Composites ferroélectriques/diélectriques commandables pour ...

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Chapitre 1 : Etat de l’art des céramiques ferroélectriques et de leurs composites pour applications microondes 1.3.2 K(Ta,Nb)O3 K(Ta,Nb)O3 (KTN) sous forme solide est un candidat possible pour les applications micro-ondes accordables. C’est un matériau composé d’une solution solide entre KTaO3 paraélectrique (très similaire à SrTiO3) et KNbO3 ferroélectrique (avec une séquence de transitions de phase identique à celle de BST, voir Figure 1.10 a)). Le KTN possède beaucoup d’analogies avec le BST. En effet, il présente une gamme de température de Curie TC comprise entre 0 K et 700 K [23] (Figure 1.10 b)). Les monocristaux de KTN sont soumis à de fortes premières transitions de phase de telle sorte que la permittivité diélectrique est supérieure à 1000 sur une large gamme de température (Figure 1.10 b)). Figure 1.10 : a) Diagramme de phase de KnBO3 – KTaO3 [23] b) Evolution de la permittivité en fonction de la température ; les pourcentages indiquent la proportion de KTaO3 ; mesures sous un champ de 5 V/cm et 10 kHz [23] La céramique de KTN présente une anomalie diélectrique qui se traduit par une importante dispersion de fréquence du comportement diélectrique de type relaxeur [22][24][25]. La constante diélectrique de la céramique est plus petite que dans les monocristaux, mais reste élevée (Figure 1.11). L'agilité est plus importante que dans la céramique BST (pour une même valeur de la permittivité et du champ appliqué). Par exemple, une céramique massive de K(Ta0.6Nb0.4)O3 à température ambiante (εr = 1700 agilité = 17%) nécessite un champ de polarisation en continu de 11 kV/cm [22]. Alors que dans une céramique massive de Ba0.65Sr0.45TiO3, les mêmes valeurs d’agilité et de permittivité correspondent à un champ de polarisation de 28 kV/cm. 20
Chapitre 1 : Etat de l’art des céramiques ferroélectriques et de leurs composites pour applications microondes Figure 1.11 : Evolution de la permittivité et de la tangente de pertes de KTa0,6Nb0,4O3 à différentes fréquences [22]. Les flèches verticales indiquent la direction du changement de fréquence (de la fréquence la plus petite à la plus élevée) Le point pénalisant dans la céramique KTN est la nature relaxeur de la matière, qui est apparemment liée à des fluctuations de composition dans le composé (forte volatilité du potassium). Ce point peut entraîner une dispersion de l'agilité et de fortes pertes diélectriques aux fréquences micro-ondes. 1.3.3 Conclusion Cette étude a permis de montrer les principaux matériaux ferroélectriques pour la réalisation de dispositifs agiles. Il existe une multitude de matériaux ferroélectriques déjà explorés dans la littérature. De tous les articles publiés sur ce sujet, deux matériaux semblent être plus prometteurs que les autres : le KTN et le BST. Le KTN est un matériau qui a été récemment sujet à un grand nombre de publications. Ses performances sont prometteuses cependant, son procédé de fabrication est rendu difficile par la forte volatilité du potassium. Cette difficulté peut induire une relaxation en fréquence de ce matériau, et entraîner une dispersion de l'agilité et de fortes pertes diélectriques aux fréquences micro-ondes. Le BST a été également très étudié depuis un grand nombre d’année. Son principal avantage est son procédé de fabrication, plus simple que celui du KTN. Son agilité est excellente et ses pertes diélectriques sont raisonnables aux fréquences microondes. Il existe de nombreuses méthodes pour réduire les pertes comme le dopage ou la voie composite avec un matériau à faibles pertes diélectriques. De plus le laboratoire de Nanocomposites et Matériaux Multifonctionnels (LNMM) de Thales TRT a une connaissance approfondie de ce matériau. Dans la suite du manuscrit, la phase retenue est le titanate de baryum strontium qui sera noté BST. 21
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