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Auteur(s)
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Geneviève GODEFROY : Professeur émérite à l’Université de Bourgogne - Laboratoire de physique URA / CNRS n 1796 – Dijon
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Lire l’articleINTRODUCTION
La découverte du premier ferroélectrique utilisé à l’époque pour ses vertus curatives, sel de Seignette ou sel de Rochelle, tartrate double de sodium et potassium hydraté remonte à 1 655. Néanmoins, la ferroélectricité présente encore des aspects actuels très intéressants tant sur le plan fondamental que pour les applications qui se développent dans les domaines électronique et optique. Sont ferroélectriques des composés polyatomiques très polarisables non centrosymétriques, dans lesquels existe un champ électrique local très fort, non nul même en l’absence de champ électrique appliqué, dû à une polarisation rémanente. Celle-ci peut être changée de sens sous l’action d’un champ électrique dont la valeur est supérieure à un certain seuil, appelé champ coercitif. Polarisation rémanente et champ coercitif sont les deux données caractéristiques de la ferroélectricité : celles-ci sont mises en évidence sur le cycle d’hystérésis ferroélectrique. Ces propriétés spécifiques ne sont utilisées que dans deux types d’applications : les mémoires non volatiles et les diodes optiques.
En fait, ce sont plutôt la très grande polarisabilité et l’existence de la non-centrosymétrie entraînant la non-nullité des tenseurs d’ordre impair qui donnent une importance pratique aux ferroélectriques : fortes valeurs de la constante diélectrique (condensateurs), du coefficient pyroélectrique (détecteurs infrarouge), des constantes piézoélectriques (transducteurs, actuateurs), des coefficients non linéaires optiques (doubleurs) et des coefficients électro-optiques (modulateurs).
L’objet de ce chapitre est surtout de présenter les matériaux ferroélectriques dans un contexte théorique adapté à leurs utilisations dans les applications : un premier paragraphe est consacré à l’électronique, un deuxième beaucoup plus bref à l’optique et un troisième fait le point sur les couches minces ferroélectriques. Il n’est fait mention ni des méthodes de mesure des constantes physiques, ni de la technologie des dispositifs, ni de la fabrication des céramiques et cristaux, puisqu’on peut trouver toutes ces informations dans les articles spécialisés de la collection.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1985 par François MICHERON
- Version courante de déc. 2020 par Mario MAGLIONE, Catherine ELISSALDE
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Ferroélectricité et applications électroniques1. Qu’est-ce que la ferroélectricité ?
1.1 Définition de la ferroélectricité et exemples
Parmi les isolants électriques, les plus courants sont les diélectriques linéaires qui acquièrent une polarisation proportionnelle au champ électrique appliqué ; sous champ nul ils sont donc complètement dépolarisés, c’est‐à‐dire que les centres de gravité des charges électriques positives et négatives de la matière sont confondus. Il existe des substances très polarisables, diélectriques non linéaires, qui possèdent une polarisation rémanente (ou spontanée)
en l’absence de champ appliqué dont le signe (ou le sens) peut être inversé par un champ électrique de valeur supérieure à un seuil, appelé champ coercitif E c . Le graphe représentatif de la polarisation en fonction du champ électrique appliqué est un cycle d’hystérésis (figure 1), qui ressemble à celui de l’aimantation en fonction du champ magnétique dans les ferromagnétiques. C’est pourquoi ces diélectriques non linéaires ont été appelés ferroélectriques.
La polarisation rémanente dépend de la température T ; les ferroélectriques sont donc également pyroélectriques avec un coefficient pyroélectrique p défini comme la dérivée de la polarisation par rapport à la température, sous champ nul et en l’absence de contraintes.
Polarisation rémanente et pyroélectricité disparaissent au-dessus d’une température, dite température de transition de phase T o , la substance passant alors de la phase ferroélectrique à une phase paraélectrique, ou diélectrique linéaire. Cette transition de phase s’accompagne d’un changement de structure, par passage d’une classe cristallographique polaire à une non polaire. La transition peut être brutale, de premier ordre, de type displacif, ou douce, de second ordre, de type ordre-désordre. Deux exemples sont montrés sur la figure 2, retracée à partir du livre récent consacré aux ferroélectriques et à leurs applications [1]...
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