Modèle diélectrique de la permittivité des matériaux ferroélectriques
Résumé
Les matériaux ferroélectriques sont aujourd’hui largement étudiés pour leur permittivité élevée (high-k) et leur accordabilité en tension. Ces propriétés permettent d’envisager l’emploi de ses matériaux dans des dispositifs agiles destinés à une utilisation en hyperfréquences. La forte valeur de permittivité est liée à l’existence d’un moment dipolaire permanent au sein des mailles cristallographiques ainsi qu’à l’organisation de ces mailles en domaines qui confèrent au matériau des propriétés non linéaires. Expérimentalement, la permittivité du matériau ferroélectrique est couramment déterminée à partir de la capacité d’un condensateur plan auquel est appliqué un champ excitateur sinusoïdal de faible amplitude. Dans le cas d’un diélectrique classique, la valeur de l’amplitude du champ excitateur n’a pas d’influence sur la permittivité Epsilon r' et les pertes tan delta du matériau, alors que pour un matériau ferroélectrique, ces deux grandeurs peuvent varier significativement suivant l’amplitude de l’excitation. Lorsque l’on évalue l’accordabilité du matériau sous champ électrique continu Ebias, elle est également dépendante de l’amplitude du champ excitateur de mesure. Une compréhension plus approfondie des mécanismes reliés semble indispensable et il apparaît nécessaire d’uniformiser les conditions de mesure afin de pouvoir comparer les propriétés des différents matériaux.Par analogie avec les matériaux ferromagnétiques, le modèle de Rayleigh décrit le comportement de matériaux contenant des interfaces dont le mouvement donne naissance à un phénomène d’hystérésis. Dans le cas des matériaux ferroélectriques, ces interfaces sont associées aux parois de domaine. Leur position varie sous l’action d’un faible champ électrique alternatif, modifiant ainsi la polarisation et la valeur de la permittivité du matériau. Ce modèle semi empirique ne considère néanmoins que les pertes associées aux parois de domaines et sous estime donc les pertes diélectriques mesurées. Le modèle diélectrique de la permittivité des matériaux ferroélectriques proposée dans notre étude possède l’avantage de considérer l’ensemble des pertes associées au matériau (pertes liées à l’interface électrode/matériau, mouvements des parois de domaines…) et permet de dissocier chaque contribution. Il est alors possible d’en déduire les conditions optimales d’utilisation d’un matériau, ce qui revient à obtenir un meilleur compromis entre accordabilité élevée et pertes diélectriques faibles.