Ferroelectric materials PKGN : elaboration, X-ray diffraction, dielectric and Raman spectroscopy studies

• Auteur / Autrice : Yassine Amira
• Direction : Daoud Mezzane, Mimoun El Marssi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Physique. Ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Amiens en cotutelle avec Université Cadi Ayyad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Rayons X -- Diffraction

Diélectriques

Composites

Bronze

Tungstène

Ferroélectricité

Résumé

Ce travail concerne la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux ferroélectriques de structure bronze de tungstène quadratique (TTB) dérivés du niobate de potassium de plomb (Pb2KNb5O15). La substitution a été effectuée au niveau des sites carrés (A) et pentagonaux (B) à savoir la solution solide Pb2(1-x)K1+xGdxNb5O15. L’étude par DRX montre l’existence de changements de symétrie à x=0,3 et à x=0,7 ; de la symétrie orthorhombique (Cm2m) pour x<0,3 à la symétrie quadratique (P4bm) pour les x>0,6, en passant par la symétrie pseudo-quadratique (Pba2). La rotation de 90° de l’axe polaire a été mise en évidence au voisinage de x=0,3. L’évolution de la température de transition ferro-paraélectrique avec le taux d’insertion en gadolinium a été déterminée par les mesures diélectriques. Un comportement ferroélectrique classique avec réduction du désordre cationique a été mis en évidence par les mesures diélectriques et par spectroscopie Raman lorsqu’on substitue le plomb par le gadolinium. L’incorporation progressive de ce dernier dans le réseau cristallin entraine une diminution de la température de transition et une disparition de la distorsion orthorhombique. Des études détaillées par spectroscopie d’impédance ont été effectuées sur les céramiques de composition PKGN pour déterminer l’effet de la substitution sur les grandeurs physiques (la constante diélectrique, conductivité, e��nergie d’activation et les fréquences de relaxation). Les transitions de phases observées par DRX, les mesures calorifiques et les mesures électriques ont été confirmées par la spectroscopie Raman. Ces études nous ont permis d’établir le diagramme de phase (Tc, x) de la solution solide PKGN et de déterminer l’effet de la substitution cation-cation sur les propriétés physiques. Un bon accord entre les diagrammes de phase théoriques calculés à partir de la méthode de simulation de Monte Carlo et les résultats expérimentaux est trouvé. Les céramiques ferroélectriques de structure TTB synthétisées, seront utilisées par la suite comme cibles pour l’élaboration des couches minces afin d’améliorer les propriétés diélectriques, en vue de leur utilisation en microélectronique. Cette étude est actuellement en cours.

A new family of a rare-earth ferroelectric Tetragonal Tungsten Bronze (TTB)-type compounds, with general formula Pb2(1-x)K1+xGdxNb5O15 (PKGN) was elaborated by solid state reaction. Structural and electrical properties were investigated using X-ray diffraction and dielectric measurements. Ferroelectric phases are found, and their symmetry, together with the transition temperature strongly depended of the gadolinium concentration. It was shown that at room temperature, for the low gadolinium (Gd) concentration (x < 0. 3) the ferroelectric state is described by the symmetry group Cm2m, while at intermediate Gd concentration (0. 35< x < 0. 70) the symmetry group is mainly described in Pba2 and in compounds with a higher Gd concentration, the space group P4bm is associated to ferroelectricity. The ferroelectric/paraelectric transition temperature strongly changes with the gadolinium concentration, in a non monotonic way. This behavior is due to the existence of structural changes versus composition. Two phase transitions were evidenced for compounds with higher gadolinium rate, where the intermediate phase could be related to an antiferroelectric state. The obtained results were also confirmed by Raman spectroscopy studies which provide strong evidence of the reduction of the disorder in the TTB structure when going from Pb to Gd.