Effet de la microstructure et de l'orientation des grains sur les performances des céramiques ferroélectriques pérovskite

Effect of the microstructure and orientation of grains on the performance of perovskite ferroelectric ceramics

• Auteur / Autrice : Jiangguli Peng
• Direction : Abdelhadi Kassiba, Guorong Li
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/05/2020
• Etablissement(s) : Le Mans en cotutelle avec Institute of ceramics (Shanghai, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Institut des Molécules et Matériaux du Mans / IMMM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titanozirconate de plomb

Pérovskites

Propriétés électriques

Matériaux céramiques

Semiconducteurs -- Dopage

Céramiques piézoélectriques

Cristaux ferroélectriques

Mots clés libres

Céramiques Texturées

Propriétés piézoélectriques

Nanodomaines

Dopage « Soft-Hard »

Relaxation diélectrique

Textured ceramics

Piezoelectric properties

Nanodomains

Soft-hard doping

Dielectric relaxation

Résumé

Les matériaux ferroélectriques sont largement utilisés dans d’importantes technologies incluant les transducteurs, actionneurs, capteurs... Parmi les structures ferroélectriques les plus exploitées, celles à base de Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) offrent de bonnes performances dans des dispositifs opérationnels. Malgré cet aboutissement en terme de valorisation, la compréhension fondamentale des caractéristiques physiques des systèmes basés sur les céramiques PZT continue de susciter l’intérêt d’une large communauté scientifique. Cependant, un intérêt croissant porte sur la mise en œuvre de structures ferroélectriques exemptes d’éléments chimiques nocifs pour l’environnement dont la teneur en plomb. Dans ce cadre, les systèmes à base de BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT) ont suscité beaucoup d'intérêt en tant que matériaux ferroélectriques sans plomb. Ce travail de thèse porte sur des études systématiques portant sur les céramiques à base de PZT et celles à base de BF-BT. Trois contributions ont été développées doant la première dédiée à l'analyse des microstructures, des phases cristallines et des propriétés ferroélectriques dans les systèmes PZT dopés. Les travaux ont montré le rôle du dopage Soft-Hard sur les propriétés structurales, morphologiques et électriques des matériaux dopés accepteurs. Dans une deuxième partie, l'interaction des microstructures et des propriétés électriques a été étudiée dans les systèmes BF-BT. L’optimisation des conditions de fabrication à travers la composition chimique et le traitement thermique contribue aux propriétés piézoélectriques améliorées dans ces systèmes sans plomb. Pour la troisième partie des travaux, des études expérimentales de fabrication, texturation et les caractérisations des propriétés ferroélectriques et électromécaniques ont été corrélées avec l’organisation structurale et morphologique des céramiques texturées.

Ferroelectric materials have been widely applied in transducers, high-pressure generators, actuators, sensors... In this context, the ferroelectric materials are generally regarded as being related to an important class of smart materials. Among the most popular ferroelectric materials, those based on Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) structures show the best performances in operating devices. Despite such achievements, the fundamental understanding of the physical characteristics continues to arouse the interest of a wide scientific community. On the other hand, in view of the environmental-friendly requirement, more attention have been paid by the researchers to lead-free ferroelectric materials. Thus, BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT) systems have attracted a great deal of interest as promising candidate for lead-free ferroelectric materials. In this dissertation, PZT-based and BF-BT-based ceramics were investigated systematically. Three contributions have been developed with the first dealing with the analysis of microstructures, crystalline phases and electric properties in doped PZT systems. It was revealed the involvement of softening-hardening features and the relation between defect dipoles and electric properties in acceptor doped materials. In a second part, the interplay of microstructures and electric properties was studied in BF-BT systems, providing the relevant analysis of the optimized performance such as the enhanced piezoelectric properties of lead-free systems. In the third contribution, experimental methods of synthesis and texturing BF-BT systems by BT templates ad the characterization of ferroelectric and electromechanical properties have been correlated with the structural and morphological organization of textured ceramics.