these de doctorat - universite toulouse

7/26/2019 These de doctorat - Universite Toulouse

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THSETHSEEn vue de l'obtention du

DOCTORAT DE LUNIVERSIT DE TOULOUSEDOCTORAT DE LUNIVERSIT DE TOULOUSE

Dlivr !rl'Universit Toulouse III - Paul SabatierDi"#iline ou "#i!lit $Gnie lectrique

%UR&M. Frdric MAZA!"#AT$ Pro%esseur & l'!S (ac)an$ #a**orteur

M. Petru +TIG,!#$ Pro%esseur & l'Universit Mont*ellier II$ #a**orteurM. Pierre IA$ Pro%esseur & l'Universit Toulouse III$ PrsidentM. T)ierr/ !!"$ irecteur de #ec)erc)e au (#S$ !0a1inateur

M. o2c MA#(,I$ irecteur de la socit P/lote$ !0a1inateurM1e So*)ie GUI!M!T-F#ITS(,$ ()ar3e de #ec)erc)e au (#S$ !0a1inatrice

M. Zarel 4A!Z A4A$ ()ar3 de #ec)erc)e au (#S$ irecteur de t)5seM. ionel AU!AT$ Ma6tre de (on%rences$ (o-directeur de t)5se

#ole do#tor!le $Gnie lectrique$ lectronique$ Tlco11unications$ du s/st51e au nanos/st51eUnit de re#er#e $aboratoire Plas1a et (onversion d'ner3ie 7UM# 89:;ois ()a1*ollion

R!orteur" $Frdric MAZA!"#AT et Petru +TIG,!#

+r"ente et "outenue !r()a% (,!AA,

Le?eudi :; dce1bre 9@:9

Titre $tude des 1canis1es *)/siques & lori3ine de la *er1ittivit colossaleobserve dans certaines cra1iques


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emer iements

Les travaux que je prsente dans ce manuscrit ont t effectus au sein du laboratoireLAPLACE, Ils nauraient pas t possibles sans laide de nombreuses personnes que je tiens remercier.

Mes penses vont en premier lieu, tout naturellement Monsieur Zarel VALDEZ NAVA,Charg de Recherches au CNRS, et Monsieur Lionel LAUDEBAT, Matre de confrencesau centre interuniversitaire Jean-Franois Champollion, pour avoir t mes encadrants au

cours de ces trois annes. Un grand merci pour leur formidable encadrement, leurdisponibilit et pour mavoir fait profiter de leurs connaissances et de leurs qualits tantprofessionnelles quhumaines.

Je remercie sincrement Monsieur. Pierre BIDAN, professeur lUniversit Toulouse III, demavoir fait lhonneur de prsider mon jury de thse, ainsi que pour tous ces conseilsbienveillants et exprience dont il ma fait profiter tout au long de nos discussions.

Je tiens remercier sincrement Monsieur Petru NOTINGHER, professeur lUniversitMontpellier II et Monsieur Frdric MAZALEYRAT, professeur lcole NormaleSuprieure de Cachan, pour avoir valu mon travail de thse et pour avoir accept den treles rapporteurs. Je remercie galement, Monsieur Loc MARCHIN, Directeur de la socitPYLOTE, davoir accept de participer mon jury de thse. Je souhaite aussi remercierSophie GUILLEMET-FRITSCH pour tous ces conseils et les discussions quon a pu avoir surct chimie de mon travail, ainsi que pour lhonneur quelle ma fait en acceptant de faireparti du jury.

Jexprime ma reconnaissance Monsieur Thierry LEBEY, Directeur de Recherche au CNRSqui malgr ses responsabilits, pu suivre mes travaux de prs ; ses conseils prodigieux et sonexprience mont t beaucoup apport.

Je tiens aussi mentionner le plaisir que jai eu travailler au sein du LAPLACE et jenremercie tous les membres, particulirement Christian LAURENT, directeur du laboratoire, etJean-Pascal CAMBRONNE, responsable de lquipe MDCE o jai t accueilli. Jexprimegalement ma gratitude tous ses membres permanents, Sombel DIAHAM, Marie-LaureLOCATELLI, Sorin DINCULESCU, Vincent BLEY, Philippe CASTELAN, David MALEC,et Cline COMBETTE.

Jassocie troitement ce travail tout le personnel technique du laboratoire LAPLACE etcollaborateurs. Je tiens remercier cette occasion Benoit SCHLEGEL, Benoit LANTIN duLAPLACE, Christophe VOISIN et Cdric CHARVILLAT du laboratoire CIRIMAT, ainsique Mnica A. CENCEROS REYES et Esmeralda SAUCEDO SALAZARDU du Laboratoirede microscopie lectronique au centre d'investigation en chimie applique (CIQA) auMexique.


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Je souhaite galement remercier mes collgues doctorants, post-docs, ainsi que tous mes amis,avec qui jai partag des moments agrables, que ce soit au travail o ailleurs.

Que ma famille trouve ici exprime toute ma gratitude envers elle pour toutes ces annes desoutien continu et laffection quils mont tmoigns tout au long de ce travail.

Et finalement, DieuMerci.


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ma mre, mon pre

mes surs et frres.


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Rsum

Ces dernires annes, des matriaux cramiques prsentant une permittivit relative colossale

ont t dcouverts. Les premiers travaux de recherche ont montr quune forte corrlation

existe entre les proprits lectriques et la structure de ces matriaux. Ainsi, plusieurs types de

caractrisations lectriques ont t entrepris. La mesure par spectroscopie dimpdance est, de

loin, la plus utilise; elle a permis partir dune modlisation par des circuits lectriques

quivalents davancer quelques hypothses sur une polarisation interfaciale. Jusqu prsent,

ces interprtations sont toujours sujet discussion et aucun modle ne tient en compte toutes

les proprits connues pour ces matriaux, plus particulirement, une rponse directionnelle

(non-symtrique) par rapport au champ lectrique. Lenjeu de ce travail est de savoir sil y a

une relation entre toutes les caractristiques de ces matriaux et davoir une explication par

des mcanismes physiques les plus simples possibles de lorigine de la permittivit colossale.

Des travaux antrieurs ont montr limportance des effets dinterfaces dans ces matriaux

permittivit colossale, quils soient associs leurs contacts avec les lectrodes mtalliques,

ou bien une non homognit lectrique entre les grains et les joints de grains qui les

constituent. Afin de comprendre quelles sont les interfaces qui contrlent les comportements

de ces matriaux, et spcialement leur rponse non-symtrique, un panel de caractrisations

lectriques ont t effectues ; aussi bien lchelle macroscopique (pastille du matriau

mtallis) qu un niveau local de grains et joints de grains individuels ; avec un soin

particulier la qualit des mesures (conditions, reproductibilitetc). Les rsultats de ce

panel largi de caractrisations sont analyss et confronts aux modles existants dans la

littrature afin damliorer ou de proposer un nouveau modle qui dcrit le plus compltement

possible ce type de matriaux. Les caractrisations lectriques du CCTO (CaCu3Ti4O12) ont

montr des proprits diffrentes de celles des matriaux dilectriques classiques, notamment

la non-symtrie et la faible rsistivit !!! qui mnent reconsidrer la nature dilectrique

de ce type de matriaux. Une caractrisation capacit-tension (C-V) utilis habituellement

pour caractriser les matriaux semiconducteurs a rvl une structure de type Mtal-Isolant-

Semiconducteur au contact matriau-lectrodes. Une telle structure arrive corrler les

diffrents comportements lectriques du matriau et expliquer lorigine de la permittivit

colossale apparente observe dans ces matriaux.

Mots clefs : permittivit colossale, caractrisations lectriques, condensateurs, modlisation,

cramiques, CaCu3Ti4O12, spectroscopie dilectrique.


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Table des matires

Table des matires 1

Avant propos 5

1 Introduction gnrale 9

1 .1 L a p o la ri sa t io n d i l ec t ri qu e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1 .1 .1 D fi ni ti on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1 . 1. 2 D i ff r e nt s t yp e s d e p o l ar i s at i o n di le c t ri q ue . . . . . . . . . . . . . 10

1 .2 M c an is me s d e c o nd uc t io n s o u s c h am p c o nt i nu . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1 .2 .1 C ou ra nt s tr a ns it o ir e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1 .2 .1 .1 D fi ni t io ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1 . 2. 1 .2 C a r ac t ri s at i o n d e s co u ra nt s t ra n si t o ir e s . . . . . . . . . . 14

1 .2 .1 .3 R ve r si bi li t d e s c o u ra nt s d a bs or p ti on e t d e r so rp t io n . . 15

1 .2 .2 C ou ra nt de c on du ct io n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 .2 .2 .1 C o nd uc t io n l i mi t e p a r l es i n te r fa c es . . . . . . . . . . . . 16

1 .2 .2 .2 C o nd uc t io n l im it e pa r l e vo lu me . . . . . . . . . . . . . 19

1 .3 L es C o nd en sa t eu rs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1 .3 .1 D fi ni ti on s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1 .3 .2 L es c o nd en sa t eu r s c r a mi qu es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1 .3 .2 .1 L e s ty p es d e c o n de ns at e ur s c ra mi qu es . . . . . . . . . . . 25

1 . 3. 3 L e s c o nd e ns a t eu r s c r am i qu e p o u r l l ec t r on i qu e d e p u i s sa n ce . . . 27

1 .3 .3 .1 L e d c ou pl ag e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1 .3 .3 .2 L e fi lt ra ge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1 .3 .3 .3 L e s c o n de ns at e ur s c ra mi qu es p o ur l e s t oc ka ge d ne r gi e . 28

2 Proprits et modles pour les matriaux permittivit colossale 31

2 .1 M at ri au x p e rm it t iv it r e la t ive c ol o ss al e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 .1 .1 H is to ri qu e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 . 1. 2 P r op r i t s d e s m a t r i au x p e r m i t t iv i t d i l ec t r iq u e c o lo s sa l e . . . 32

2 .1 .2 .1 L a p e r mi t ti vi t e n f o n ct io n d e l a t e m p r at ur e . . . . . . . 32

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2 Table des matires

2 .1 .2 .2 L a p e r mi t ti vi t e n f o n ct io n d e l a f r qu en ce . . . . . . . . . 33

2 . 1. 2 .3 C a r ac t ri s t iq u e c o ur a nt - te n s io n . . . . . . . . . . . . . . . 34

2 .1 .3 E ffe t de l a s tr uc tu re . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2 .2 ta t d e l a rt s ur l e s m o d l es u ti li s s p o u r e xp li qu er l o ri g in e d e l a p e r m it -

t i v i t c o l o s s al e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 .2 .1 L a S p ec t ro sc o pi e d i mp da nc e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2 .2 .2 M o d le d e c o u ch es b ar r i r es i so la nt e s ( I BL C) . . . . . . . . . . . . 41

2 . 2. 2 .1 H t r o g n it l e ct r i qu e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2 . 2. 2 .2 L e s d o ma i ne s i nt r a gr a nu l ai r e s . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2 .2 .3 L e m o d le c o uch e s b a rr i r e s s u rf ac i qu e s ( S BL C) . . . . . . . . . . . 44

2 . 2. 3 .1 S t r uc t u re M t al / Is o la nt / S em i -c o nd u ct e u r . . . . . . . . . 44

2 . 2. 3 .2 S t r uc t u re M ta l / Se m i- c on d uc t e ur . . . . . . . . . . . . . 45

2 .2 .4 L im it es d es m od l es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3 Caractrisations lectriques pour matriaux dilectriques 51

3 .1 M at ri au d t ud e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3 .1 .1 M is e e n uvr e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3 .1 .2 D p t d es le ct ro de s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3 . 2 C a ra c t r i sa t i on s l ec t r iq u es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3 .2 .1 M es ur e c ou ra nt -t e ns io n I -V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3 .2 .1 .1 E ffe t de l a re -m ta ll is at i on . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3 .2 .1 .2 E ffe t d es i nt er fa ce s e t d u v ol um e . . . . . . . . . . . . . . 56

3 .2 .2 N at ur e d e l a c o nd uc ti on d an s l e m at r ia u . . . . . . . . . . . . . . . 57

3 .2 .2 .1 M e su re s c o ur an t- t en si on ( I -V ) . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3 .2 .2 .2 M es ur es I - V e n t em p ra tu re . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3 .2 .3 M es ur es I -V g ra in s e t j oi nt s d e g ra in s . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3 .2 .3 .1 P r p ar a ti on d e l c ha nt i ll on . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3 .2 .3 .2 M es ur e I -V g r ai ns s u r l a t r an ch e . . . . . . . . . . . . . . 68

3 .2 .3 .3 M es ur e I -V g r ai ns l a s ur fa ce . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3 .2 .4 M es ur e s c o ur a nt -t e mp s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3 .2 .4 .1 C om pa ra is on d es r p o ns es e n c ou ra nt d es f ac es ava nt e tarrire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3 .2 .4 .2 C o ur an ts tr an si t oi re s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3 .2 .5 S p ec t ro sc op ie d im p d an c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3 .2 .5 .1 P ri nc ip e de l a me su re . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3 .2 .5 .2 C ir cu it s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3 .2 .5 .3 M at ri el u ti li s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3 .2 .5 .4 R po ns e d i le ct r iq ue e n t e m p r at ur e e t e n f r qu e nc e . . . 77


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Table des matires 3

3 .2 .5 .5 E ffe t de l pa is se ur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3 .2 .5 .6 S ym t ri e d e la s t ru ct ur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3 . 2. 6 M e su r e S aw ye r -To we r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3 .2 .6 .1 P ri nc ip e de l a me su re . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3 .2 .6 .2 A da pt a ti on d u m o nt a ge p o u r n ot r e tu de . . . . . . . . . 853 .2 .7 C or r la ti on e nt re l a m es ur e I -V e t S T . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3 .2 .7 .1 S im ul at io n p o u r u n d i p le t es t s ym t r iq ue e t n o n l i n ai r e 88

3 .2 .7 .2 S im ul at io n S T a ve c l e s r s ul ta t s d e I - V o b te nu s s u r l e C C T O 89

4 Caractrisation du CCTO en tant que Semi-conducteur 93

4 .1 La c ap ac it MI S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4 .1 .1 L a s t ru c tu r e c ap ac i ti ve M I S i d a le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4 .1 .2 P ri nc ip e d e l a m es ur e C (V ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4 .1 .2 .1 L a z on e d a c cu mu la t io n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964 .1 .2 .2 L a z on e d p l ti on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4 .1 .2 .3 L a z o ne d i nve r si on ( o u d e f or t e d pl t io n) . . . . . . . . . 98

4 .2 D es cr i pt i on d es m es ur e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4 .2 .1 C (V ) p o u r l a s t r uc t ur e M ta l/ C CT O/ M t al . . . . . . . . . . . . . 100

4 .2 .1 .1 E n ba ss e fr q ue nc e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4 .2 .1 .2 E n ha ut e fr q ue nc e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 03

4 .3 Ad q ua t io n d e l a d ou bl e s tr u ct ur e M IS a ve c l es m es ur e s l e ct r iq ue s . . . . 1 0 4

4 .3 .1 m es ur e c ou ra nt t e ns io n I- V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4 . 3. 2 S aw ye r -To we r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4 .3 .3 S p ec t ro sc op ie d im p d an c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 05

Conclusions et perspectives 107

Annexe 113

Bibliographie 123


10/140


11/140

Avant propos


12/140

6 Avant propos

D e n o s j o u r s , l l e c t r o n i q u e f a i t p a r t i e i n t g r a n t e d e n o t r e v i e q u o t i d i e n n e ( t l p h o n e s

e t o r di na t eu r s p o rt a bl es , le c tr o m na ge r s, a ut o mo bi le . . . et c ), e t l a p r se n ce d e c o mp o -

s a n t s l e c t r o n i q u e s a u s s i b i e n d a n s t o u s l e s s e c t e u r s i n d u s t r i e l s q u e d a n s l a d o m o t i q u e e s t

d e v e n u e c h o s e c o u r a n t e . L u n d e s c o m p o s a n t s p a s s i f s q u i o c c u p e u n e p l a c e d e c h o i x d a n s

c es d is p os it i fs e s t l e c on de ns a te ur . I l a ss ur e g lo ba le me nt d es f o nc t io ns d e fi lt r ag e o u d es t o c ka g e d n e r gi e .

I l e x i s t e u n l a r g e c h o i x d e t y p e d e c o n d e n s a t e u r s c a n d i d a t s u n e a p p l i c a t i o n v i s e e n

f on ct i on d e l eu r s c ar a ct ri st iq ue s : L e c ho ix s e ffe c tu e n on s eu le me nt e n t e na nt c om pt e

d e l a va le ur d e l a c ap ac it r ech er ch e m ai s a us si d e l a n at ur e d u d i le ct ri qu e, d e s on

c o m p o r t e m e n t e n f o n c t i o n d e l a t e m p r a t u r e , d e l a f r q u e n c e , d e l a m p l i t u d e d u s i g n a l

t r ai te r . . . et c . C e s c a ra c t r is t iq ue s s ont t r s va ri es e t d p e nd e nt d e l a m t h od e d e f a br i-

c a t i o n . A i n s i , l a m a t r i s e d e l a c o m p o s i t i o n c h i m i q u e e t d e l a m i c r o s t r u c t u r e d u m a t r i a u

d i l e c tr i qu e e s t t r s i m p o rt a nt e , p u is q ue c e s o nt e l le s q u i c o nd i t io n ne nt l e s p e r f or m an c e s

e n t e r m e d e c a p a c i t s t o c k e r l n e r g i e . L a p e r m i t t i v i t d i l e c t r i q u e d u m a t r i a u p e r m e t

d e q u a n t i fi e r c e t t e p r o p r i t q u i p e u t v a r i e r s u r u n l a r g e i n t e r v a l l e .

L v ol u ti o n c o ns t a nt e d e s a p pa r e il s l ec t r on i qu e s e n t e r me d e f o nc t i on e t d e r a pi d it

f a i t e n s o r t e q u e l e s c o m p o s a n t s d o i v e n t a s s u r e r d e s p e r f o r m a n c e s d e p l u s e n p l u s l e v e s

d an s d es e sp ac es d e p lu s e n p lu s r d ui ts . L eu r m in ia tu ri sa ti on d ev ie nt a lo rs u n e nj eu

p r im o r di a l e t i n co nt o u rn a bl e . P ou r p o u vo i r a t t ei n dr e c e t o b j e c t if , l e d ve l o pp e m e nt d e

n o uv ea u x c o nd e ns a t eu r s p a ss e a l o rs p a r l op t im i sa t i on d e l a c a p ac i t d e s t o cka g e , c e q u i

i m p l i q u e , s o i t d e m o d i fi e r l a g o m t r i e a fi n d a u g m e n t e r l a s u r f a c e s p c i fi q u e ; s o i t d a u g -

m e nt e r l a c o n s t a nt e d i l e ct r i q u e .

Ac t ue ll e me nt , e t d e pu is p lu si eu r s d c en ni e s, l e t i ta n at e d e b ar yu m, B aT iO3, e s t l e

m a t r i au d i l e c tr i qu e l e p l us u t il i s d a ns l in d us t r ie p o u r l a f a br i c at i o n d e c o nd e n sa t e ur s

c r am i qu e s . C e m a t r i au f e r ro l e ct r i qu e p r se nt e u n e va l eu r d e p e r m it t i vi t r e l at i ve d e

l o rd r e d e q ue lq ue s d iz a in es d e m il li er s c en tr e a ut o ur d e s a t e mp ra t ur e d e C ur i e. R -

c em me nt , d es m at ri au x t e l q ue l e t it a na te d e c a lc iu m c ui vr e C a Cu3Ti4O12, p r s e nt a n t

d es p ro pr i t s e xc e pt io nn el le s e t p r om et t eu se s av ec d es va le ur s d e p e rm it t iv it d i l ec -

t r i q u e c o l o s s a l e (>105) o n t t d c o u v e r t s . A v e c u n e b o n n e s t a b i l i t e n t e m p r a t u r e e t e n

f r qu e n ce c e m a t r i au s av r e t r e u n c a nd i da t i nt r es s an t p o u r r e m pl a ce r l e s m a t r i a uxd i l e c tr i qu e s t r a di t io n ne l s. D e p ui s c e t te d co u ve r t e, d e n o mb r e ux t r ava u x o nt t m e n s

p o ur a ug me nt e r l a va le ur d e l a p e rm it t iv it . E n c om pl m e nt , q ue l qu es m o d le s o nt t

p r o p o s s p o u r e x p l i q u e r l o r i g i n e d e c e p h n o m n e , c e p e n d a n t , l e s u j e t e s t t o u j o u r s o b j e t

d e d b a t s e t l a d i s c u s s i o n r e s t e e n c o r e o u v e r t e c a r a u c u n m o d l e n e t i e n t c o m p t e d e t o u t e s

l e s p r o p r i t s d e c e s m a t r i a u x

L o b j ec t if d e c e t r ava il d e r e ch er ch e e s t d e m et t re e n p e r sp e ct ive t o ut e s l es c ar a ct -

r is t iq ue s le c tr i qu e s d e c e s m at ri au x, d t ab li r d es l ie n s e t d e p ro p os er u ne e xp li ca t io n


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Avant propos 7

q u a n t l o r i g i n e d e l a p e r m i t t i v i t c o l o s s a l e d e c e s m a t r i a u x .

L e C h a p i t r e I p r s e n t e q u e l q u e s n o t i o n s f o n d a m e n t a l e s d e p h y s i q u e p o u r c o m p r e n d r e

l es p ro pr i t s d es m at ri au x d i le c tr i qu es e t l es c a ra c t r is ti qu es r e ch er ch e s p o ur l es

c o n d e n s a t e u r s d a n s l e b u t d e s i t u e r c e t r a v a i l d a n s l e c o n t e x t e a c t u e l .

D a n s l e C h a p i t r e I I , n o u s d c r i r o n s l e s d i ff r e n t e s c a r a c t r i s t i q u e s l e c t r i q u e s d e s m a -t r ia u x c r am i qu e s p e r m it t i vi t c o l os s al e , e t l e s p a r am t re s q u i i n flu e nc e nt c e t te p r o-

p r i t . E n s u i t e n o u s p r s e n t e r o n s l e s d i ff r e n t s m o d l e s p r o p o s s d a n s l a l i t t r a t u r e p o u r

e x p l i q u e r c e p h n o m n e d e p e r m i t t i v i t c o l o s s a l e a v e c l e u r s t e c h n i q u e s d o b s e r v a t i o n s , l e s

i n t e r p r t a t i o n s , e t l e s l i m i t e s d e s m o d l e s l e s p l u s u t i l i s s .

L e C ha pi tr e I I I p r s en te ra l a d ma rc he e xp ri me nt al e a do pt e q ui p e r me t d e m ie ux

d fin i r l e s p r op r i t s d i l e c tr i qu e s d u C C T O, e t l e s p a r am t re s q u i d l i m it e nt s a g a mm e

d u t i l i s a t i o n . U n e a t t e n t i o n t r s p a r t i c u l i r e s e r a p o r t e l a r e p r o d u c t i b i l i t e t l a q u a l i t

d e s m e s u r e s ; d a n s u n e a n a l y s e q u i c o n s i d r e l e m a t r i a u p e r m i t t i v i t c o l o s s a l e e n t a n t

q u e d i l e c t r i q u e . L e s r s u l t a t s d e c e s c a r a c t r i s a t i o n s l e c t r i q u e s s o n t a i n s i e x p l o i t s p o u r

v r i fi e r o u c a r t e r l a v a l i d i t d e s d i ff r e n t s m o d l e s a p p l i q u s a u x m a t r i a u x p e r m i t t i v i t

colossale.

L a d er ni r e p ar ti e d e c e t rava il , e xp o s e d an s l e C ha pi tr e I V, s er a c on sa cr e u ne

a n al y se h a bi t ue l le m e nt u t il i s e p o u r l e s m a t r i au x s e mi - co n du c t eu r s . U n e t e ch n iq u e d e

c a r a c t r i s a t i o n q u i n o u s p e r m e t a p r s c o m p a r a i s o n d e s r s u l t a t s e x p r i m e n t a u x a v e c n o s

r su lt a ts d e s imu la t io n d e p r op o se r u n m o d le c o mp l m ent a ir e p o ur d c r ir e l es c ar a ct -

r i s t i q u e s l e c t r i q u e s d u C C T O .


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Chapitre 1

Introduction gnrale

N ou s p r s e nt o ns d an s c et t e p ar t ie , q ue lq ue s n ot i on s f o nd am ent a le s d e p hy si qu e n -

c e ss a i re s l a c o mp r he n si o n d e s c o mp o r t em e nt s l e ct r i qu e s d e s m a t r i a ux d i le c t ri q ue sd a ns l e s a p pl i ca t i on s p o u r d e s c o nd e ns a t eu r s e t l in t r t d av oi r u n e f o r te p e r m it i vi t d i -

l ec t r iq u e. D a ns c e t te o p t iq u e, n o us i nt r o d ui s on s q u el q ue s r a pp e l s s u r l a p o l ar i s at i o n, l a

p e rm it t iv it , l e s p e rt e s, e t l e s d iff re nt s m c an is me s d e c o nd uc t io n q ui p e uve nt s e m a-

n i fe s t er d a ns u n e s t r uc t u re a ve c u n d i l e c tr i qu e m t al l is . L a c o mp r he n si o n d e t o u s c e s

p ar am tr e s e t l es r e la t io ns q ui e xi st e nt e nt r e e ux s on t t r s i mp o rt a nt es c ar e l le s c o ns ti -

t ue nt l es p ro pr i t s p hy si qu es d es d i le c tr i qu e s e t o nt u n e ffe t d ir e ct s ur l e ur c o mp o rt e -

m e n t l e c t r i q u e . E l l e s s e r o n t e x p l o i t e s t o u t a u l o n g d e c e m a n u s c r i t , n o t a m m e n t l o r s d e

l in te r pr t at i o n d e s r s ul t a ts e x p r i m en ta u x d a ns l e c ha p it r e I I I . N o us p o r t er o n s e n su i t e

n o t r e t u d e s u r u n n o u v e a u t y p e d e m a t r i a u x c r a m i q u e s t r s f o r t e p e r m i t t i v i t q u i a m er g c e t te d e r ni r e d c en n ie a ve c u n p o t e nt i el e n t e r me d ap p li c a ti o ns e n l e ct r o ni q ue

d e p u i s s a n c e p e u t t r e t r s t e n d u .

1.1 La polarisation dilectrique

1.1.1 Dfinition

L o r sq u o n a p pl i qu e u n c ha m p l ec t r iq u eE s ur d es c ha rg e s l ib re s p la c e s e nt r e d e uxa r ma t u re s m t al l iq u es d a ns l e v i de , l e d pl a ce m e nt l ec t r iq u e i n du i t

D s c r i t [1 , 2 ] :

D =0

E (1.1)

O 0 = 8, 854.1012F/m e s t l a p e r m i t t i v i t d u v i d e .

S i o n i n t r o d u i t u n m a t r i a u d i l e c t r i q u e l i n a i r e , h o m o g n e , e t i s o t r o p e , e n t r e l e s d e u x

a rm at ur es , i l f au t a lo rs t en ir c om pt e d e l a pt it ud e d e c e m at r ia u s e p ol ar is er s ou s

9


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10 Introduction gnrale

l a ct i on d u c ha mp l ec t ri qu e a pp li qu , u ni f or m me nt r pa r ti d an s t o ut s on vo lu me . L e

d p l a c e m e n t l e c t r i q u e e s t a l o r s d fi n i p a r :

D =0.

E+

P (1.2)

Avec P =N0 g

E+ 0

E = (r 1) 0E (1.3)

O

P r e pr se nt e l a p o la ri sa t io n d i le c tr i qu e ( ou m om e nt d ip o la ir e p ar u ni t d e vo -

lume), N0 e s t l a d e ns i t d e d i p l e s i nt r i ns qu e s,g e s t l a p o l ar i s ab i li t g l ob a le ( le c t ro -

n i q u e , i o n i q u e e t d o r i e n t a t i o n ) , e s t l a s u s c e p t i b i l i t d i l e c t r i q u e , e tr e s t l a p e r m i t t i v i t

r e l at i ve d u m a t r i au .

D a n s l e s m a t r i a u x i s o l a n t s , l a p o l a r i s a t i o n d i l e c t r i q u e e s t d fi n i e p a r t i r d e l a c a p a -

c i t q u o nt l e s l me nt s p o l a ir e s ( nu a ge l ec t r on i qu e , a t o me s i o ni s s , m o l c u le s , i nt e r fa c e

e n t r e m a t r i a u x h t r o g n e s , e t c ) p o u v o i r s o r i e n t e r s u i v a n t l e s e n s d u c h a m p l e c t r i q u eappliqu.

L a p o l a r i s a t i o n d u n m a t r i a u n e s u i t p a s i n s t a n t a n m e n t l e c h a m p l e c t r i q u e a p p l i q u ,

c e r e t a r d s e t r a d u i t p a r u n e d i ff r e n c e d e p h a s e e n r g i m e s i n u s o d a l . L a p e r m i t t i v i t e s t

a l o r s p r s e n t e c o m m e u n e f o n c t i o n c o m p l e x e :

() =

() i () (1.4)

O

() e st r e li e l ne r gi e s to c k e d an s l e m at ri au , e t

() e st r el i e l a d is si pa -

t io n d ne r gi e. C e s d e ux g ra nd e ur s p hy si qu es s on t r e li e s e nt r e e ll e s p ar l es r el a ti on s d eKramers-Kronig [3, 4] :

() =+2

0

u

(u)

u2 2du (1.5)

() = 2

0

() u2 2 du (1.6)

Ou e s t u n e v a r i a b l e r e l l e d i n t g r a t i o n , e t e s t l a p e r m i t t i v i t f r q u e n c e i n fi n i e .

1.1.2 Diffrents types de polarisation dilectrique

S el on l a p o la r is ab il it d es e nt i t s p o la ir es d an s l e m at ri au , d iff r e nt s t yp e s d e p o -

l a ri s at i o n d i l e c tr i qu e p e u ve nt t r e i d en ti fi e s . E n g n r a l, o n d i st i n gu e q u at r e t yp e s d e

p o l a r i s a t i o n , p r s e n t s i c i s u i v a n t l e u r s e n s i b i l i t l a f r q u e n c e d e x c i t a t i o n : l e c t r o n i q u e ,

a t o mi q ue , d or i e nt a t io n e t d e c ha r ge s d e sp a ce ( c f Ta b le a u 1 . 1) .

L a c o nt r i bu t i on l ec t r on i qu e p r ov i en t d u d p la c em e nt d e s o r b it e s l e ct r o ni q ue s p a r

r a p p o r t a u n o y a u , l a c o n t r i b u t i o n a t o m i q u e m e t e n j e u l e d p l a c e m e n t d e s a t o m e s a u s e i n


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1.1. La polarisation dilectrique 11

d e l a m ol c ul e , l e s u ns p ar r ap p or t a u x a ut r es , l a c o nt r ib ut io n d ip o la ir e ( d o ri e nt a ti on )

p r o v i e n t d u n m o m e n t d i p o l a i r e p e r m a n e n t ( s a n s a p p l i c a t i o n d e c h a m p l e c t r i q u e ) , q u a n t

l a c o nt r i bu t i on d e s c ha r g es d es p ac e , e l le d co u le d e s c ha r g es s e mi - li e s q u i t r a ns i t en t

d u n p i g e u n a u t r e .

D a n s l e s m a t r i a u x h t r o g n e s , c o n s t i t u s d e d i ff r e n t e s p h a s e s a v e c d e s p e r m i t t i v i t s

e t d es c on du ct i vi t s d iff re nt e s ; o n p e ut o bs er ve r u ne p o la r is at io n d it e i nt e rf ac i al e ( o u

M ax we l l- Wa gn er ) d ue l a cc u mu la t io n d e c ha r ge s a ux i nt e rf a ce s e nt r e c e s d iff re nt e s

p h a s e s . S o n t e m p s d e r e l a x a t i o n e s t b e a u c o u p p l u s i m p o r t a n t q u e c e l u i d e l a p o l a r i s a t i o n

dorientation.

Ty p e de p o la ri sa t io n S an s ch am p l e ct r iq ue Av ec c ha mp le ct r iq ue

lectronique

Atomique

Dorientation

D e c ha r g e d es p ac e

Table 1 . 1 : R e p r s e n t a t i o n d e s d i ff r e n t s t y p e s d e p o l a r i s a t i o n [5].

L or s d e l a pp li ca ti o n d u n c ha mp le c tr i qu e, c e s t yp e s d e p o la ri sa t io n a pp ar a is se nt

s e l o n l e u r t e m p s d e r e l a x a t i o n r e s p e c t i f s ( c f fi g u r e 1.1) . L o r s q u e l a f r q u e n c e a u g m e n t e , l e s

c o n t r i b u t i o n s d e c h a q u e t y p e d e p o l a r i s a t i o n d i s p a r a i s s e n t l e s u n e s a p r s l e s a u t r e s s u i v i s

d u n p i c q u i a p p a r a t c h a q u e f o i s s u r l a p a r t i e i m a g i n a i r e d e l a p e r m i t t i v i t c o r r e s p o n d a n t

l a r el ax at io n d e l e sp ce c on ce rn e . C om pt e t enu d e l a g am me d e f r qu en ce d e n ot re

tu de (101 107 Hz) , l e s c o nt r i bu t io n s i n st a nt a n e s d e s p o l ar i s at i on s l ec t r on i qu e e t

a t o m i q u e a u r o n t d j e u l i e u e t l e u r i n fl u e n c e s e r a d o n c n g l i g e a b l e d e v a n t l e s a u t r e s .


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Figure 1 . 1: R p on se d i l ec t ri qu e d es d iff re nt s t yp e s d e p o la r is at io n a ve c l a f r q ue nc e

[5].

J u s q u i c i n o u s a v o n s i n t r o d u i t l e s c o n c e p t s d e p o l a r i s a t i o n , d e p e r m i t t i v i t e t d e p e r t e s

d i l e c t r i q u e s . C e s g r a n d e u r s p h y s i q u e s s e r v e n t d o u t i l s d e b a s e p o u r a p p r h e n d e r l e s p h -

n o m n e s l o r i g i n e d e l a r e l a x a t i o n d i l e c t r i q u e . D a n s l a p a r t i e s u i v a n t e , n o u s p r s e n t e r o n s

l es m c a ni sm es d e c on du ct i on s ou s u ne p o la r is a ti on c o nt i nu e . E n e ffe t , l t ud e d e s d iff -

r e n t s c o u r a n t s t r a v e r s a n t u n d i l e c t r i q u e d a n s l e t e m p s e s t u n e a u t r e f a o n d e c a r a c t r i s e rl e d i le ct ri qu e. L a r p on se e n c ou ra nt t em ps c ou rt e st u ne i ma ge d e l a r p on se f r -

q ue nt i el le e n h au t es f r q ue nc e s, e t l a r p on se a ux t e mp s l on gs e st l i ma ge d e l a r p on se

f r q u e nt i e l l e e n b a s s e s f r q u e n c e s .

1.2 Mcanismes de conduction sous champ continu

1.2.1 Courants transitoires

1.2.1.1 Dfinitions

L o r sq u u n m a t r i au d i l e ct r i qu e e s t s o u mi s u n e t e ns i o n c o n t in ue , l e c o ur a nt q u i e n

r s u l t e v o l u e d a n s l e t e m p s e t p e u t t r e d c o m p o s e n d e u x p h a s e s p r i n c i p a l e s q u i s o n t :

U n p ic do nt l a h au te ur e st fi ni e e t qu i d pe nd d u f ro nt d e t en si on a pp li qu e e t

d e l a c ap ac it h au te s f r q ue n ce s d u d i le c tr i qu e , p ui s u ne d cr o is sa nc e d u c ou r ant p lu s

o u m o in s l o ng u e, c o r re s p o nd a nt d i ve r s p h n o m n e s d e p o l ar i s at i o n i nt e r ve n a nt d a ns l e

m at ri au e t/ o u a ux i nt er f ac e s d an s l e m at r i au e t a ux le c tr o de s ( c f. p ar ag r ap he p r c -


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1.2. Mcanismes de conduction sous champ continu 13

d e nt ) . C e t te d c ro i ss a nc e a u n e d u r e va r i ab l e e t p e u t t r e t r s l o n g u e a va nt d at t e in d r e

u n r gi me t ab li , c on st a nt a ux t em ps l on gs . C e c o ur a nt d e p re mi re p ha se ( a pp e l c ou -

r a n t d e p o l a r i s a t i o n ) e s t l u i - m m e c o m p o s d e d e u x c o u r a n t s ; l ecourant dabsorptionIAq u i c o r r e s p o n d l a p a r t i e t r a n s i t o i r e d u c o u r a n t e t l ecourant de conduction IC pendant

l e r gi me s ta t io nn ai re [2 ] . L e c o ur an t d a bs or p ti on (IA) c or re sp o nd d on c a u c ou ra nt d ec ha r ge (IP) a u q u e l o n a r e t r a n c h l e c o u r a n t d e c o n d u c t i o n (IC) :

IA= IP IC (1.7)

L e c o u r a n t d a b s o r p t i o n e s t l i l o r i e n t a t i o n d e s d i p l e s l i n t r i e u r d u d i l e c t r i q u e d a n s

l e s e n s d u c h a m p l e c t r i q u e a p p l i q u . L o r s q u e l e s d i p l e s a t t e i g n e n t l e u r p o s i t i o n d q u i -

l i br e p r o gr e s si ve m en t a ve c l e t e m ps , l e c o u ra nt p r ov o qu p a r c e s d pl a ce m e nt s d i mi nu e .

L e c ou r ant d e c o nd uc t io n, q ua nt l ui , e st l i a u d p la ce me nt d es e nt it s l ib re s d an s l e

m a t r i au ( l ec t r on s , t r o us , i o ns ) , i l n o us r e n se i gn e d o nc s u r l a c o nd u ct i vi t l e ct r i qu e d u

matriau.

O u t r e l a v a l e u r c a r a c t r i s t i q u e d e l a c o n d u c t i v i t , c e s m e s u r e s d e c o u r a n t s s o u s c h a m p

c o n t i n u p e r m e t t e n t d o b t e n i r d e n o m b r e u s e s i n f o r m a t i o n s s u r l e m o d e d e c o n d u c t i o n d a n s

l es m at ri a ux . N ou s d c r ivo ns d an s l a s ui t e l es d iff re nt s r gi me s d e c on du ct i on d an s l es

i so la nt s e n r ap pe la nt l es p h no m ne s d e b as e e t l es qu at io ns q ui l eu rs s ont a ss oc i es

[6, 7 , 8].

Le courant de dpolarisation o u d e rsorption (IR) , c e s t l e t r an si t oi re d u c ou r ant

e nr e gi st r e nt r e l a r r t d e l a t e ns io n e t l a nnu la t io n d u c ou ra nt . I l c or r es p on d u ne r e -

d i st r i bu t io n a l a t o ir e d e s d i p l e s a p r s s u pp r e ss i on d u c ha m p l ec t r iq u e. I l e n r s ul t e u n

c o u r a n t d e s i g n e o p p o s a u c o u r a n t d a b s o r p t i o n q u i d i m i n u e j u s q u a n n u l a t i o n , l o r s q u e

l e n o u v e l q u i l i b r e e s t a t t e i n t . I l s e x p r i m e p a r :

ID =IR = IA (1.8)

L e s c o ur a nt s t r a ns i t oi r es , l o rs d e l ap p li c at i o n d u n ch e lo n d e t e n si o n u n m a t r i au

d i l e c t r i q u e , s o n t r e p r s e n t s s u r l a fi g u r e 1.2.


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Figure 1 . 2 : A l l u r e d e s c o u r a n t s d a b s o r p t i o n e t d e r s o r p t i o n [8] .

1.2.1.2 Caractrisation des courants transitoires

L e s c o u r a n t s t r a n s i t o i r e s d a n s l e s m a t r i a u x d i l e c t r i q u e s o n t f a i t l o b j e t d e n o m b r e u s e s

tudes [9, 10, 11] , l a f o rm e d e d c r oi ss an ce d u c ou r an t d e p o la r is at io n e s t d o nn e p ar l a

l o i e m p ir i qu e d e C u ri e -Vo n S ch we i de r :

I(t) =A tn

(1.9)

O A e st u ne c on st ant e d fi ni e p ou r u ne t em p ra tu re d on n e e t n e st l e f ac te ur d e

p ui ss an ce q ui r ep r se nt e l a p e nt e d e d c ro is sa nc e d u c ou ra nt (0 < n < 2) l o r sq u o n

t r a c e l e c o u r a n t e n f o n c t i o n d u t e m p s l c h e l l e l o g a r i t h m i q u e [8].

L e s va l e ur s e x p r i me nt a l es d e s c o u ra nt s t r a ns i to i r es s o nt g n r a le m e nt r e p r s en t e s

d a n s u n d i a g r a m m e b i l o g a r i t h m i q u elog10(I) =f(log10(t)) c a r l e s p l a g e s d e v a r i a t i o n s d u

c o ur a nt p e u ve nt t r es t r s l o ng u es .

C e m me t r ac b il og ar i th mi qu e d e l vo lu ti on d es c ou r an ts t r an si to ir e s e st a us si e x-p l o i t p o u r d i s t i n g u e r l e s r g i o n s q u i c o r r e s p o n d e n t a u x d i ff r e n t s p h n o m n e s d e p o l a r i s a -

t i o n q u i p e u v e n t e x i s t e r . L a fi g u r e 1.3 r e p r s e n t e u n e c o m p a r a i s o n e n t r e u n e d c r o i s s a n c e

d e t yp e e xp o ne nt ie ll e e t u ne a ut r e q ui s ui t l qu at i on 1.9. S ur l a fi gu re 1.3 o n p eu t d is -

t i ng u er , a u x t e m ps l o ng s , l v ol u t io n d un c o ur a nt d or i g in e d i p o la i re (n= m + 1> 1) et

c el le d u n c o ur a nt d a u d p la c em en t d e p o rt e ur s d e c ha r ge (n = n2


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Figure 1 . 3 : Tr a c b i lo g ar i t hm i qu e d e l vo l ut i on d e s c o ur a nt s t r a ns i to i r es [4, 12].

1.2.1.3 Rversibilit des courants dabsorption et de rsorption

S ou s l e ffe t d u n c ha mp le c tr iq ue c o nt i nu , l es d ip le s s o ri e nt e nt e t p ro vo q ue nt u n

d p la ce me nt d e ch ar g es j us qu a tt e in dr e u n t at d qu il ib re , c e q ui i nd ui t u n c ou r ant

t r an si to ir e d an s l e c ir c ui t e xt ri eu r . L or sq u on s up pr im e l a c o nt r ai nt e ( l e c ha mp l ec -

t r i qu e ) , l ag i ta t i on t h e rm i qu e t e n d r e d is t r ib u er a l at o ir e m en t l or i e nt a t io n d e s d i p le s .

I l s e n s u i t a l o r s u n c o u r a n t d e m m e a m p l i t u d e e t d e p o l a r i t o p p o s e a u c o u r a n t p r c -

d e nt , q u i d i mi nu e j u sq u s an nu l er q u an d i l a t t ei nt l e n o uv el t a t d q u il i br e .O n p e u t d o n c d i r e , q u e l o r s q u e l e s p h n o m n e s d e p o l a r i s a t i o n d a n s u n m a t r i a u d i l e c -

t r i q u e o n t u n e o r i g i n e p u r e m e n t d i p o l a i r e , l e s c o u r a n t s t r a n s i t o i r e s ( c o u r a n t s d a b s o r p t i o n

e t d e r s o r p t i o n ) s o n t r v e r s i b l e s ( o u s u p e r p o s a b l e s ) [8] . C e t t e s u p e r p o s i t i o n e s t e s s e n t i e l -

l em en t l i e u ne d is t ri bu t io n u ni fo r me d u c ha mp le c tr iq ue a pp li qu d an s c e m at r i au

h om og n e. C e tt e c on di ti on e st v r ifi e d an s u n m at ri au q ui p r s en te u ne d is tr i bu ti on

u ni fo rm e d es d ip l es e t d es d im en si on s g ra nd es p ar r ap p or t c el le s d u n d ip l e. U ne

n o n - s u p e r p o s i t i o n d e s c o u r a n t s t r a n s i t o i r e s v a n o u s o r i e n t e r , d e m a n i r e g n r a l e , v e r s l a

p r s en ce d u ne ch a rg e d e s pa ce d a ns l e m at ri au . C e p e ut t re l e c a s t yp iq ue d es m at -

r i a u x l i q u i d e s o u d e s s o l i d e s c o n t e n a n t d e s i m p u r e t s c h a r g e s s u s c e p t i b l e s d e s a c c u m u l e r

a u x l e c t r o d e s .

1.2.2 Courant de conduction

D a n s c e t t e p a r t i e n o u s p r s e n t o n s s u c c i n c t e m e n t l e s p r i n c i p a u x m o d e s d e c o n d u c t i o n

i de nt i fi s d an s l e s m at ri au x d i le c tr i qu e s. Po ur c el a n ou s a ll on s i de nt ifi er d eu x c as : l es

m c an is me s d e c o nd uc t io n l im it s p ar l e s i nt e rf a ce s e t c eu x l im it s p ar l e vo lu me . Po ur


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u ne l ec t ur e p lu s a pp ro f on di e, n ou s c o ns ei ll on s [1, 7, 8] q ui t ra it ent p lu s a mp le me nt l e

sujet.

1.2.2.1 Conduction limite par les interfaces

L a c o nd u ct i o n d a ns u n m a t r i a u d i l e c tr i qu e n c es s it e l in j e ct i o n d e c ha r g es p a r ti rd es l ec t ro d es d an s l a b an de d e c o nd uc t io n d e l i so la nt o u d a ns d es t at s l o ca li s s. U n

s c h m a i d a l i s d e l i n t e r f a c e l e c t r o d e - i s o l a n t e s t r e p r s e n t s u r l a fi g u r e 1.4. S a n s c h a m p

l e c t r i q u e a p p l i q u , l a h a u t e u r d e b a r r i r e e s t r e p r s e n t e p a r l a g r a n d e u r0. C e t t e h a u -

t e u r d e b a r r i r e d p e n d d e l n e r g i e d u n i v e a u d e F e r m i d u m t a l c o n s t i t u a n t l l e c t r o d e .

Figure 1 . 4 : D i ag r a mm e d e s b a nd e s d ne r g ie l in te r f ac e m a t r i a u/ l ec t r o de [8].

L o r sq u u n c ha m p l e ct r i qu e e s t a p pl i qu l is o la nt , u n e n er g i e s u pp l m e nt a ir e e s t

f o u r n i e a u x c h a r g e s i n j e c t e s p a r l l e c t r o d e e n p l u s d e l e u r n e r g i e t h e r m i q u e . C e t a p p o r t

d ne r gi e c on du it u n a ba is se me nt d e l a h au t eu r d e b ar r i r e. S i l i nj ec t io n d e c ha r ge s

e st f a ib le d e va nt l a m ob il it d e c e s m m es c ha r ge s d an s l i so la nt , a lo r s l e s c o ur a nt s d e

c o nd u ct i o n s e r on t l i mi t s p a r l e p h n o m n e d in j e ct i o n.

L e s t r o i s m c a n i s m e s d i n j e c t i o n d e c h a r g e s s o n t r e p r s e n t s s u r l a fi g u r e 1.4, s u i va n t

l e u r n u m r o t a t i o n o n a :

1 . L e ffe t S ch o tt k y ( t h er m o - l e ct r o ni q ue ) , a ve c u n p a ss a ge d e s l ec t r on s a u d e ss u s d e

l a b a r r i r e d e p o t e n t i e l ;

2 . L e ff et t un ne l, av ec u n p as sa ge d es le c tr o ns ne r gi e c on st a nt e ;

3 . L e ffe t t u nn e l a s s i s t t h e rm i qu e me nt , o l e p a ss a ge d e s l e c t r on s s ob t i en t a p r s u n

g a i n d n e r g i e d o r i g i n e t h e r m i q u e .


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L e s d e u x d e r n i r e s v o i e s s o n t a p p e l e s a u s s i e ff e t F o w l e r - N o r d h e i m .

Effet Schottky

L e ff e t S c h o t t k y , g a l e m e n t a p p e l e ff e t t h e r m o - l e c t r o n i q u e , e s t l i n j e c t i o n d e c h a r g e s

d a n s l e d i l e c t r i q u e p a r p a s s a g e a u d e s s u s d e l a b a r r i r e d e p o t e n t i e l q u e r e p r s e n t e l i n -

t e rf a ce . I l e s t r e pr se nt p ar l e c he mi n n1 s ur l a fi gu re 1.4. L ap p li c at i o n d un c ha m p

le c tr i qu e va a ba is se r l a b ar r i r e d e p o te nt ie l e t d on c f avo r is e r c e t yp e d i nj e ct i on . L a

h a u t e u r d e b a r r i r e s e x p r i m e a l o r s :

= 0 S

E (1.10)

S e s t l a c o ns t an t e d e S ch o t tk y, s a va l e ur d p e nd d u m a t r i a u d i le c t ri q ue c o ns i d r

e t e s t c a l c u l e s e l o n l q u a t i o n :

S=

e3

4r0(1.11)

L a d e n s i t d u c o u r a n t l e c t r i q u e d u n t e l m c a n i s m e e s t d o n n e p a r :

J=A T2 exp

0 S

E

kBT

(1.12)

D a n s c e t t e q u a t i o n ,A e s t l a c o n s t a n t e d e R i c h a r d s o n - S c h o t t k y e t v a u t120 A.cm2.

Figure 1 . 5: Tr ac d e ln J = f(E1/2) p o u r u n m c an is me d e c on du ct i on t yp e S ch ot t ky

[8].


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U n t e l m c a ni sm e e st r e pr se nt p ar u ne d ro it e s ur u n g r ap hi qu e ln J =f(E1/2). La

p e n t e d e c e t t e d r o i t e e s t SkBT

( c f fi g u r e 1.5).

S n e d p e n d a n t q u e d e l a p e r m i t t i v i t d u d i l e c t r i q u e .

S ur c e m m e g ra ph iq ue , l e xt ra po la ti on ch am p nu l d on ne a cc s l a h au te ur d e

b a r r i r e l i nt e r f a c e l e c t r o d e - is o l a nt0.

L e ff et S ch ot t ky e s t t r s s e ns ib le l a t e mp ra tu r e, c om me l e m ont r e l qu at i on 1.12.

E n t r a a nt ln J = f(E1/2) ( o u b i e n d e ln I = f(V1/2)) p o u r d i ff r e nt e s t e m p r a t ur e s , o n

o bt ie nt d e s d r oi te s a ve c u ne p e nt e q ui d im inu e l or s qu o n a ug me nt e l a t e mp ra tu r e ( c f

figure 1.6).

Figure 1 . 6 : V a r i a t i o n d e l a p e n t e d eln I=f(V1/2) a v e c l a t e m p r a t u r e p o u r u n c o n t a c t

d e t y p e S c h o t t k y [13 ].

Effet tunnel

C e m c a n i s m e , g a l e m e n t a p p e l e ff e t F o w l e r - N o r d h e i m , t r a d u i t l e p a s s a g e d e s c h a r g e s

d ir ec te me nt t rave rs l a b ar ri r e d e p o te nt ie l. I l e st r ep r se nt s ur l a fi gu re 1 .4 p ar l es

cheminsn2 et 3 ( d a n s c e d e r n i e r c a s , i l y a s u c c e s s i v e m e n t u n e ff e t S c h o t t k y s u i v i d u n

e ff e t t u n n e l ) . U n t e l m c a n i s m e e s t q u a s i m e n t i n d p e n d a n t d e l a t e m p r a t u r e ; l a d e n s i t

d e c o u r a n t p e u t d o n c s e x p r i m e r s e u l e m e n t e n f o n c t i o n d u c h a m p a p p l i q u e t d e l a h a u t e u r

d e b a r r i r e p a r l q u a t i o n :


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J=A E2 exp

B

E

(1.13)

avec A = e3

80, et B=

8

2m3/20

3 k .

S i l a c o n d u c t i o n e s t c o n t r l e p a r c e m c a n i s m e , a l o r s u n e r e p r s e n t a t i o n d eln(J/E2)e n f o n c t i o n d e (1/E) d o n n e u n e d r o i t e . I l e s t f a c i l e d i d e n t i fi e r s i u n c o u r a n t e s t c o n t r o l

p ar u n t el m c an is me c ar c e st l e s eu l m c an is me q ui va ri e e n exp( 1E). Leffe t de lat e m p r a t u r e e s t n g l i g e a b l e s u r c e m c a n i s m e ; d e c e f a i t , i l e s t g n r a l e m e n t o b s e r v a u x

t r s b a s s e s t e m p r a t u r e s e t / o u a u x c h a m p s t r s l e v s .

1.2.2.2 Conduction limite par le volume

Conduction ohmique

S o u s f a i b l e c h a m p ( q u e l q u e skV /mm) , l e s m a t r i a u x i s o l a n t s o b i s s e n t l a l o i d O h m .

L a d e n s i t d e c o u r a n t c i r c u l a n t d a n s l e m a t r i a u s e x p r i m e e n f o n c t i o n d u c h a m p l e c t r i q u e

p a r :

J=E (1.14)

J t a n t l a d e n s i t d e c o u r a n t (A/m2), E e s t l e c h a m p l e c t r i q u e a p p l i q u (V /m) et

r e p r s e n t e l a c o n d u c t i v i t d u m a t r i a u (S/m) , i n d p e n d a n t e d u c h a m p l e c t r i q u e d a n s c e

cas.

Conduction ionique

L e m c an is me d e c on du ct io n i on iq ue c on si st e e n u ne s r ie d e s au ts a u d es su s d es

b ar ri r es d e p ot ent ie l, c e q ui p e rm et a ux i on s d e s e d p la ce r d u n ta t ne rg t iq ue

l a u t r e . L a d e n s i t d u c o u r a n t e s t d o n n e p a r l q u a t i o n :

J=J0sinh

q li E

kBT

(1.15)

O li r e p r s e n t e l a d i s t a n c e d e s a u t i o n i q u e .O n a a l o r s d e u x c a s d e fi g u r e :

Si q li E kBT, l e c o u r a n t e s t a l o r s p r o p o r t i o n n e l a u c h a m p e t o n a u n c o m p o r t e -m e n t o h m i q ue .

S in on , d an s l e c as d es ch am ps f or ts ( de l o rd re d e107 V /m) [8]

J=J0exp

q li E

kBT

(1.16)

P o u r l e t r a c d e ln J=f(E), o n d o i t a l o r s o b t e n i r u n e d r o i t e d u n e p e n t e q liEkBT

.


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Conduction de type de Poole-Frenkel

C e m c a n i s m e d c r i t l e d p l a c e m e n t d e s p o r t e u r s s e t r o u v a n t d a n s l a b a n d e d e c o n d u c -

t i o n e t p o u v a n t t r e p i g s . L a fi g u r e 1.7 r e p r s e n t e l a c o n fi g u r a t i o n n e r g t i q u e d u n p i g e

d a ns l e m a t r i au .

Figure 1 . 7 : D i a g r a m m e d e s b a n d e s d n e g i e d a n s l e c a s d u n e c o n d u c t i o n d e t y p e P o o l e -

Fr e n ke l [8]

U n p o r t e u r i s s u d e l a b a n d e d e c o n d u c t i o n p e u t d o n c t r e p i g l a p r o f o n d e u r 0. Ce

p o rt e ur p e ut s e d pi g er e n a cq u r ant u ne ne r gi e t he r mi qu ekBT p e r m e t t an t d e p a ss e r

a u d es su s d e l a b ar ri r e. L e ffe t d u ch am p le ct ri qu e f ac il it e c e d p i ge ag e d u f ai t d e

l a b a i s s e m e n t d e l a b a r r i r e d u n e q u a n t i t :

0 = PFE1/2 (1.17)

O PF e s t l a c o n s t a n t e d e P o o l e - F r e n k e l q u i s e x p r i m e p a r :

PF =

e3

r0= 2S (1.18)

L a d e n s i t d e c o u r a n t e n f o n c t i o n d u c h a m p l e c t r i q u e s e x p r i m e a l o r s p a r :

J=J0exp0 PFEkBT

(1.19)O J0 e s t u n f a c t e u r p r - e x p o n e n t i e l .

Courant limit par charges despace (SCLC)

L e r g i m e d e c o n d u c t i o n S C L C ( S p a c e C h a r g e L i m i t e d C u r r e n t ) [6 ] d c r i t l v o l u t i o n

d u c o u r a n t l o r s q u e l e s c h a r g e s i n j e c t e s s o n t p l u s i m p o r t a n t e s q u e l e s c h a r g e s i n t r i n s q u e s .


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L a fi gu r e 1.8 r e p r s e nt e l a c a r ac t ri s t iq u e d e ns i t d e c o ur a nt - t en s io n , a ve c l e s d i ff r e nt s

r g i m e s a s s o c i s c e t t e c o n d u c t i o n . O n p e u t d i s t i n g u e r d e u x r g i m e s c a r a c t r i s s p a r d e s

p e nt e s d i ff r e nt e s . L o r sq u e l a p e nt e p = 1, c e tt e r gi on c or r es p on d a u r gi me o hm iq ue

( C ha mp f ai bl e, z on e A ) , q ua nd l a p e nt ep 2 , c et t e r gi on c o rr e sp o nd a ux d iff re nt s

r g i m e s d i n j e c t i o n d e c h a r g e s ( z o n e s B , C , D ) .

Figure 1 . 8 : C a r a c t r i s t i q u e c o u r a n t - t e n s i o n p o u r u n m c a n i s m e d e c o n d u c t i o n l i m i t p a r

c h a rg e d e s p a ce [14 ].

L a r e l a t i o n c o u r a n t - t e n s i o n v a d p e n d r e d e l a r p a r t i t i o n n e r g t i q u e e t d e l a d e n s i t

d e s p i g e s . E n p r a t i q u e , c e r g i m e d e d i n j e c t i o n e s t s o u v e n t s i m p l i fi p a r u n e a p p r o x i m a -t i o n a v e c l a l o i d e M o t t - G u r n e y :

J=9

8r0

V2

d3 (1.20)

O e s t l e r ap p or t d u n om br e d es p o rt e ur s l ib re s/ p or t eu r s p i g s ; l e p ro d ui t e s t l a

m o bi l it e ff e ct i ve ;d e s t l p a i s s e u r d e l c h a n t i l l o n ; e t V l a t e n s i o n a p p l i q u e . D i ff r e n t e s

t e ns io n s d e t r an si t io n s d e c e tt e c ar a ct ri st i qu e s on t r e pr se nt e s s ur l e g r ap he 1 .8 , e l le s

s o nt d fin i es a n al y ti q ue m e nt p a r :

VtrS=9

8q n0

d2

r0(1.21)

VtrP =9

8q n0

d2

r0(1.22)

VTFL = q Ntd2

r0(1.23)

Nt e s t l a d e n s i t t o t a l e d e p i g e s .


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Tableau rcapitulatif

L e t a b l e a u 1 . 2 r s u m e l e s p r i n c i p a u x m c a n i s m e s r g i s s a n t l e s c o u r a n t s t r a n s i t o i r e s e t

l e u r d p e n d a n c e a v e c l e t e m p s , l e c h a m p l e c t r i q u e , l a t e m p r a t u r e , l p a i s s e u r , e t l e t y p e

d l e c t r o d e . A i n s i q u e s u r l a r v e r s i b i l i t e n t r e l e c o u r a n t d a b s o r p t i o n e t d e r s o r p t i o n .

Mcanisme Dpendance

avec t

Dpendance

avec E

Dpendance

avec T

Dpendance

avec d

E=cte

Influence de

la nature

des

lectrodes

Rversibilit

entre IA

et IR

Orientation

dipolaire

n

J E Activ ther-

miquement

Indpendant pas

dinfluence

Rversible

Conduction

par saut

n


29/140

1.3. Les Condensateurs 23

c h a r g e s l e c t r i q u e s e t d e l e s r e s t i t u e r a u m o m e n t v o u l u p a r l u t i l i s a t e u r . S e s p e r f o r m a n c e s

le c tr i qu es d p e nd en t d e l a n at ur e d u d i le c tr i qu e e t d e l a s t ru c tu r e l ec t ro d e- is ol an t-

l e c t r o d e . C e s t u n d e s c o m p o s a n t s p a s s i f s , u t i l i s a u s s i b i e n d a n s l e s d o m a i n e s d e l l e c -

t r o ni q ue : t l c o mm un i c at i on s , i n f or m at i qu e , s p a ti a l, e t c ; q u e d a ns c e l ui d e l le c t ro n iq u e

d e p u i s s a n c e : a u t o m o b i l e , t r a c t i o n f e r r o v i a i r e , e t c [ 1 5 , 1 6 ].L e c on de ns at e ur e st c ar a ct ri s p ar s a c ap ac it (C) , q ui c on st it ue u ne m es ur e d e l a

q u a n t i t d e c h a r g e s q u i p e u t t r e a c c u m u l e . C e t t e q u a n t i t d e c h a r g e s e s t p r o p o r t i o n n e l l e

l a t e n s i o n a p p l i q u e a u x b o r n e s d e s l e c t r o d e s d u c o n d e n s a t e u r :

Q= C V (1.24)

O :

Q e s t l a c h a r g e s t o c k e (coulomb) ;

V e s t l a t e n s i o n a u x b o r n e s d u c o m p o s a n t (volt) ;

C e s t l a c a p a c i t l e c t r i q u e d u c o n d e n s a t e u r (farad).L a c ap ac it e st ga le me nt s ou ve nt e xp ri m e e n f on ct io n d e l a n at ur e d u m at r ia u

d i l e c tr i qu e e nt r e l e s a r m at u r es e t d e s c a r ac t ri s t iq u es g o m t r iq u es d u c o n de n sa t e ur :

C=0 rS

e (1.25)

O :

C e s t l a c a p a c i t d u c o n d e n s a t e u r (F) ;

0 e s t l a p e r m i t t i v i t d u v i d e (8, 84.1012F.m1) ;

r e s t l a p e r m i t t i v i t r e l a t i v e d u m a t r i a u d i l e c t r i q u e ( s a n s u n i t ) ;S e s t l a s u r f a c e d e s l e c t r o d e s e n r e g a r d (m2) ;

e e s t l a d i s t a n c e e n t r e l e s l e c t r o d e s (m).

P l us i eu r s c a r ac t ri s t iq u es s o nt c o ur a m me nt s p c ifi es p o u r l e f o nc t i on n em e nt d un

c o n d e n s a t e u r , o n p e u t c i t e r :

- l a c a p a c i t , v a l e u r n o m i n a l e 2 5C , e x p r i m e e n f a r a d (F) ;

- l a t a n g e n t e d e l a n g l e d e p e r t e s , tan , o u f a c t e u r d e d i s s i p a t i o n , e s t l e r a p p o r t e n t r e l a

p ui ss an c e d is si p e d an s l e c on de ns at e ur e t l a p ui ss an ce r ac t ive q u il f o ur ni t u ne

f r qu e nc e d o nn e ;

- l a t en si on d e s er vi ce , t en si on p ou va nt tr e s up po rt e d e f a on c ont inu e s ur t ou te l a

g a m m e d e t e m p r a t u r e ;

- l e c ou ra nt m ax imu m d p e nd d u d im en si on ne me nt d es a rm at ur es e t d es b o rn es d e

c o n ne x io n , c e st u n p a ra m tr e p a rt i c ul i r e m en t i m p or t a nt e n l e ct r o te ch n iq u e ;

- l a r si st a nc e s r i e qu iva le nt e ( ES R) e t l i nd uc t an c e s r i e ( ES L) , s ont d es l m ent s

p ar as it es d us a ux s ur fa ce s d es a rm at ur es e t a ux l on gu eu rs d es c on ne xi on s q u il

c o nv i en t d e m i ni m is e r ;


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- l a r s is t a nc e d is o le m e nt q u i e x pr i me l is o la t io n e n c o ur a nt c o nt i nu d u c o nd e n sa t e ur .

C e t t e v a l e u r e s t e n g n r a l p r o p o r t i o n n e l l e l a c a p a c i t d u c o n d e n s a t e u r p o u r u n e

t e n s i o n d e s e r v i c e d o n n e . E l l e d o i t t r e l a p l u s l e v e p o s s i b l e ;

- l a g a m m e d e t e m p r a t u r e d a n s l a q u e l l e o n p e u t a p p l i q u e r l a t e n s i o n n o m i n a l e ;

- l a t o l r a n c e , e n % d e l a v a l e u r n o m i n a l e d e c a p a c i t p o u r t o u t e l a g a m m e d e t e m p r a t u r e

e t d e t e n s i o n d e s e r v i c e ;

- l a d ur e d e v ie q ui d p e nd b e au co up d e l a t e ch no lo gi e e t d es c o nd it io ns d u ti li sa t io n

( t e m p r a t u r e, c o u r a nt , f r q u e nc e . . . e tc ) .

L e c h o i x d u t y p e d e c o n d e n s a t e u r d p e n d d e l a p p l i c a t i o n v o u l u e : i l s e ff e c t u e e n t e n a n t

c o m p t e d e l a v a l e u r d e l a c a p a c i t r e c h e r c h e , a i n s i q u e d u c o m p o r t e m e n t d u d i l e c t r i q u e

e n f o n c t i o n d e l a t e m p r a t u r e , d e l a f r q u e n c e , d e l a t e n s i o n d e p o l a r i s a t i o n . . . e t c .

L v ol u ti o n t e ch n ol o gi q ue d e s a p pa r e il s l e ct r o ni q ue s a ve c t o u jo u r s p l us d e f o nc t i on -

n al it s e xi ge u ne d e ns ifi ca t io n p lu s i mp o rt a nt e d es c om p os ant s . C ec i s e t r ad ui t p o ur l es

c o nd e ns a t eu r s p a r u n e d o ub l e s o ll i ci t a ti o n d e m i ni a tu r i sa t io n e t d e b a is s e d e s c o t s .

E n s a p p u y a n t s u r l q u a t i o n 1.25, o n v o i t q u e l e d v e l o p p e m e n t d e n o u v e a u x c o n d e n -

s at e ur s e st c on di t on n p ar l o pt i mi sa ti o n d e s a c a pa ci t (C) , c e qu i i mp li qu e, s oi t d e

m o di fie r l a g o m t ri e d u c o nd en sa t eu r (S/e) , s oi t d e r e ch er ch er d e n ou ve au x m at ri au x

a v e c u n e p l u s f o r t e p e r m i t t i v i t r e l a t i v e (r) . C e t t e d o u b l e s t r a t g i e e s t a c t u e l l e m e n t e m -

p l oy e e n m i cr o l ec t r on i qu e p o u r a u gm e nt e r l a c a pa c i t . L o r sq u o n e s t l i br e s u r l e c ho i x

d e l a g o m t r i e , o n p e u t a g i r s u r l e r a p p o r t (S/e) e n u t i l i s a n t d e s m a t r i a u x f o r t e s u r f a c es p c i fiq ue c om me l es n an ot u be s d e c a rb o ne , o u b ie n e n r al is an t d es s t ru c tu r es a ve c u n

f o r t f a c t e u r d e f o r m e . P a r c o n t r e , s i l a g o m t r i e (S/e) e s t fi x e , o n c h e r c h e d e s m a t r i a u x

d e p l us g r a nd e p e r m it t i vi t ( H fO2, r = 30) p o u r r e m p l a c e r l a s i l i c e ( S i O2, r = 3, 9) q u i

e s t a c t u e l l e m e n t l e m a t r i a u l e p l u s u t i l i s .

C e t t e d i s c u s s i o n s u p p o s e b i e n v i d e m m e n t q u e l e c h a m p l e c t r i q u e a t h o m o g n e e t

u n i f o r m e d a n s l a n o u v e l l e g o m t r i e e t q u e l a l o i S/e p u i s s e s a p p li q u e r .

1.3.2 Les condensateurs cramiques

S u iva nt l a n a tu r e d e l e u r d i l e ct r i qu e , l e s c o nd e ns a t eu r s p e u ve nt t r e c l as s s e n t r o is

g r a n d e s f a m i l l e s :

C o nd en sa t eu rs fi lm p o ly m r e ;

C o n de n sa t e ur s l e ct r o ly t iq u es ;

C o n de n sa t e ur s c r am i qu e s.

D a ns n o t re t ud e , o n s in t r e ss e r a u n iq u em e nt c e s d e r ni e rs .


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1.3.2.1 Les types de condensateurs cramiques

I l s s o n t l a r g e m e n t u t i l i s s d a n s l e s c i r c u i t s l e c t r o n i q u e s , a v e c u n f a i b l e e n c o m b r e m e n t ,

i ls c ou vr e nt u ne l a rg e g am me d e c ap ac i t ( de 0, 5pF 30 F) s el on l a c om po si ti on d u

d i le c tr i qu e) . I ls s e p r s ent e nt s ou s f or m e d e d is qu e s o u d e m ul ti co uc he s . O n d is t in gu e

t r o i s g r a n d e s f a m i l l e s d e c o n d e n s a t e u r s c r a m i q u e s :

Type I

I ls s on t b as e d e m l a ng e d o xy de s n on f er r o l e ct r iq ue s c o mm e l e T i O2, C aT iO3, et l e

MgTiO3. C e s o n t d e s m a t r i a u x l i n a i r e s . C e s m l a n g e s p e r m e t t e n t d e c o u v r i r u n e l a r g e

g a mm e d e p e r m it t i vi t ( e nt r e10 et 500) q ui va r ie l in ai re m ent a ve c l a t e mp ra t ur e, l e

c ha mp le c tr i qu e , l a f r q ue nc e , e t s ont f a ci le me nt m o du la bl es e n f o nc t io n d u m la ng e,

av ec d es p e rt e s t r s f a ib le s (tan < 0, 1% 1 MHz) . I ls s o nt u ti li s s d an s l e s c ir c ui t s

h a ut e s f r qu e nc e s , c o mm e c o nd e ns a t eu r s d e l i ai s on .

Type IIC e s o n t d e s m a t r i a u x n o n l i n a i r e s . C e c i r e v i e n t a u f a i t q u e l a p o l a r i s a t i o n n e s t p l u s p r o -

p o r t i o n n e l l e a u c h a m p l e c t r i q u e a p p l i q u , c o m m e p o u r l e s m a t r i a u x p r c d e n t s . I l s s o n t

b a s e d o x y d e s f e r r o l e c t r i q u e s , i l s p r s e n t e n t d o n c u n e p o l a r i s a t i o n l e c t r i q u e s p o n t a n e ,

d p e nd a nt e d e l a t e m p r a t ur e . I l s s o nt c a r ac t ri s s p a r d e s p e r m it t i vi t es d i le c t ri q ue s

t r s l e v e s ( c o mp r is e s e nt r e 2000 et 20000) t e n da nt t h or i qu e me nt v er s u n m a xi mu m

l a t e m p r a t ur e d e t r a ns i t io n f e r ro / pa r a- le c t ri q ue , q u e l on c o n fo n d e n g n r a l a ve c l a

t e m p r a t u r e d e C u r i e T c . I l s s o n t g a l e m e n t t r s s e n s i b l e s a u c h a m p l e c t r i q u e a p p l i q u ,

l a f r qu e nc e e t a u x c o nt r a in te s e nv i ro n na nt e s ( t e mp r a tu r e e t p r e ss i on ) . L e m a t r i au ,

l e p lu s r p an du e st l e t it an at e d e b ar yu m B aT iO3, i l p r se nt e u ne t em p r at ur e d e C u-rie TC = 125 C , u ne va le ur t r op le v e p o ur p e r me t tr e u ne e xp lo it a ti on p r at iq ue d e s a

f o r t e p e r m i t t i v i t d i l e c t r i q u e . A fi n d e p a l l i e r c e s i n c o n v n i e n t s , u n e d o u b l e s t r a t g i e e s t

a do pt e. E n p r em ie r l ie u , u ne m o di fic at i on d e l a c o mp o si t io n c hi mi qu e d u B aT i O3 par

s u b s t i t u t i o n s ( Z r4+ e n s i t e T i4+) , e t ( C a2+ o u S r2+ e n s i t e B a2+) d a n s l a m a i l l e c r i s t a l l i n e

p r ov s ki t e . P ar c o n s q ue nt , o n a r r iv e d i mi nu e r l a t e m p r a t ur e d e t r a ns i t io n f e r ro l e c-

t r iq ue c e q ui p e rm et d e m o du le r l a va le ur d e l a p e rm it t iv it l a t em p r a tu r e a mb ia nt e

( ca s d u B a0,6Sr0,4TiO3) . C ep e nd ant , c el a n e p e rm et p as d avo ir u ne b o nn e s ta bi li t e n

t e mp r at ur e . L a s e co nd e t ap e c o ns is te i nd ui r e d e s g ra di e nt s d e c o mp o si t io ns e nt r el e s g r a i n s d e l a c r a m i q u e o u b i e n m m e d a n s l e m m e g r a i n [ 17]. A in si , p ar s up e rp o si -

t io n d u n n om br e i mp o rt an t d e c om p or t em en ts d iff re nt s o n a r ri ve l is se r l a va ri at i on

t h e r m i q u e d e l a p e r m i t t i v i t .

Dilectriques ferrolectriques

O n a p p e l l e f e r r o l e c t r i c i t l a p r o p r i t s e l o n l a q u e l l e u n d i l e c t r i q u e c r i s t a l l i n p o s s d e

s p o n t a n m e n t u n e p o l a r i s a t i o n l e c t r i q u e . S o u s u n c h a m p l e c t r i q u e v a r i a b l e s u ffi s a m m e n t


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i nt en se , l e s en s d e l a xe d e p o la ri sa ti on p e ut tr e i nve rs . A in si l ta t d e p o la ri sa ti on

m a cr o s co p iq u e d un m a t r i au f e r ro l e ct r i qu e e n f o nc t i on d u c ha m p l e ct r i qu e r e pr s en te

u n c y cl e d hy s t r si s ( c o mm e p o u r l e s m a t r i a ux f e r ro m ag n t i qu e s ).

L i n fl u e n c e d e l a t e m p r a t u r e s u r l a p o l a r i s a t i o n d i p o l a i r e d a n s l e s m a t r i a u x f e r r o l e c -

t r i q u e e s t t r s i m p o r t a n t e . A i n s i , a u - d e l d u n e c e r t a i n e v a l e u r , d i t e t e m p r a t u r e d e C u r i e ,

d e s c h a n g e m e n t s d e p h a s e s m o d i fi e n t l o r g a n i s a t i o n d e s m o m e n t s d i p o l a i r e s d e t e l l e s o r t e

q u e l e u r r s u l t a n t e t o t a l e d e v i e n t n u l l e . D a n s c e c a s , l e m a t r i a u e s t d i tparalectrique. Le

t a b l e a u 1 . 3 d o n n e l a t e m p r a t u r e d e C u r i e d e q u e l q u e s m a t r i a u x f e r r o l e c t r i q u e s .

Matriaux Temprature de Curie (K)

SrTiO3 22BaTiO3 393

PbTiO3 763

LiNbO3 1470

Table 1 . 3 : T e m p r a t u r e d e C u r i e d e q u e l q u e s m a t r i a u x f e r r o l e c t r i q u e s [18].

Type III

A u s s i a p p e l s d i l e c t r i q u e s c o u c h e d a r r t a u x j o i n t s d e g r a i n s . C e s o n t d e s c o n d e n s a t e u r s

d e t y p e I I d o n t l e c u r d e s g r a i n s e s t r e n d u s e m i - c o n d u c t e u r p u i s r o x y d e n s u r f a c e . O n

a a lo rs u ne c ou ch e i so la nt e t r s m in ce (10100 nm) e t d ont l a c ap ac it g lo ba le e sta u gm e nt e p a r u n e ff e t d e c o n fin e m en t g om t ri q ue ( q ue l qu e s m i cr o f ar a d s) . L a s u r fa c e

d u c on de ns at e ur d e vi e nt l a s ur fa c e t o ta le d es j oi nt s d e g ra in s e t s on pa is se u r e s t c e ll e

d e l a c ou ch e d i le ct ri qu e (< 100 nm) . L a pp li c at io n d e l qu at i on ( 1. 2 2) p e rm et d on c

d o bt en ir d e t r s f o rt e s c a pa ci t s m m e s i l a p e r mi t ti vi t i nt r in s qu e d es c o ns ti t ua nt s

d e l a c r am iq ue r es te a na lo gu e c el le d es d i le ct ri qu es d e ty pe I I . C ep e nd ant , l e f ai t

d e d im in ue r l e d i le c tr i qu e d es p ai ss eu r s t r s f a ib le s c o nd ui t u ne a ug me nt at i on t r s

i m p or t a nt e d u c ha m p l e ct r i qu e e ff e ct i ve m e nt a p pl i qu a u d i le c t ri q ue . P ar c o n s q ue nt ,

l a t e ns io n d e f o nc t io nn e me nt e st r du it e q ue lq ue s d iz ai ne s d e v ol ts(25 V) . C e t y p e d e

m a t r i a u n e s t u t i l i s q u e p o u r l e s c o n d e n s a t e u r s m o n o c o u c h e s .

L e t a b l e a u 1 . 4 r e p r s e n t e u n r c a p i t u l a t i f d e s m a t r i a u x d i l e c t r i q u e s l e s p l u s u t i l i s s

p o u r l a f a b r i c a t i o n d e s c o n d e n s a t e u r s .


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Table 1 . 4 : T a b l e a u r c a p i t u l a t i f d e s p e r f o r m a n c e s d e s d i l e c t r i q u e s u t i l i s s d a n s l e s p r i n -

c i p a l e s f a m i l l e s d e c o n d e n s a t e u r [16].

1.3.3 Les condensateurs cramique pour llectronique de

puissanceL le c tr o ni qu e d e p ui ss a nc e e st u ne b ra nc he d e l le c tr on iq ue q ui s i nt re ss e p lu s

l ne r gi e c o nt e nu e d an s l es s ig na ux le c tr i qu e s e t a ux t e ch ni qu es d e s a c o nve r si on q u

l in f or m a ti o n q u i l s v h i cu l en t. E l le c o uv r e u n e l a rg e g a mm e d e p u is s an c e q u i p e u t a l le r

d e q u el q ue s m i cr ow at t s p l us i eu r s M ga wa t t s. D a ns u n c o nv er t i ss e u r d e p u is s an c e, u n

c o n d e n s a t e u r p e u t r e m p l i r p l u s i e u r s f o n c t i o n s d i ff r e n t e s [16 ] . O n p e u t c i t e r , p a r e x e m p l e ,

l e d c ou p la g e/ s t o cka g e d n e r gi e , l e fi l tr a g e o u l ai d e l a c o mm ut a t io n . L e s c o nt r a in te s

e t l e s p e r f or m a nc e s r e qu i se s p o u r c ha q ue a p pl i c at i on p e u ve nt t r e a s se z d i ff r e nt e s .

1.3.3.1 Le dcouplage

L a f o nc t io n e s t u t il is e e s se nt i el le me nt e n t te d u n c o nve r ti ss eu r a li me nt p ar u ne

s ou rc e d e t e ns io n c o nt i nu e . L e c o nd en sa t eu r g ar a nt it a lo r s l a s ta bi li t d e l a s ou rc e d e

t e ns io n , l or s d es c om mu t at io ns , e n r po nd an t r a pi de me nt d es a pp e ls d e c ou r an t. C et

u s a g e a u s e i n d u n o n d u l e u r d e t e n s i o n s o l l i c i t e p a r t i c u l i r e m e n t l e c o n d e n s a t e u r . D a n s c e s

c o n d i t i o n s d e f o n c t i o n n e m e n t , l e c o n d e n s a t e u r e s t u n c o m p o s a n t e s s e n t i e l d e l a c e l l u l e d e

c o m m u t a t i o n . I l e s t s o u m i s d e f o r t e s v a r i a t i o n s d e c o u r a n t (di/dt) . L e s c o u r a n t s e ffi c a c e s


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p e u ve nt a t t ei n dr e d e s va l eu r s l ev e s . L e c o nd e ns a t eu r d o it p a r c o ns qu e nt p r se nt e r d e

b o nn es p e rf or m an ce s n ot a mm ent a u n ive au d es p e rt e s d yn a mi qu es p o ur l im it e r l a ut o-

ch a uff e me nt . L e s l me nt s p a r as i te s t e l s q u e r s is t a nc e s r ie ( E SR ) d e s t e r mi n ai s on s o u

d e l a c o nn ec t iq ue o u l i nd uc t an ce s r ie c r e s p ar l es l ec t ro d es , s on t u n c r it r e p o ur l e

c h o i x d u c o m p o s a n t e t d e s a g o m t r i e . A i n s i , u n e i n d u c t a n c e s r i e e x c e s s i v e s o u m i s e d efortsdi/dt v a e n g e n d r e r d e s s u r t e n s i o n s . L o r s d u c h o i x d u c o m p o s a n t , d e s t e c h n o l o g i e s d e

c o nd e ns a t eu r s a ve c u n e f o r te d e ns i t d e s t o cka g e d n e r gi e e t d ex c el l en te s p e r f or m an c e s

d y n a m i q u e s s o n t p r f r e s . C e l a i m p l i q u e q u e l e m a t r i a u d i l e c t r i q u e p r s e n t e u n e g r a n d e

d e ns i t v ol u mi q ue d e s t o cka g e d n e r gi e e t d e s p e r t es d i l e ct r i qu e s f a ib l e s.

1.3.3.2 Le filtrage

A u n ive a u d u n s ys t m e, l e fi lt r ag e a ss ur e l a c om pa t ib il it e nt r e d iff r e nt s l m ent s

r ac c or d s l a m m e s ou r ce . E n le c tr o ni qu e d e p ui ss an c e, d es n or me s d e b o n f on c ti on -n e m e n t s o n t p r i n c i p a l e m e n t f o r m u l e s s o u s f o r m e d e g a b a r i t o u d e t a u x d o n d u l a t i o n s u r

c e r ta i ns c o u ra nt s e t t e ns i o ns , e t c e r ta i ne s g a mm e s d e f r qu e n ce s .

1.3.3.3 Les condensateurs cramiques pour le stockage dnergie

L ne r gi e t ot a le s t oc k e d an s u n c o nd en sa te u r e s t d fin ie p ar 12C V

2. U ne d es vo ie s

p o s si b le s p o u r a u gm e nt e r s a va l eu r e s t d e m a xi m is e r l a c a p ac i t l e c t r iq u eC=0 rS/e.

L a t e ch no lo g ie d es c ra mi qu es e st d j c ap ab le d o pt i mi se r l e f ac t eu r g o m t ri qu e S/e

a v e c l e s c o n d e n s a t e u r s m u l t i c o u c h e s d o n t l p a i s s e u r i n d i v i d u e l l e d e s c o u c h e s d i l e c t r i q u e se s t i n f r i e u r e 1 m. L a m l i o r a t i o n e n t e r m e d e m i s e e n f o r m e e s t d o n c l i m i t e . L a u t r e

p o s s i b i l i t e s t a l o r s d a u g m e n t e r l a p e r m i t t i v i t d i l e c t r i q u e d e s m a t r i a u x . D e c e p o i n t d e

v u e , l a v a l e u r d e r f r e n c e d er e s t d e n v i r o n20 000 p o u r d e s c o m p o s s b a s e d e B a T i O3.

C e p e n d a n t , c o m m e o n l a d j v u , l i n c o n v n i e n t m a j e u r d e c e s m a t r i a u x e s t l e u r d r i v e

t h e rm i qu e i m p or t a nt e . C es t p a r ti r d e s a n n e s2000, q u e l a d c o u v e r t e d e m a t r i a u x

p e rm it t iv it d it e g a nt e o u c o lo ss al e a d on n u n n ou ve l la n p o ur l e d ve lo pp e me nt

d e s s u p e r c o n d e n s a t e u r s e n c r a m i q u e . E n e ff e t , l e s t i t a n a t e s c u i v r e c a l c i u m C a C u3Ti4O12( C C T O ) , a v e c u n e s t r u c t u r e p r o v s k i t e a n a l o g u e c e l l e d u B a T i O3 p e u v e n t a t t e i n d r e u n e

p e r m it t i vi t a p pa r e nt e d e l or d r e d e105 p o u r d e s f r qu e nc e s i n f r i eu r e s 10 kHz e t u n es t a b i l i t e n t e m p r a t u r e i n f r i e u r e 0, 1 % parC. L i n c o n v n i e n t p r i n c i p a l d e c e t y p e d e

c o n d e n s a t e u r s e s t l e u r f a i b l e t e n u e e n t e n s i o n e t l e u r s c o u r a n t s d e f u i t e l e v s .

L e s t r s f o r t e s v a l e u r s d e p e r m i t t i v i t d e c e s c r a m i q u e s s o n t u n f a c t e u r p l u s q u i n t -

r e s s a n t p o u r l e d v e l o p p e m e n t d e c o n d e n s a t e u r s f o r t e c a p a c i t , v o i r m m e s d e s s u p e r -

c o nd e ns a t eu r s . D e s t r ava u x a nt r ie u rs a u l a b o ra t o ir e C I R IM AT o nt m o nt r a ve c s u cc s

l a p os si bi li t d e r a li se r d es c on de ns at eu rs mu lt ic ou ch es b as e d e C CT O [19]. N a n-

m oi ns , m al gr d e s r ec he r ch es i nt e ns e s s ur l e( s ) m ca ni sm e( s ) p hy si qu e( s) l o r ig in e d e


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c e t te p e r m it t i vi t g a nt e , c e t te q u es t io n e s t t o uj o u rs d ac t u al i t . E n e ff e t l id e nt i fic a t io n

d e c es m c an is me s p e ut d on ne r l a c le f p o ur l e c ont r le d e l a va le ur d e l a p er mi tt iv it

e t d es p e rt e s d i le c tr iq ue s , q ui s o nt d es p ar a m tr e s e s se nt ie ls l o rs d e l a c on ce p ti on d u n

condensateur.

ConclusionD an s c e c ha pi tr e , n ou s a vo ns e xp o s q ue lq ue s d fin it i on s s ur l e s q ua tr e f am il le s d e

p o l ar i s at i on s , l a p e r m it t i vi t e t l e s p e r t es d i l e ct r i qu e s. N o us a vo n s g a le m en t p r se nt

l es p r in ci pa ux m c a ni sm es d e c o nd uc ti on s d an s l es d i le c tr i qu e s. E ns ui t e, n ou s a vo ns

i n t r o d u i t l i n t r t q u e r e p r s e n t e t o u t e s c e s n o t i o n s d a n s l e s p r o p r i t s d e s c o n d e n s a t e u r s

c r a mi qu e s e n g n ra l , e t c eu x u ti li s s e n l ec t ro ni qu e d e p ui ss a nc e. E nfi n, n ou s a vo ns

p or t l a d is cu ss io n s ur l e f ut ur p ot ent ie l d es m at r ia ux f or te p er mi tt iv it p o ur d es

a p pl i ca t i on s c o mm e c o nd e ns a t eu r s p o u r l e s t o cka g e d ne r g ie c o nd i ti o n d e c o mp r e nd r e

l e s m c a n i s m e s p h y s i q u e s l o r i g i n e d e c e p h n o m n e .


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Chapitre 2

Proprits et modles pour les

matriaux permittivit colossale

D a ns c e c ha p it r e , n o us a l lo n s a b o r de r l e s d i ff r e nt s m a t r i a ux p r se nt a nt d e s va l eu r s

d e p e r m i t t i v i t c o l o s s a l e . N o u s e x p o s e r o n s e n p r e m i r e p a r t i e , l e u r s c a r a c t r i s t i q u e s c o m -

m u n e s p a r r a p p o r t l a f r q u e n c e , l a t e m p r a t u r e , e t l e u r s r p o n s e s e n c o u r a n t - t e n s i o n .

P ui s, n ou s m on tr e ro ns l e ffe t d e l a m ic r os t ru ct u re s ur c e s c ar a ct ri st iq ue s. D an s u ne s e-

c o n d e p a r t i e , n o u s t r a i t e r o n s l e s m o d l e s e x i s t a n t d a n s l a l i t t r a t u r e p o u r e x p l i q u e r l o r i -

g i n e d e c e t t e f o r t e p e r m i t t i v i t e t l e s l i m i t e s d e c e s m o d l e s .

2.1 Matriaux permittivit relative colossale

2.1.1 Historique

L e s p r e m i r e s o b s e r v a t i o n s d e p r o p r i t s d i l e c t r i q u e s e x c e p t i o n n e l l e s a v e c d e s v a l e u r s

d e p e rm it ti vi t r el at ive s d it es c ol os sa le s o nt t f ai te s s ur d es c r am iq ue s d e f or -

m u le s A C u3Ti4O12 e t C a C u3Ti3FeO12 ( a v e c A u n c a t i o n t r i v a l e n t o u B i ) d a n s l e s a n n e s

2 0 0 0 [20] . U n e t e l l e v a l e u r d e l a p e r m i t t i v i t d i l e c t r i q u e (>105 p o u r l e C a C u3Ti4O12),

ave c u ne b on ne s ta bi li t s ur u ne l ar ge g am me d e t em p ra tu re e t d e f r qu en ce a s us -

c it u n g r an d i nt r t . E n e ff et , d e t e ll e s p ro pr i t s d i l ec t ri qu es p e rm e tt r ai e nt d e nv i-s ag er u ne l ar g e g am me d a pp li c at io ns c om me p ar e xe mp le d es c on de ns at e ur s a ve c u n

f or t p o te nt i el d e d en si t d e s t oc ka ge d n er g ie le c tr i qu e. D ep ui s, c e p h no m ne a t

o b se r v d a ns d au t r es t yp e s d e m a t r i a ux c r am i qu e s , t o u te s a ve c u n e s t r uc t ur e p r ov s -

k it e, t el le s q ue l e N 12

ACu3Ti4O12 a ve c A( La , S m, Gd , D y, Y, Y b, B i) [21 ] , l e L aM nO3,

SrNbO3.41 , Gd0.6Y0.4BaCo2O5.5 [22] , C u2Ta4O12 [23] , C a2TiMnO6 [24] , l e L n 23

Cu3Ti4O12ave c ( Ln =L a, C e, P r, D y) [25 , 26, 27] , e t l e B a T i O3 d op L a e t f ri tt p ar S PS ( Sp ar k

P l as m a S i nt t e ri n g) [2 8, 2 9], a in si q ue s ur d a ut re s p r ov sk it es c om pl ex es b as e d e f er

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32 Proprits et modles pour les matriaux permittivit colossale

AFe 12

B 12

these de doctorat - universite toulouse

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