Composites ferroélectriques/diélectriques commandables pour ...

Chapitre 1 : Etat de l’art des céramiques ferroélectriques et de leurs composites pour
applications microondes
1.2.4.2 Origine des pertes
Aux basses fréquences, les pertes diélectriques sont à associer à la polarisation de
charges d’espace (pertes par conductivité) et à la polarisation dipolaire, phénomènes
décrits dans les paragraphes précédents diélectriques [18][19][20].
Comme nous l’avons vu, la permittivité aux fréquences micro-ondes est
essentiellement due à la polarisation ionique Pi. Le mécanisme de polarisation Pi est
responsable des résonances qui se situent dans la gamme des térahertz, soit trois
ordres de grandeur au-dessus des fréquences micro-ondes. Cet éloignement n’a pas
d’influence sur la partie réelle de la permittivité, il n’en va pas de même pour la partie
imaginaire qui croit régulièrement avec la fréquence. Ce comportement peut être
expliqué comme une sous-structure du spectre infrarouge. En effet, celui-ci comporte
d’une part des raies d’absorption principales correspondant aux phonons optiques
transverses, d’autre part des raies secondaires qui sont liées à des interactions
additives ou soustractives entre les différentes branches de phonons. Ce sont ces
dernières qui contribuent aux pertes diélectriques.
Les pertes intrinsèques du matériau sont à associer aux vibrations anharmoniques
des phonons dans les cristaux parfaits.
Une autre source de pertes est celle causée par les ruptures de périodicité dans le
réseau du fait de défauts ponctuels, tels que les dopants ou les impuretés, les
lacunes, les paires de défauts (paire de Schottky ou de Frenkel). Ces défauts
conduisent à des termes de diffusion de phonons ou à de l’atténuation.
Enfin, les pertes dans les céramiques (cas d’un matériau réel) dues aux dislocations
étendues, aux joints de grains, aux inclusions et aux phases secondaires sont
appelées des pertes extrinsèques. Elles sont dues aux relaxations dipolaires des
impuretés (Pd), aux relaxations des charges d’espace (Ps) ou à l’effet Maxwell-
Wagner-Sillars, phénomènes dus aux porteurs de charges présents aux interfaces
qui ont été polarisés préalablement. A ces pertes s’ajoutent les relaxations dues aux
déplacements des murs de domaines à 90°, phénomène qui sera développé
ultérieurement.
Cette description des pertes diélectriques est correcte dans le cas des oxydes
diélectriques normaux. Dans le cas des matériaux ferroélectriques, ou
paraélectriques proches de la température de transition, les pertes intrinsèques
contribuent fortement aux pertes totales dans le matériau. Tangantsev [21] s’est
attaché à décrire les mécanismes de pertes micro-ondes. La théorie de transport des
phonons a permis une évaluation de la relation qui lie les pertes diélectriques et la
permittivité d’un cristal. Cette étude théorique a été conduite dans le cas des
interactions entre les phonons et le champ électromagnétique dans le cristal. Le
modèle a été établi dans le cas où la réponse diélectrique du cristal est contrôlée
uniquement par un mode optique transversal. C’est une bonne approximation pour
les matériaux présentant un mode mou ferroélectrique. Pour les cristaux
centrosymétriques, il a été démontré que :
ε ’’ α α ε ε
x , avec x = 2.5-5 (13)
La tendance qui est de dire que «plus la permittivité est élevée, plus les pertes sont
élevées» est d’autant plus juste dans le cas des pertes intrinsèques. Le rôle des
pertes intrinsèques dans le processus des pertes croit quand la permittivité du
matériau augmente. Pour les bons ferroélectriques, à l’état paraélectrique ou proche
de la transition, les pertes intrinsèques contrôleraient même en majorité les pertes
diélectriques totales.
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