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Article

1 - SPÉCIFICITÉS DES MATÉRIAUX FERROÉLECTRIQUES

2 - SYNTHÈSE ET MISE EN FORME DES MATÉRIAUX FERROÉLECTRIQUES

3 - DÉVELOPPEMENTS DEPUIS 2005

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : E1870 v3

Synthèse et mise en forme des matériaux ferroélectriques
Matériaux ferroélectriques - Propriétés, mise en œuvre et perspectives

Auteur(s) : Mario MAGLIONE, Catherine ELISSALDE

Date de publication : 10 déc. 2020

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RÉSUMÉ

Les matériaux ferroélectriques trouvent de nombreuses applications sous forme de condensateurs en électronique, de générateurs et de capteurs piézoélectriques, de cristaux pour l’optique non linéaire. Ces applications résultent de leurs propriétés très spécifiques rappelées en début d'article. Les problématiques actuelles autour de leur synthèse et de leur mise en forme résultent principalement de l’intégration attendue et toujours plus poussée. Cette dernière implique la réduction de la taille des matériaux et donc des conséquences très importantes sur les fonctionnalités des ferroélectriques.

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ABSTRACT

Ferroelectric materials Properties, processing and perspectives

Ferroelectric materials find many applications in the field of electronic capacitors, piezoelectric generators and sensors, crystals for Non-Linear Optics. These applications result from their very specific properties which are outlined at the beginning of this article. The processing of ferroelectric materials for the different applications is then described. The current issues of synthesis and shaping result mainly from the ever-increasing integration implying the reduction of the size of materials, which has significant impacts on the functionalities of ferroelectrics.

Auteur(s)

  • Mario MAGLIONE : Directeur de Recherche - ICMCB, CNRS Université Bordeaux, Pessac, France

  • Catherine ELISSALDE : Directeur de Recherche - ICMCB, CNRS Université Bordeaux, Pessac, France - Cet article est la version actualisée de l’article  intitulé « Ferroélectricité », rédigé par Geneviève Godefroy et paru en 1996.

INTRODUCTION

Anticipée pendant des décennies à la fin du XIXe siècle, la ferroélectricité a été formellement découverte en 1920. Par analogie avec les ferromagnétiques et bien qu’ils contiennent rarement du fer, les composés possédant une polarisation spontanée renversable par un champ électrique ont été qualifiés de ferroélectriques. La permittivité diélectrique des ferroélectriques est de l’ordre de plusieurs milliers, c’est-à-dire au moins cent fois supérieure à tous les autres isolants (polymères, oxydes, nitrures…). Ces composés sont donc utilisés pour la réalisation de condensateurs à haute densité, une application pour laquelle ils sont incontournables. Cependant, cette très haute permittivité ne signifie pas que les ferroélectriques sont parfaits sous tout rapport. En effet, leur très haute polarisabilité s’accompagne de pertes diélectriques pouvant atteindre des valeurs de plusieurs pour cent, incompatibles avec certaines applications en particulier aux hautes fréquences. Le premier challenge est de contrecarrer ces pertes, soit par une approche physicochimique, soit en développant des stratégies de science des matériaux (céramiques, composites, interfaces…).

Toutes les autres fonctionnalités des ferroélectriques résultent du fait que leur polarisation dépend très fortement des contraintes extérieures. Suivant la nature de ces contraintes, des effets exceptionnels sont obtenus et différentes applications sont possibles :

  • pyroélectriques sous changement de température ; ce qui permet la réalisation de capteurs thermiques en particulier détecteurs infra-rouges ;

  • piézoélectriques sous contrainte mécanique ; ce couplage est largement utilisé dans les capteurs ultrasonores (imagerie médicale), dans les communications sous-marines (sonar), dans les actuateurs (dispositifs de déplacements régulés) et dans la récupération d’énergie (transformation de vibrations en énergie électrique) ;

  • adaptatifs sous champ électrique ; cet effet trouve des applications dans de multiples gammes de fréquences notamment aux fréquences gigahertz pour des dispositifs de télécommunications accordables (déphaseurs, résonateurs, antennes), en optique pour des modulateurs électro-optiques ou des générateurs d’harmonique dans les lasers. Dans ce dernier cas, c’est le champ électrique de l’onde lumineuse qui induit le stress nécessaire au changement de l’indice optique.

Pour toutes les applications dites non linéaires (la réponse dépend de la contrainte), l’ampleur de la contrainte appliquée impose un contrôle accru des défauts présents dans le matériau. Étant donné que l’immense majorité des ferroélectriques utilisés dans les applications sont des oxydes ternaires (par exemple ABO3), il s’agit là d’une problématique permanente pour les chercheurs et les ingénieurs du domaine. Les ferroélectriques n’ont pas encore atteint le degré de pureté et de fiabilité des semi-conducteurs et des métaux, matériaux avec lesquels ils coexistent dans tous les dispositifs où ils sont mis en œuvre. Irremplaçables dans de nombreuses applications, les ferroélectriques nécessitent des travaux de recherche poussés afin de répondre à de nombreux enjeux dans des domaines stratégiques comme l'électronique, l'énergie, l'optique et la santé.

Après avoir rappelé les propriétés spécifiques des matériaux ferroélectriques et leurs mises en œuvre, cet article se concentre sur les pistes de recherche actuelles. Il aborde les trois types principaux de mise en forme des matériaux : céramiques polycristallines, couches minces et monocristaux.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.

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KEYWORDS

microstructure   |   permittivity   |   perovskite

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-e1870


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2. Synthèse et mise en forme des matériaux ferroélectriques

2.1 Céramiques pour condensateurs multicouches

Les condensateurs sont utilisés dans tous les domaines de l’électronique et permettent d’assurer diverses fonctions d’alimentation électrique, de transfert et de traitement des signaux (fonction de filtrage), de compensation des effets de température d’un autre composant du circuit, d’accord de fréquence, et de stockage de l’information. Le choix du type de condensateur dépend de l’application visée et doit tenir compte de la valeur de la capacité et des conditions d’utilisations : température, fréquence, tension de polarisation, vieillissement, etc. Le choix du matériau diélectrique constituant le condensateur dépend de diverses caractéristiques : la permittivité et les pertes diélectriques, la résistance d’isolement (qui traduit l’imperfection du matériau diélectrique en termes de courants de fuite), l’ESR (la résistance série équivalente qui représente la somme des pertes résistives dans un condensateur), la rigidité diélectrique (le gradient de tension qui produit un claquage électrique du condensateur, cette tension est fonction du matériau et dépend de l’épaisseur de la couche diélectrique) et le coefficient de température. Les valeurs de capacité couvrent une large gamme entre 1 pF et plusieurs μF, elles dépendent de la nature et, par conséquent, des propriétés du matériau diélectrique, de la géométrie du composant, c'est-à-dire de la surface des électrodes en regard (S) et de l’épaisseur du diélectrique entre les électrodes.

Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) pour Multilayer Ceramic Capacitor sont des structures qui permettent de répondre aux exigences de miniaturisation des composants électroniques. Ils présentent de nombreux avantages par rapport aux condensateurs disques : des valeurs de capacités très élevées dans un petit volume, une très bonne fiabilité et des caractéristiques permettant leur utilisation à haute fréquence. La structure d’un condensateur multicouche peut être décrite comme un empilement alterné de couches céramiques et de couches métalliques (électrodes internes). Des électrodes externes, les terminaisons, assurent le contact électrique entre les électrodes internes (figure 8).

La capacité volumique...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - COEHLO (R.) -   Physics of Dielectrics for the Engineer.  -  Elsevier (1978).

  • (2) - SZE (S.) -   Physics of semi-conductor devices.  -  s.l. : Wiley international (1969).

  • (3) - GLASS (A.M.), LINES (M.E.) -   Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials.  -  Oxford : Clarendon (1974).

  • (4) - VALASEK (J.) -   *  -  . – Phys Rev, vol. 17, p. 475 (1921).

  • (5) - MITSUI (T.) -   Ferroelectrics and antiferroelectrics in Springer Hanbook of Condensed Matter and Materials Data First Edition.  -  Berlin Heidelberg : Springer. Pages 903 à 936 (2005).

  • (6) - WHATMORE (R.) -   Ferroelectric Materials in Springer Hanbook of Condensed Matter and Materials Data Second Edition.  -  Heidelberg :...

ANNEXES

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