Matériaux diélectriques

Les matériaux diélectriques sont principalement mis en œuvre pour la réalisation de condensateurs utilisés dans tous les domaines de l'électrotechnique, de la microélectronique et des télécommunications. Certains matériaux diélectriques possèdent en plus des propriétés (ferroélectriques, piézoélectriques, pyroélectriques, optiques) ayant des applications dans le domaine des capteurs, des actionneurs et de l'optique non linéaire.

Si on reste dans un premier temps dans le domaine des condensateurs, le premier critère d'optimisation concerne sa capacité C qui s'écrit :

où ${ϵ}_0$ est la permittivité diélectrique du vide, ${ϵ}_r$ la constante diélectrique relative du matériau utilisé, S la surface des électrodes du condensateur et e l'épaisseur séparant ces deux électrodes. En s'appuyant sur l'équation (1), on voit que le développement de nouveaux condensateurs implique, soit la recherche de nouveaux matériaux pour adapter ${ϵ}_r$ , soit de modifier la géométrie du condensateur S/e. Cette double stratégie est actuellement employée dans le domaine de la microélectronique lorsqu'il s'agit d'augmenter C. Si la géométrie S/e est fixée, on cherche à remplacer le matériau diélectrique actuel (la silice SiO₂ , ${ϵ}_r=\mathrm{3,9}$ ) par un oxyde de plus grande permittivité (par exemple, HfO₂ , ${ϵ}_r=30$ ). Si, par contre, on a le choix de la géométrie, on peut continuer à utiliser la silice en augmentant énormément S par exemple en réalisant des tranchées à fort facteur de forme ou en utilisant des matériaux nanostructurés tels les nanotubes de carbone qui offrent une surface spécifique très élevée.

Cet article est divisé en trois parties. Tout d'abord, nous rappellerons succinctement les différents mécanismes microscopiques susceptibles d'augmenter la permittivité diélectrique ${ϵ}_r$ , d'expliquer sa variation en fonction de la fréquence et les pertes diélectriques associées. Dans une seconde partie, nous listerons les types de condensateurs actuellement utilisés en électronique et dans les applications de stockage d'énergie. À cette occasion, les différentes spécifications techniques des condensateurs seront définies. Nous terminerons par une description des pistes de recherche actuelles pour l'amélioration des performances des matériaux diélectriques.