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Article

1 - QU'EST-CE QU'UN MATÉRIAU DIÉLECTRIQUE À HAUTE PERMITTIVITÉ ?

2 - PRINCIPAUX MATÉRIAUX À HAUTE PERMITTIVITÉ

3 - OPTIMISATION DES MATÉRIAUX

4 - PROCÉDÉS DE FABRICATION

5 - COMPARAISON DES PERFORMANCES

6 - CONCLUSIONS

Article de référence | Réf : AF6632 v1

Qu'est-ce qu'un matériau diélectrique à haute permittivité ?
Diélectriques à haute permittivité - Effets des nanostructures et microstructures

Auteur(s) : Gustavo DO AMARAL DE ANDRADE SOPHIA

Date de publication : 10 juil. 2013

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RÉSUMÉ

Le besoin de nouveaux diélectriques à haute permittivité pour l’électronique et le stockage d’énergie, respectant les nouvelles restrictions environnementales à l’utilisation du plomb, a poussé la recherche vers le contrôle de la structure nano- et microscopique des matériaux. Un état de l’art de ces composés est exploré, avec l’étude des mécanismes impliqués, des principales théories, des familles de matériaux les plus couramment utilisés, des voix d’optimisation et des particularités des procédés de fabrication.

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ABSTRACT

High permittivity dielectrics. Effects of nano and microstructures

The need for new high permittivity dielectrics for electronics and energy storage, complying with new environmental restrictions on the use of lead, has steered research towards the control of the micro- and nanostructure of materials. The state-of-the-art of these compounds is dealt with, along with the study of the mechanisms involved, the main theories, the most commonly used classes of materials , means of optimization and the specificities of production processes.

Auteur(s)

INTRODUCTION

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.

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KEYWORDS

permittivity   |   nanostructure   |   microstructure   |   dielectrics composites   |   nanostructured ceramics   |   electronics   |   energy storage

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6632


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1. Qu'est-ce qu'un matériau diélectrique à haute permittivité ?

Un matériau diélectrique est un matériau ne contenant pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique, c'est-à-dire que c'est un milieu qui ne peut pas conduire le courant électrique. C'est par exemple, le verre, des céramiques et de nombreux plastiques, mais aussi bien sûr le vide. Les diélectriques peuvent être à l'état gazeux, liquide ou solide.

Malgré l'impossibilité des milieux diélectriques de conduire le courant, leur comportement sous champ électrique est très variable. En effet, les atomes qui constituent le matériau peuvent interagir avec un champ électrique extérieur. Cette interaction crée une polarisation du matériau reliée au champ électrique extérieur.

La permittivité, plus précisément permittivité diélectrique, est la propriété physique qui décrit la réponse du milieu au champ électrique appliqué. C'est une grandeur macroscopique. Elle traduit la façon dont le champ électrique influe sur l'organisation des charges électriques dans un matériau donné, notamment le déplacement des charges et la réorientation des dipôles électriques.

Dans le cas d'un milieu linéaire, homogène, isotrope, et avec réponse instantanée aux changements du champ électrique E, la réponse du matériau correspondant aux différents phénomènes de polarisation se traduit par une polarisation induite notée P, définie par :

où e désigne la permittivité sous forme scalaire. Dans le système international de mesures (SI), l'unité de e est le CV–1m–1, soit F/m. Le plus souvent, néanmoins, on utilise la permittivité relative er, reliée à la permittivité par la relation suivante :

où e0 est la permittivité du vide, qui vaut 8,85 × 10–12 F/m. La permittivité relative est donc sans unité. Si le matériau n'est pas isotrope, la permittivité est un tenseur et le champ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - XIA (F.), CHENG (Z.Y.), XU (H.), LI (H.), ZHANG (Q.M.), KAVARNOS (G.J.) et al -   High electromechanical response in a poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) terpolymer.  -  Adv. Mater., 14, p. 1574-1577 (2002).

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  • (5) - KUTNJAK (Z.), FILIPIC (C.), PIRC (R.), LEVSTIK (A.), FARHI (R.), MARSSI (M.E.) -   Slow dynamics and periodicity breaking in a lanthanum-modified lead zirconate titanate relaxor system.  -  Phys....

1 Sites Internet

Paumanok http://www.paumanokgroup.com

KEMET – Notes d'application pour des condensateurs céramiques multicouches (Application notes for multilayer ceramic capacitors) https://www.kemet.com/en/us.html_CerPerChar.pdf

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