Matériaux diélectriques et ferroélectriques

Les matériaux diélectriques et ferroélectriques sont des isolants qui se polarisent sous l'effet d'un champ électrique ; les ferroélectriques possèdent en outre une polarisation spontanée qui peut être inversée, ce qui leur confère une permittivité élevée, un couplage piézoélectrique et un comportement de mémoire.

Definition

Un diélectrique est un matériau isolant qui développe une polarisation électrique sous l'effet d'un champ appliqué ; un ferroélectrique est un diélectrique doté d'une polarisation spontanée, résultant d'une structure non centrosymétrique, qui peut être inversée par un champ externe.

Scope

Ce sujet aborde la chimie des isolants polarisables : les mécanismes de la polarisation diélectrique et de la permittivité, les exigences de symétrie pour la piézoélectricité, et la polarisation spontanée et réversible des ferroélectriques, illustrée par les titanates de pérovskite tels que le titanate de baryum. Il traite de la transition de Curie entre les états ferroélectrique et paraélectrique, des domaines et de l'hystérésis, et de la manière dont la composition ajuste ces oxydes pour les condensateurs, les actionneurs, les capteurs et les mémoires.

Core questions

• Quels mécanismes confèrent sa permittivité à un diélectrique ?
• Quelle symétrie cristalline est requise pour la piézoélectricité et la ferroélectricité ?
• Comment la polarisation spontanée apparaît-elle et s'inverse-t-elle dans un ferroélectrique ?
• Comment la transition de Curie relie-t-elle les états ferroélectrique et paraélectrique ?

Key concepts

• Permittivité diélectrique
• Polarisation électronique, ionique et dipolaire
• Piézoélectricité
• Polarisation spontanée
• Température de Curie
• Domaines ferroélectriques et hystérésis

Key theories

Mécanismes de polarisation et permittivité

Un champ appliqué déplace la charge dans un diélectrique par polarisation électronique, ionique et dipolaire, stockant de l'énergie et augmentant la capacité effective ; l'amplitude et la réponse en fréquence de la permittivité reflètent les mécanismes en jeu.

Ferroélectricité issue d'une distorsion polaire

En dessous de la température de Curie, les pérovskites telles que le titanate de baryum adoptent une structure non centrosymétrique avec une polarisation spontanée et réversible ; la distorsion de mode mou associée confère une très haute permittivité et le couplage piézoélectrique exploité dans les dispositifs.

Mechanisms

Dans les pérovskites ferroélectriques, un léger déplacement excentré du cation crée un dipôle ; en dessous de la température de Curie, ces dipôles s'alignent en domaines, générant une polarisation spontanée, et un champ appliqué réoriente les domaines, produisant la boucle d'hystérésis et la forte déformation piézoélectrique utilisée dans les dispositifs.

Clinical relevance

Les matériaux diélectriques et ferroélectriques sont à la base des condensateurs céramiques multicouches, des capteurs piézoélectriques, des actionneurs et des transducteurs à ultrasons, des diélectriques de grille ferroélectriques et à haute permittivité en microélectronique, et des mémoires ferroélectriques non volatiles, avec une composition choisie pour ajuster la permittivité, la température de Curie et le couplage.

History

La piézoélectricité a été découverte par les frères Curie en 1880, et la ferroélectricité a été reconnue pour la première fois dans le sel de Rochelle dans les années 1920. La découverte en temps de guerre de la ferroélectricité dans le titanate de baryum, et les études structurales de Megaw sur sa distorsion de pérovskite, ont établi les oxydes ferroélectriques qui dominent désormais les condensateurs électrocéramiques et les dispositifs piézoélectriques.

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre un diélectrique et un ferroélectrique ?

Tous les ferroélectriques sont des diélectriques, mais un diélectrique ordinaire ne se polarise que lorsqu'un champ est appliqué et retrouve une polarisation nulle une fois le champ retiré. Un ferroélectrique possède une polarisation spontanée même sans champ, et cette polarisation peut être commutée entre des orientations stables, offrant ainsi des propriétés de mémoire et d'hystérésis.

Pourquoi un ferroélectrique perd-il ses propriétés spécifiques lorsqu'il est chauffé ?

Au-dessus de sa température de Curie, un ferroélectrique se transforme en une structure paraélectrique de symétrie plus élevée et centrosymétrique, dans laquelle la distorsion polaire disparaît. Sans polarisation spontanée, les comportements ferroélectrique et piézoélectrique disparaissent jusqu'à ce que le matériau soit refroidi en dessous du point de Curie.