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Université Sidi Mohammed Ben Abdallah
Faculté des Sciences et Techniques Fès
1Laboratoire
Signaux Systèmes
et Composants (LSSC) FST Fès
2Laboratoire Matériaux optiques, photonique et systèmes,
Université Paul Verlaine- Metz,
Élaboration par voie sol-gel les matériaux ferroélectriques
à base de BaTiO3 pour des applications optoélectroniques
Présenté par :
1Abdelhalim Elbasset
Encadré par :
Pr. 1T .Lamcharfi
Pr. F .Abdi
Pr. M. AILLERIE
1
2
01/03/2014
Matériaux, Pollution et Environnement
Plan
Plan
 Introduction
 Élaboration par la voie sol-gel le BaTiO3 dopé au
Strontium Sr .
La caractérisation structurale et diélectrique de BST
 Conclusion et perspectives
01/03/2014
2
Introduction
 BaTiO3 qui fait partie de la famille des pérovskites ABO3, est
certainement le plus étudié des composés ferroélectriques.
 C’est un bon candidat pour les
applications ferroélectriques et
optoélectroniques comme condensateurs multi-couches, mémoires
non-volatiles stockage holographique et guides d’onde…
01/03/2014
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Partie
expérimentale
01/03/2014
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Organigramme de préparation des poudres céramiques
Ba1-xSrxTiO3 par voie sol-gel
Solution d’acétate
de Ba
Sol de titane
Solution de
Carbonates de Sr
Agitation à
60°C
Solution de Ba2+,
Ti4+ et Sr2+
Séchage à 80°C
Xérogels
Poudres crues de
Ba1-xSrxTiO3
Broyage
manuel
Calcination à
1000°C (4h)
Frittage à 1100°C
(8h )
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Caractérisation
structurale
(110)
Caractérisation par DRX
Ba1-xSrxTiO3
(220)
2,6
(222)
(211)
(111)
X=0.125
: BaCo3
X=0.150
1.2
1,4
X=0.100
X=0.125
1.0
Les poudres BSxT
cristallisent dans la
phase pérovskite.
1,2
0.8
1,0
X=0.075
0,8
0.6
X=0.050
X=0.100
X=0.075
X=0.050
0,6
0.4
0,4
X=0.025
X=0.025
X=0.000
X=0.000
Le déplacement de la position
des pics (200/220) vers les plus
haut angles par rapport à BT
0.2
0,2
(002)
(220)
(u.a)
Intensity
(u.a)
Intensity
1,6
(210)
1,8
1.4
X=0.150
(100)
1.6
2,0
(200)
2,2
(221)
1.8
(220)
2,4
0.0
0,0
40
2041
42
30
43
40
44 50
45 60
46
70 47
8048
2-theta
(deg)
2-theta
(deg)
zoom des pics (200/220)
Diffractogrammes des rayons X des poudres Ba1-xSrxTiO3
calcinées à 1000°C (4h)
01/03/2014
7
Caractérisation
par
DRX
Caractérisation par
DRX
Ba1-xSrxTiO3
1.059
1.058
Le dopage en strontium
favorise l’augmentation de la
symétrie.
C/a
1.057
1.056
1.055
1.054
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
x% (Sr)
Evolution da la tétragonalité des composés BSxT
01/03/2014
8
Caractérisation par Microscopie électronique à
balayage
(a) Tm:
395 nm
(b) Tm :
590 nm
Micrographies de BSxT pour x=5% frittée à1100°C (a) 4h et (b) 8h
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2,4
Intensity (a.u)
2,2
La bande large (peu
intense) à 720 cm−1
associée aux modes
A1(LO3) et E(LO4)
caractéristiques de la
présence de la phase
BaTiO3 quadratique
E(LO) / A1(L0)
2,6
E(TO) / A1(T0)
2,8
E ( TO + LO ) / B1
3,0
A1(TO)
A1(TO)
A1(LO)
Caractérisation par spectroscopie Raman
2,0
1,8
x=0.000
1,6
x=0.025
1,4
Quand la concentration de
Sr augmente (x>0), les trois
pics à 200Cm-1 230cm-1 et
à 285cm-1 dans BaTiO3
retransforment une seule
bande large entre 190 cm1et 290 cm-1 dans BSxT
x=0.050
1,2
x=0.075
1,0
0,8
x=0.100
0,6
x=0.125
0,4
x=0.150
0,2
0
200
400
600
800
1000
1200
-1
Raman schift ( cm )
Spectres Raman des poudres Ba1-xSrxTiO3 calcinées à 1000°C (4h)
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Résultats de caractérisation par SFX
Masse (%)
Ba1-XSrxTiO3
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Ba
Ti
O
Sr
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
x
Le pourcentage de la masse de chaque élément
chimique dans Ba1-xSrxTiO3
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Etude diélectrique
Etude diélectrique de Ba1-xSrxTiO3
X=0.00
à 70°C
135C°
140C°
145C°
150C°
175C°
200C°
4000
3000
3000
2000
2000
1000
0
1000
-1000
3000
2000
1000
0
-1000
-2000
-2000
0
-3000
100C°
110C°
120C°
125C°
130C°
135C°
4000
Constante diélectrique
Constant
Dielectrique
diélectrique
Constante
4000
-3000
0.0
0,0
5
5.0x10
5,0x10
5
6
1,0x101.0x10 1,5x10
6
f in(Hz)
Hz
Fréquence
6
6
1.5x10
2,0x10
6
6
2.0x10
0,0
5
5,0x10
6
1,0x10
6
1,5x10
6
2,0x10
Fréquence (Hz)
Evolution de la constante diélectrique en fonction de Fréquence à différentes températures de
mesure de Ba1-xSrxTiO3
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13
fr
Etude diélectrique de Ba1-xSrxTiO3
1,8x10
6
1,6x10
6
1,4x10
6
1,2x10
6
1,0x10
6
8,0x10
5
Tc
60
80
100
120
140
160
180
Température (c°)
L’évolution de la fréquence de relaxation en fonction de la température de BT
fritté à 1100 °C durant 8h
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Étude diélectrique de Ba1-xSrxTiO3
X=0.05
Constante diélectrique
4000
2000
0
-2000
-4000
122C°
128C°
130C°
150C°
175C°
200C°
225C°
6000
4000
Constante diélectrique
90C°
92C°
94C°
96C°
98C°
100C°
102C°
104C°
106C°
108C°
110C°
112C°
114C°
116C°
118C°
120C°
122C°
6000
2000
0
-2000
-4000
-6000
0,0
5
5,0x10
6
1,0x10
Fréquence (Hz)
6
1,5x10
6
2,0x10
-6000
0,0
5
5,0x10
6
1,0x10
6
1,5x10
6
2,0x10
Fréquence (Hz)
Evolution de la constante diélectrique en fonction de Fréquence à différentes températures de
mesure de Ba1-xSrxTiO3
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Etude diélectrique de Ba1-xSrxTiO3
X=0.00
f < 100KHz
f > 100KHz
Khz1
Khz10
Khz20
Khz30
Khz40
Khz50
Khz60
Khz70
Khz80
Khz90
Khz100
2800
2400
Tc=140
Dielectric Constant
2600
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
20
40
60
80
100
120
140
Temperature (°C)
160
180
200
220
4200
4000
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
Khz100
Khz200
Khz300
Khz400
Khz500
Khz600
Khz700
Khz800
Khz900
MHz1
Tc=140
3000
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Evolution de la constante diélectrique en fonction de la température à
différentes fréquences de mesure de Ba1-xSrxTiO3
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220
Etude diélectrique de Ba1-xSrxTiO3
X=0.125
f < 100KHz
f > 100KHz
4400
4200
4000
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
3000
KHz1
KHz10
KHz20
KHz30
KHz40
KHz50
KHz60
KHz70
KHz80
KHz90
KHz100
Dielectrique Constant
2500
2000
1500
1000
500
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
KHz100
KHz200
KHz300
KHz400
KHz500
KHz600
KHz700
KHz800
KHz900
MHz1
MHz1.1
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Temperature (T°C)
Evolution de la constante diélectrique en fonction de la température à
différentes fréquences de mesure de Ba1-xSrxTiO3
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220
Etude diélectrique de Ba1-xSrxTiO3
8500
BS15T
BT
8000
Constante diélectrique
7500
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
0
200
400
600
800
1000
fréquence (KHz)
Variation de ε’max en fonction de la fréquence
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Etude diélectrique de Ba1-xSrxTiO3
140
130
Tm (°C)
120
110
100
90
80
0,0
2,5
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
Taux de Sr (%)
Evolution de la température de transition Tm des composés Ba1-xSrxTiO3
01/03/2014
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Type de comportements ferroélectriques
La loi de Curie - Weiss
Le comportement paraélectrique d'un ferroélectrique normal est parfaitement
décrit par la loi habituelle de Curie - Weiss
1
 T  T0 
r C
1
où C et T0 sont respectivement la constante et la température de Curie - Weiss.
01/03/2014
20
Type de comportements ferroélectriques
X=0
0,00090
Expérience
Linear fit
0,00085
0,00080
0,00075
r
0,00070
0,00065
0,00060
0,00055
1 Khz
200 Khz
500 Khz
800 Khz
1 Mhz
0,00050
0,00045
0,00040
0,00035
-4
-2
0
X=10%
2
4
6
8
10
12
14
16
-4
20
22
24
X=15%
Expérience
Linear fit
9,5x10
0%
1,8x10
-3
1,7x10
-3
-4
1,6x10
-3
1,5x10
-3
-4
1,4x10
-3
1,3x10
-3
1,2x10
-3
1,1x10
-3
1,0x10
-3
9,0x10
-4
8,0x10
-4
7,0x10
-4
6,0x10
-4
-4
5,0x10
-4
4,0x10
-4
-4
3,0x10
-4
-4
9,0x10
8,5x10
8,0x10
-4
7,5x10
-4
7,0x10
-4
500 Hz
1 KHz
5 KHz
6,5x10
-4
6,0x10
-4
5,5x10
-4
5,0x10
-4
4,5x10
4,0x10
3,5x10
0
50
r
r
18
Température (°C)
Expérience
Linear fit
0.5 KHz
1 KHz
5 KHz
-10
0
10
20
30
Température (°C)
Température (°C)
10%
15%
40
50
60
Comportement ferroélectrique des composés BT, BS10T et BS15T et leurs comparaison
à la loi de Curie – Weiss
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Type de comportements ferroélectriques
La loi de Uchino:
Entre les ferroélectriques classiques et relaxeurs, il existe une autre famille qui
manifeste un maximum très diffus de la constante diélectrique, insensible à la variation
de la fréquence.
La variation thermique de la constante diélectrique, dans la région paraélectrique
(T > Tm), pour ces matériaux, est gouvernée par la loi de puissance généralisée
d'Uchino modifiée :
1
r

1
 r max
 (T  Tm ) 
1 
2 




L'exposant critique γ est un coefficient empirique qui décrit
le caractère diffus de la transition:
γ = 1 pour une transition classique;
1 < γ < 2 pour une transition diffuse;
γ = 2 pour un ferroélectrique relaxeur, ou totalement
diffus
 : renseigne sur le degré d'étalement du pic
01/03/2014
22
Type de comportements ferroélectriques
3
x=10%
2
x=15%
2
1
Log10[('max/'-1)*2]
Log10[('max/'-1)*2]
1
0
-1
800KHz
500KHz
100KHz
-2
-3
0
-1
f=100 khz
f=500 khz
f=800 khz
-2
-3
-4
-5
-4
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Log10(T-Tm)
3,5
4,0
4,5
5,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Log10(T-Tm)
Modélisation du comportement paraélectrique des composés BSxT.
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23
5,5
Type de comportements ferroélectriques
1,50
1,45
1,40

1,35
1,30
0.5Khz
1Khz
200Khz
500Khz
800Khz
1000Khz
1,25
1,20
1,15
1,10
10
11
12
13
14
15
Taux en Sr
Variation de γ en fonction de taux de strontium de BSxT
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Conclusion
L’analyse des résultats obtenus montre que le
strontium a des effets notables sur les propriétés
structurale et diélectriques de BT.
Le dopage avec le Sr favorise la diminution de la
tétragonalité (c/a) de BT .
plus le taux en Strontium augmente ,plus la température
de transition diminue.
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25
Conclusion
La variation de la constant diélectrique εr en fonction de la
température à différentes fréquences montre que le
BT est un matériau ferroélectrique classique.
Le maximum de la constante diélectrique augmente avec
l’augmentation de
fréquence dans l’intervale
[100KHz-1MHz].
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26
perspectives
Refaire Cette étude diélectrique en fonction de la fréquence et
de la température pour le BSZT
Étude de l a variation de ε’’ et ε’ en fonction de la fréquence
avec ε’’ = f(ε’).
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27
Merci Pour Votre
Attention
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