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On appelle ferroélectricité la propriété selon laquelle un matériau possède une polarisation électrique à l'état spontané, polarisation qui peut être renversée par l'application d'un champ électrique extérieur. La signature d'un matériau ferroélectrique est le cycle d'hystéresis de la polarisation en fonction du champ électrique appliqué. Le préfixe ferro- fut emprunté au ferromagnétisme par analogie.

L'étude des matériaux ferroélectriques est relativement récente ; il fallut attendre le début des années 1950 et la découverte d'oxydes ferroélectriques simples de structure pérovskite pour pouvoir progresser dans la compréhension de cette propriété.

Aujourd'hui, les matériaux ferroélectriques sont très largement exploités en microélectronique en raison de leurs propriétes diélectriques qui peuvent être ajustées avec la composition chimique ou encore la mise en forme du matériau. Ils sont utilisés pour la réalisation de divers composants : filtres, condensateurs etc.

On peut expliquer cela simplement en évoquant le décalage des barycentres des charges positives et négatives.

modifier Historique

La ferroélectricité a longtemps été connue uniquement dans le sel de Seignette, un sel de composition chimique et de structure cristallographique complexe. Cette complexité a freiné les recherches et laissé penser que la ferroélectricité était une propriété tout à fait exotique nécessitant des conditions bien particulières (liaisons hydrogène notamment). De plus, cette propriété ne trouvait alors aucun intérêt pratique.

Un saut majeur dans l'étude des ferroélectriques a été la découverte au début des années 1950 des oxides ferroélectriques de structure pérovskite : BaTiO₃, PbTiO₃, etc. Ces matériaux plus simples ont permis le développement de théorie de la ferroélectricité.

modifier Cycle d'hystérésis ferroélectrique

Schéma d'un cycle d'hystérésis

Un matériau ferroélectrique est caractérisé par un cycle d'hystérésis décrit par la polarisation en fonction du champ appliqué. De même que pour les matériaux ferromagnétiques, on parlera de ferroélectrique «  dur » ou «  mou » selon la forme de la courbe. Le cycle est caractérisé principalement par une polarisation rémanente, une polarisation de saturation et un champ électrique coercitif.

Un cycle d'hystérésis est habituellement mesuré avec un montage dit de Sawyer-Tower.

Les pertes diélectriques, toujours présentes dans le matériau peuvent déformer significativement le cycle d'hystérésis et rendent parfois l'interprétation des mesures hasardeuses.

modifier Transitions de phase ferroélectriques

Habituellement on observe une variation rapide des propriétés diélectriques (par exemple la polarisation) à la température de Curie T_c (ou température de transition de phase T_tr). Si elle est continue, elle indique une transition du second ordre selon la théorie de Landau, car le degré d’ordre tend continûment vers zéro lorsque la température augmente.

Polarisation spontanée en fonction de la température dans les matériaux ferroélectriques.

On distingue généralement deux sortes de transitions ferroélectriques :

• La transition ordre-désordre : généralement, dans la phase paraélectrique les mailles du cristal ont un moment dipolaire sans orientation privilégiée car les dipôles permanents sont parfaitement désordonnés ; la polarisation macroscopique est donc nulle. Au contraire dans la phase ferroélectrique les moments dipolaires des différentes mailles présentent un ordre orientationnel.

• La transition displacive (de l’anglais displace qui veut dire déplacer) : le moment dipolaire est inexistant dans la phase paraélectrique, même au point de vue microscopique, généralement pour des raisons de symétrie cristalline (le matériau est alors dans sa phase cubique). Il apparaît au moment de la transition car le déplacement des atomes crée des dipôles orientés selon l’axe de déplacement.

Ces deux modèles de transitions sont des modèles idéalisés. Dans un système réel, on peut trouver des transitions de phases qui présente des caractéristiques. On a longtemps considéré que le titanate de plomb était l'exemple type d'une transition displacive, toutefois des aspects caractéristiques d'une transition ordre-désordre ont également été mis en évidence et sont encore sujet à discussion¹.

modifier Utilisations des matériaux ferroélectriques

Les materiaux ferroelectriques tel que le BST font l'objet de nombreuses etudes pour la réalisation de fonctions agiles aux fréquences micro-ondes. Ces matériaux ont des propriétés diélectriques, notamment une constante diélectrique, qui peuvent être modifiées sous l’action d’un champ électrique dont la commande est facilement intégrable sur les dispositifs planaires.

modifier Notes et références

modifier Bibliographie

• (en) Warren P. Mason, « Fifty years of ferroelectricity », dans Journal of the acoustical society of America, vol. 50, 1971, p. 1281-1298 texte intégral.

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