqué. Notamment, l'instabilité de l'état monodomaine quadratique 1T de PZN-12%PT dans les plaquettes d'épaisseur inférieure à 300 µm est mise en évidence et confirmée par diffraction des rayons X.La deuxième partie traite de l'ingénierie des domaines dans PZN-12%PT polarisé suivant [101]. En s'appuyant en particulier sur une détermination complète des propriétés électromécaniques intrinsèques du cristal ainsi que sur des observations optiques du polydomaine, on présente un modèle analytique de calcul de ses propriétés effectives. Ce modèle explique convenablement les baisses extrinsèques importantes des constantes diélectriques transverses observées par un effet d'encastrement.Dans une troisième partie, il est montré que les effets du dopage au manganèse sur les propriétés des cristaux sont qualitativement les mêmes que dans les piézoélectriques classiques (durcissement, hausse du facteur de qualité mécanique, baisses de la constante diélectrique et du coefficient piézoélectrique) et correspondent à une modification de leurs propriétés intrinsèques. De plus, on montre que l'ajout de manganèse déstabilise l'état monodomaine 1O dans PZN-7%PT et stabilise à l'inverse l'état 1R dans PZN-9%PT