Elaboration, structrure et propriétés fonctionnelles des céramiques ferroélectriques à base de BiFeO3

Elaboration, structure and functional properties of BiFeO3-based ferroelectric ceramics

• Auteur / Autrice : Zhuo Yu
• Direction : Abdelhadi Kassiba, Guorong Li
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/05/2021
• 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
• Jury : Président / Présidente : Jingrong Cheng
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelhadi Kassiba, Guorong Li, Jingrong Cheng, Kin Wing Kwok, Jean-Marc Greneche, Jiangtao Zeng
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Monot-Laffez, Soonil Lee

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarisation (électricité)

Ferroélectricité

Matériaux -- Effets des hautes températures

Énergie -- Stockage

Ferrite de Bismuth

Propriétés électriques

Céramiques piézoélectriques

Mots clés libres

BiFeO3

Céramique piézoélectrique haute température

Pinning des défauts

Courant de fuite

Taille des grains

Stockage de l’énergie

BiFeO3

High-temperature piezoelectric ceramics

Defect pinning

Leakage current

Grain size

Energy storage

Résumé

La ferrite de bismuth (BiFeO3, abrégée BFO) est un matériau ferroélectrique qui suscite l’intérêt en raison de sa température de Curie élevée (Tc=825 °C) et de sa grande polarisation spontanée (~100 μC/cm2). Le travail de thèse s’inscrit dans ce cadre et porte sur des céramiques ferroélectriques à base de BFO avec différentes compositions.(1) L’ajout à BFO de structures pérovskites BaTiO3 (BT) et PbTiO3 (PT) a été réalisé en vue de former des limites de phase morphotropes (MPB) conduisant à des matériaux à forts coefficients piézoélectriques tout en étant stables à hautes températures. L’étude de ces céramiques BFO-PT-BT vise à comprendre l’interaction entre l’organisation et les effets aux interfaces avec notamment la limite de phases, la microstructure et les distorsions du réseau. Dans ce même cadre, les défauts telles que les lacunes d’oxygène et les valences mixtes Fe3+/Fe2+ coexistent et contribuent à modifier les performancesélectriques qui portent sur la réponse ferroélectrique, piézoélectrique ainsi que la conductivité électrique dans ces céramiques fonctionnelles. (2) Le dopage par des structures appropriées notamment à base de Ba(Sn0.2Ti0.8)O3 a été aussi exploité pour améliorer les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques des céramique BFO-PT-BT. L’effet des défauts sur les réorientations des domaines ferroélectriques (phénomène de pinning) a été étudié ainsi que leur rôle dans les mécanismes responsables des courants de fuite. (3) Compte tenu de la grande polarisation spontanée et de la structure de phase pseudo-cubique ajustable de BFO, les céramiques ferroélectriques sans plomb de type BFO-BT ont été étudiées comme structures fonctionnelles offrant de grandes densités d’énergie diélectriques. Ces études ouvrent des perspectives d’application de ces céramiques dans le domaine de stockage de l’énergie offrant ainsi une alternative aux procédés chimiques.

Bismuth ferrite (BiFeO3), abbreviated BFO, is a ferroelectric material that is of interest due to its high Curie temperature (Tc=825 °C) and its large spontaneous polarization (~100 μC/cm2). The thesis work is related to ceramics based on BFO with different compositions and focusing on the optimization of ferroelectric performances with high Curie temperatures.(1) The addition to BFO of perovskite structures BaTiO3 (BT) and PbTiO3 (PT) was carried out in order to form morphotropic phase boundaries (MPB) leading to materials with high piezoelectric coefficients while being stable at high temperatures. The study of these BFO-PT-BT ceramics aims to understand the interaction between the effects at the interfaces, the microstructure and lattice distortions. In the same context, defects such as oxygen vacancies and mixed valences Fe3+/Fe2+ coexist and contribute to modulate the electrical performance of theferroelectric and piezoelectric response as well as the electrical conductivity in this group of functional ceramics. (2) Doping by appropriate structures, in particular based on Ba(Sn0.2Ti0.8)O3, has also been exploited to improve the ferroelectric and piezoelectric properties of BFO-PT-BT ceramics. The effect of defects on the reorientations of ferroelectric domains (pinning phenomena) was studied as well as their role in the mechanisms responsible behind the leakage currents. (3) The large spontaneous polarization and the adjustable pseudo-cubic phase structure of BFO, BFO-BT lead-free ferroelectric ceramics were investigated with an emphasis on the high dielectric energy densities involved in functional structures. These studies open new ways for the application of these ceramics in the field of energy storage which may offer an alternative to chemical processes.