Matériaux ferroélectriques - Propriétés, mise en œuvre et perspectives

Anticipée pendant des décennies à la fin du XIX^e 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.