Les matériaux piézoélectriques jouent un rôle clé dans de nombreuses applications industrielles, aussi bien sous forme massive qu’en couches minces. Dans ce dernier cas, les films sont souvent déposés sur silicium et sont utilisés dans des dispositifs tels que les MEMS/NEMS (Micro/NanoElectro-Mechanical Systems), les capteurs ultrasonores, les filtres RF pour les télécommunications ou encore les actionneurs pour l’optoélectronique et les dispositifs médicaux. Dans ces applications, la qualité et la reproductibilité des films minces sont des critères essentiels (notamment la composition et la microstructure) pour garantir des performances optimales. Leur élaboration repose principalement sur des procédés de dépôt physique en phase vapeur (PVD), et en particulier sur la pulvérisation cathodique (sputtering) et l’ablation laser. Ces 2 techniques de dépôt nécessitent l’utilisation de cibles céramiques de haute densité et de composition contrôlée.

 

Aujourd’hui, la majorité des films minces piézoélectriques sont basés sur le PZT (titano-zirconate de plomb), qui présente d’excellentes propriétés mais dont la toxicité et l’impact environnemental posent un problème majeur. Bien que des matériaux alternatifs sans plomb, comme le BNT (bismuth sodium titanate) et ses dérivés, aient été identifiés (et leurs excellentes propriétés évaluées sous forme de bulks), leur adoption à l’échelle industrielle (notamment en microélectronique pour les capteurs) reste limitée par manque de matériaux cibles européens. C’est une des raisons pour laquelle le procédé sol gel se développe rapidement mais les performances des films sont nettement plus faibles et beaucoup de fonderie n’accepte pas ce procédé dans leurs lignes de production. Les cibles de pulvérisation sans plomb disponibles sur le marché sont soit très coûteuses, soit de qualité insuffisante, rendant difficile leur intégration dans des processus industriels. A ce jour, les fabricants de cibles de BNT se trouvent aux Etats-Unis, en Chine et à des prix exorbitants sans garantie de succès par manque d’informations. Cette situation est un réel frein au développement des matériaux piézoélectriques sans plomb en Europe.

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ECOPIEZOPLAS vise à démontrer que des solutions alternatives, simples et efficaces sont déjà existantes pour les piézoélectriques sans plomb et pourraient remplacer aisément les matériaux à base de plomb tout en garantissant des performances comparables à celles du PZT. Ce projet s’inscrit dans une logique d’industrialisation avec un objectif de maturité technologique d’au moins 6. Il s’appuie sur des procédés de fabrication éprouvés et vise à valider des cibles de pulvérisation sans plomb optimisées pour le dépôt de films minces de haute qualité.

 

Les principaux résultats attendus sont :

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1. La production de cibles piézoélectriques sans plomb à coût compétitif : les procédés de synthèse de poudres sont simples à mettre en œuvre et maitrisés (mélange des différents constituants en voie liquide, puis calcination). En optimisant la composition, ce projet vise à proposer une alternative économique et techniquement viable aux solutions existantes, qui se trouvent bien souvent hors Europe pour les fournisseurs de cibles.

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2. Le dépôt et l’optimisation de films minces piézoélectriques : grâce à la pulvérisation cathodique, procédé maitrisé par le partenaire universitaire, nous démontrerons que ces matériaux peuvent être intégrés dans des dispositifs industriels en maintenant des performances comparables à celles du PZT. Des films de BNT ont déjà été réalisés par ce partenaire à partir de cibles venant des Etats Unis (le prix d’une cible est de 8000 euros HT).

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3. La validation des propriétés et la démonstration de la faisabilité industrielle : la caractérisation complète des films minces permettra de garantir leur intégration dans des applications réelles, notamment en microélectronique et dans les dispositifs médicaux.

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La collaboration entre le CRIBC et l’IEMN est essentielle pour combiner expertise en fabrication de cibles céramiques, dépôt et caractérisation des films minces. En mutualisant ces compétences, ECOPIEZOPLAS accélérera le développement et la validation de cette solution, facilitant ainsi son adoption industrielle en Europe et levant ainsi la situation de « blocage » actuel. En termes d'innovation et de positionnement, ce projet ne cherche pas à réinventer la fabrication de cibles, mais à démontrer concrètement que des alternatives sans plomb compétitives existent et sont prêtes à être adoptées par l’industrie. Contrairement aux fournisseurs existants (majoritairement aux États-Unis et en Chine), ce projet ambitionne de proposer une solution européenne, fiable et accessible, réduisant ainsi la dépendance aux importations et garantissant une conformité aux réglementations environnementales en vigueur.

Les technologies de fabrication additive, qui seront mises en œuvre dans ce micro-projet, offrent des potentialités importantes pour un meilleur confort du patient, notamment en ce qui concerne la personnalisation des traitements et l'utilisation de dispositifs médicaux de synthèse, en lieu et place de greffons autologues, qui nécessitent une seconde chirurgie, et augmentent les coûts et les délais de traitement. 

Plus important encore, la résistance aux antibiotiques est une menace majeure pour la société et un challenge pour la médecine moderne, et identifiée par l’OMS. Selon la vaste étude réalisée dans le cadre du « Global Burden of Disease » (programme de recherche impliquant des milliers de chercheurs dans le monde, et présentée par le journal LANCET), les infections bactériennes sont la 3ème cause de décès dans le monde (plus 7.5 millions de morts par an en 2019) après les maladies cardiovasculaires et les maladies neuro-dégénératives. Un exemple frappant est celui de l'acte devenu très commun de chirurgie dentaire. Entre un tiers et la moitié de la population sera amenée à poser un implant dentaire, et 50% des personnes concernées n'ont pas suffisamment de tissu osseux sur le site chirurgical pour forer et placer l'implant. Il faut avoir recours à un substitut osseux qui régénère le tissu naturel, plusieurs semaines/mois avant l'opération finale de pose de l'implant, du pivot et de la couronne. Et malgré toutes les précautions prises par l'équipe soignante, notamment en termes de stérilisation, 25 à 30% des patients souffriront de problèmes liés à des infections, pouvant mener au retrait de l'implant. 

PIEZOBIO entend lutter contre ce phénomène en apportant une solution innovante antibactérienne et représente ainsi une opportunité commune pour les partenaires de développer des technologies de pointe, de renforcer la coopération régionale et de contribuer au progrès des secteurs biomédicaux et de la santé.