La dégradation du niobate de lithium à haute température

Lucas, Killian (2021). La dégradation du niobate de lithium à haute température. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire a pour objectif d’identifier les phénomènes responsables de la dégradation du comportement piézoélectrique à haute température du niobate de lithium (LiNbO3). En effet, le niobate de lithium, contrairement aux autres matériaux piézoélectriques, possède à la fois une haute température de Curie (1210 °C ou 1483K) et des coefficients piézoélectriques suffisamment élevés pour des applications comme transducteur. Ce matériau est donc un candidat prometteur pour des applications piézoélectriques à haute température. Cependant, la littérature fait état d’une dégradation du niobate de lithium à partir de températures supérieures à 570K. Néanmoins, les mécanismes à l’origine de cette dégradation sont incertains. Une hypothèse permettrait d’expliquer cette dégradation des propriétés piézoélectriques du niobate de lithium à haute température : l’apparition d’une conduction ionique à haute température.

Nous avons donc étudié la conductivité électrique de monocristaux congruents de niobate de lithium dans une fourchette de température allant de 20 °C (293K) à 1000 °C (1273K) sur une plage de fréquences variant de 20 Hz à 20 MHz. L’évolution de la conductivité électrique du niobate de lithium est décrite sous l’angle d’un modèle analytique. Ce modèle généralise la loi de relaxation diélectrique universelle avec l’équation d’Arrhenius afin de prendre en compte simultanément les variations de la température et de la fréquence d’excitation du cristal. Les mécanismes de conduction sont identifiés comme étant de nature électronique à basse température et de nature ionique, dominée par le déplacement des ions lithiums (Li+), à haute
température. Cette conduction ionique peut donc provoquer un court-circuit interne dans le cristal de LiNbO3, réduisant la piézoélectrique observable. De plus, la fréquence d’excitation du cristal influe grandement sur la température au-delà de laquelle la conduction ionique devient dominante: à haute température les déplacements ioniques peuvent être grandement réduits avec une fréquence d’excitation suffisamment élevée, clarifiant ainsi la confusion présente dans la littérature. Ces résultats clarifient et identifient les mécanismes intervenant à haute température dans le niobate de lithium, permettant ainsi une mise en oeuvre approprié pour des applications piézoélectriques à haute température.

Titre traduit

High temperature degradation of lithium niobate

Résumé traduit

The objective of this thesis is to identify the phenomena responsible for the degradation of the piezoelectric behavior at high temperature of lithium niobate (LiNbO3). Indeed, lithium niobate, unlike other piezoelectric materials, possesses both a high Curie temperature (1210 °C or 1483K) and piezoelectric coefficients high enough for applications as transducer. This material is therefore a promising candidate for high temperature piezoelectric applications. However, the literature reports a degradation of lithium niobate starting at temperatures as low as 570K. Nevertheless, the mechanisms at the origin of this degradation are uncertain. One hypothesis could explain this degradation of the piezoelectric properties of lithium niobate at high temperature : the appearance of an ionic conduction at high temperature.

We have therefore studied the electrical conductivity of congruent single crystals of lithium niobate in a temperature interval running from 20 °C (293K) to 1000 °C (1273K) over a frequency range from 20 Hz to 20 MHz. The evolution of the electrical conductivity of lithium niobate is described through an analytical model. This model generalizes the universal dielectric relaxation law with the Arrhenius equation to take simultaneously into account the variations of the temperature and the excitation frequency of the crystal. The conduction mechanisms are identified as electronic at low temperature and ionic, dominated by the motion of lithium ions (Li+), at high temperature. This ionic conductivity can therefore cause an internal short
circuit in the LiNb3 crystal, reducing the observable piezoelectricity. Moreover, the excitation frequency of the crystal greatly influences the temperature above which the ionic conduction is dominant : at high temperature the ionic conduction can be greatly decreased with a sufficiently high excitation frequency, thus clarifying the confusion present in the literature. These results clarify and identify the high-temperature mechanisms involved in lithium niobate, thus allowing an appropriate implementation for high-temperature piezoelectric applications.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie aérospatial". Comprend des références bibliographiques (pages 35-39).
Mots-clés libres:	niobate de lithium, piézoélectricité, haute température, conduction ionique, loi de relaxation diélectrique universelle, loi d’Arrhenius
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zednik, Ricardo
Codirecteur:	Codirecteur Bélanger, Pierre
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	11 janv. 2022 16:41
Dernière modification:	11 janv. 2022 16:41
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2813

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