Diélectriques à haute permittivité - Effets des nanostructures et microstructures

Les matériaux diélectriques ont divers rôles pour des utilisations aussi bien en électronique qu'en électricité. Dans les condensateurs, ils peuvent servir autant au stockage d'énergie qu'au découplage de circuits électroniques. Dans les transistors à effet de champ, ils sont essentiels pour la réalisation des grilles et leur permittivité est déterminante pour la définition des dimensions de ce composant.

Actuellement, la fabrication de diélectriques sans plomb est devenue un enjeu majeur à cause de la volatilité de l'oxyde de plomb (PbO) et de son caractère nocif pour la santé humaine et l'environnement. Plusieurs pays en Europe visent à éliminer l'utilisation de produits basés sur du plomb à court terme et des matériaux diélectriques alternatifs sont donc recherchés. En outre, la volatilisation du PbO engendre des variations dans la composition des céramiques, ce qui modifie fortement leurs propriétés diélectriques et rend leur fabrication plus difficile.

Pour l'industrie électronique, d'autres difficultés s'ajoutent à cette restriction. La minimisation des composants fait que la conception de nouveaux transistors à effet de champ, aux dimensions inférieures à 100 nm, nécessite l'utilisation de couches très minces pour la grille, car le rapport d'aspect de ce composant est déterminant pour son fonctionnement. Or, des diélectriques très fins permettent la conduction électronique par effet tunnel, ce qui engendre des problèmes à la fois de surconsommation d'énergie et de surchauffe des transistors. Néanmoins, l'utilisation de matériaux à plus haute constante diélectrique permet l'augmentation de l'épaisseur de la grille. Cette propriété est donc essentielle pour la diminution de la taille des transistors et donc l'augmentation de leur vitesse.

Parallèlement, la diminution de la taille des condensateurs est une nécessité pour la diminution de la distance entre les composantes passives et actives des circuits électroniques. Cette distance étant déterminante dans le temps d'envoi d'un signal électrique, un des grands enjeux actuels consiste à pouvoir réaliser des condensateurs en couche mince directement sur la plaque des circuits imprimés. Cependant, les céramiques à forte permittivité présentent des températures de frittage de l'ordre de 1 000 ^oC, très supérieures aux températures maximales acceptées par les substrats polymères couramment utilisés.

En outre, pour les applications liées au stockage d'énergie, l'optimisation des paramètres géométriques pousse souvent les fabricants à utiliser un design en couches minces multiples pour les condensateurs à forte capacité. Or, peu des métaux utilisés en tant qu'électrodes sont compatibles avec les températures de frittage des céramiques à haute permittivité. Il faut ajouter à cela que ces céramiques ne sont pas compatibles avec les procédés moins coûteux de réalisation de dispositifs en couches minces, comme l'impression par encre.

C'est la raison pour laquelle la recherche de nouveaux matériaux présentant à la fois des bonnes performances et peu de danger pour l'environnement s'est tournée vers la nano- et la microstructuration. Ces techniques permettent soit d'améliorer les propriétés des diélectriques utilisés couramment, soit d'introduire de nouveaux matériaux pour la confection de condensateurs.

Dans cette optique, le présent article vise à explorer les deux voies majeures de structuration des diélectriques : la confection de composites à base de matrice polymère et la modification des propriétés cristallographiques des céramiques. Une première partie décrira les phénomènes physiques permettant d'optimiser les performances des diélectriques. Ensuite, les techniques de fabrication seront comparées, avec un regard sur leur apport à la qualité du matériau final. Des exemples serviront à montrer l'application des différentes techniques à l'obtention de bonnes propriétés. Au final, une comparaison sera faite entre les différentes familles de diélectriques présentées.