Design Of Enhanced Piezoelectric Materials From Quantum Chemical Calculations

par Khaled Elkelany

Thèse de doctorat en Chimie Physique

Sous la direction de Michel Rérat.

  • Titre traduit

    Conception par la modélisation moléculaire de matériaux à propriétés piézoélectriques augmentées


  • Résumé

    Une analyse exhaustive de la piézoélectricité a été réalisée par la modélisation moléculaire basée sur l'application des principes de la mécanique quantique. La calibration de la méthode et des paramètres du calcul est d'abord examinée en comparant les résultats calculés concernant les oxydes de silicium et de Germanium à leurs homologues expérimentaux. Ensuite, les paramètres microscopiques qui influencent chaque contribution de cette propriété macroscopique de réponse sont distinctement rationalisés. Enfin, après la rationalisation de la propriété piézoélectrique, la conception de matériaux montrant un effet piézoélectrique élevé a été tentée. Nous avons montré que la grande piézoélectricité induite par un dopage dans le plan du graphène tendra vers une valeur unique, ni nulle ni infinie, et de façon indépendante de la nature physique ou chimique particulière du défaut. L'induction d'une piézoélectricité hors du plan du graphène en brisant sa planéité selon la direction-z est également étudiée. La réponse piézoélectrique obtenue est largement améliorée par rapport à la limite finie de la piézoélectricité dans le plan, mais aux grandes concentrations du défaut seulement. En effet, contrairement à la composante dans le plan de la piézoélectricité, la composante hors du plan, dépend de la nature du défaut et diminue jusqu'à tendre vers zéro à dilution infinie.


  • Résumé

    An exhaustive analysis of the technologically important piezoelectric phenomena is here done by applying quantum chemical simulations. At first, the calibration of the assumed computational scheme is examined by comparing our calculated piezoelectric properties of the well-known piezoelectric quartz to their experimental counterparts. Secondly, the microscopic parameters that influence each contribution of piezoelectric macroscopic property are distinctly rationalized. After the rationalization of the piezoelectric property, the design of materials that exhibiting a high piezoelectric effect has been attempted. It has been shown that a large in-plane piezoelectricity induced in graphene by doping can be acquired by including any in-plane defect(s). Moreover, in the limit of vanishing defect concentration, the piezoelectric response tends toward a unique value, neither null nor infinite, regardless of the particular chemical or physical nature of the defect. The induction of an out-of-plane piezoelectricity in graphene by breaking its planarity through the non-periodic z-direction is stated, where the obtained piezoelectric response is largely improved compared to the finite in-plane piezoelectric limit, at however higher concentration of the defect. Contrarily to what has been discussed for the in-plane piezoelectric effect, the out-of-plane one eventually vanishes as far as the limit of infinite defect dilution is reached, and so it relies ultimately on the nature of the defect.


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