Propriétés et Applications des Matériaux Ferroélectriques

 La direction de polarisation spontanée de certains cristaux pyroélectriques peut être réorientée ou même renversée sous l’action d’un champ électrique externe. Leur polarisation n’est pas une fonction linéaire du champ électrique appliquée [7] et une polarisation spontanée subsiste même en l’absence de champ. Leur polarisation décrit une hystérèse en fonction du champ électrique appliqué. Par analogie avec le comportement des ferromagnétiques sous champ magnétique, Muller leur donna le nom de ferroélectrique en 1935. La polarisation est une manifestation de la nature électrique des matériaux. Quand la moyenne de tous les ions positifs coïncide parfaitement avec celle des négatifs, la polarisation est nulle, il n’y-a pas de ferroélectricité. Dans le cas contraire, en présence d’une différence même minimum entre ces moyennes, on aura forcément plus de charges d’un signe d’un côte de l’autre, on obtient ainsi une certaine densité de charges de signe opposé sur deux surfaces opposés du matériau ; la polarisation n’est pas nulle et on dit que le matériau a une polarisation rémanente (Pr). Mais ce n’est pas tout, si on applique un voltage qui repousse les charges respectives entre les deux surfaces, on peut forcer le matériau à inverser son état de polarisation. La n ature nous offre donc le pouvoir de choisir, à l’aide d’un simple voltage, entre deux états électriques stables mais distincts. La ferroélectricité est un sous groupe de la pyroélectrique, Un matériau pyroélectrique [8] possède une polarisation spontanée en l’absence d’un champ électrique extérieur. Donc, Les composés ferroélectriques constituent une classe des matériaux pyroélectriques; de plus leur polarisation peut être inversée par l’application d’un champ électrique extérieur. Dans l’état ferroélectrique, le centre de gravité de charges positives ne coïncide pas avec celui des charges négatives. La ferroélectricité disparait au dessus d’une température appelée température de transition ou température de Curie (notée Tc) ; le matériau est alors dans un état paraélectrique et sa polarisation spontanée est nulle.  La compréhension et la caractérisation des phénomènes mis en jeu comportent plusieurs aspects :  La réponse du matériau au champ électrique caractérisée par des mesures de constante diélectrique et par des mesures de polarisation en fonction du champ électrique.  L’étude des contraintes de symétrie nécessaires à l’existence de ce type de transition.

Réponse du matériau au champ électrique

Permittivité relative (Constante diélectrique) 𝜺𝒓 : Elle est la propriété principale qui caractérise le diélectrique, la permittivité relative : 𝜺𝒓= 𝜺 𝜺𝝄 𝜺𝝄: La permittivité du vide. Figure 1 : Evolution de la permittivité relative en fonction de la température à une fréquence déterminée.  Au point de Curie, La permittivité relative atteint une valeur maximale ; Au- delà de (Tc), le matériau ferroélectrique devient paraélectrique, et la permittivité relative suit la loi de Curie [9] est : 𝜺𝒓 = 𝒄 𝑻 − 𝑻𝒄 Où 𝑪 et 𝑻𝒄 sont respectivement la constante et la température de Curie-Weiss (K) et T : la température absolue. I.1.3- Symétrie et polarisation : La symétrie des cristaux est étroitement liée à leurs propriétés structurales et physiques. C’est en particulier le cas des propriétés élastiques (conductivité, permittivité), optique (linéaire ou non) ou électromagnétiques. Le principe de Neumann pose que les éléments de symétrie de toutes les propriétés physiques d’un cristal doivent contenir tous les éléments de son groupe ponctuel. Au plan macroscopique, la symétrie d’un cristal est caractérisée par un des 32 groupes ponctuels ou classe de symétrie. Parmi eux, possédant un centre de symétrie. Dans ces conditions, dans les cristaux appartenant à ce s classes, les barycentres des charges positives et négatives sont confondus et aucune polarisation ne peut se développer de manière permanente. Les 21 groupes restant sont dépourvus de centre de symétrie. Les cristaux appartenant à ces groupes présentent un ou plusieurs axes cristallographiques uniques, axes dont les extrémités opposées ne peuvent être mises en coïncidence par aucune des opérations de symétrie de la classe cristalline. Dans ces cristaux non Centro-symétriques (exception faite -pour des raisons de combinaison d’éléments de symétrie- de ceux appartenant au groupe 432), une polarisation peut se développer sous l’influence d’une contrainte mécanique : c’est l’effet piézoélectrique directe. Ces mêmes cristaux se déforment sous champ électrique par l’effet piézoélectrique inverse. On les désignera sous le terme de cristaux piézoélectriques [10]. Parmi les 20 groupes qui présentent l’effet piézoélectrique, ce qui signifie, comme nous le disons que l’application d’une contrainte mécanique induit l’application d’un moment dipolaire. Ces 10 entre eux (1 ; 2 ; m ; mm2 ; 4 ; 4mm ; 6 et 6mm) sont  caractérisés par la présence d’un seul axe unique. Ces groupes et les cristaux correspondants sont dits polaires. La p résence d’un seul axe unique entraîne la séparation des barycentres des charges positives et négatives et par la même l’existence d’une polarisation spontanée Ps (densité volumique de moments dipolaires) le long de cet axe. Comme cette polarisation spontanée varie avec la température, ils sont appelés pyroélectriques. Parmi les cristaux pyroélectriques (spontanément polarisés, certains peuvent voir leur polarisation spontanée changer de sens sous l’action d’un champ électrique convenablement appliqué). De tels cristaux sont appelés ferroélectriques. Les diverses filiations qui viennent d’être évoquées sont résumées à la figure cidessus [12] : Figure 2 : Propriétés des diverses classes de symétrie cristalline.Tableau 1 : Groupes ponctuels compatibles avec l’existence de la pyroélectricité [11]. [Von Der Mûhll 2003] [Schwarezenbach 1993] [Guiffard 1999t] [www.iucr.org]. L’existence d’une polarisation spontanée dans un matériau prouve qu’il n’est isotrope; son groupe de symétrie ponctuel (d’après [Lide 2001] [Joo 1986t] [Von Der Mûhll 2003]) doit être compatible avec celui d’un champ électrique. Les conditions structurales conduisant à la réversibilité de la polarisation sous l’action d’un champ électrique d’un matériau pyroélectrique (ferroélectricité) ne peuvent pas être déduites directement de son groupe de symétrie. Elles sont liées à l’existence à haute température d’une phase de groupe symétrie non pyroélectrique (non polaire) qui se transforme à plus basse température en phase polaire. Le tableau ci-dessous regroupe les différents groupes d’espace compatibles avec l’existence de la pyroélectricité.