Elaboration et caractérisation de céramiques ferroélectriques de

Chapitre I. Généralités
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CHAPITRE I
GENERALITES
Ce chapitre rassemble des généralités sur la piézoélectricité et la
ferroélectricité. Il comprend également une partie sur les céramiques ferroélectriques
de structure perovskite et sur les solutions solides PZT en particulier.
Enfin, une étude bibliographique concernant les céramiques PZT à fréquence
de résonance et à coefficient de charge d33 stable respectivement en température et
sous contrainte mécanique uniaxiale est présentée.

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Chapitre I. Généralités
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I.1. Introduction et définition de la piezoélectricité
La piézoélectricité est l'aptitude de certains matériaux cristallins à produire une
charge électrique proportionnelle à la contrainte mécanique qui les déforme. C'est
l'effet piézoélectrique direct et ce phénomène est réversible: l'application d'un champ
électrique externe provoque une déformation mécanique (effet piézoélectrique
inverse). Ce sont les frères Pierre et Jacques Curie qui expliquent l'effet direct en
1880 [1]. L'existence de l'effet inverse fut suggéré théoriquement par Lippmann
l'année suivante et confirmée expérimentalement par les frères Curie.
I.2. Les matériaux piézoélectriques
L'effet piézoélectrique dans un cristal résulte essentiellement de l'existence de
dipôles électriques internes. Ces dipôles sont crées par la séparation à l'échelle de la
maille du centre de gravité des charges positives de celui des charges négatives
sous l'effet d'une contrainte externe. Parmi les 32 classes cristallines existantes, 20
présentent l'effet piézoélectrique. Elles sont toutes dépourvues de centre de
symétrie.
Dix des vingt classes cristallines piézoélectriques présentent une polarisation
électrique spontanée – ou moment dipolaire permanent – en l'absence de contrainte
ou champ extérieur: elles sont dites polaires. Les cristaux appartenant à ces 10
classes sont appelés pyroélectriques en raison de la variation de la polarisation
spontanée avec la température.
I.3. Les matériaux ferroélectriques
I.3.1. Définition
Les cristaux ferroélectriques forment un sous-groupe des cristaux
pyroélectriques (Fig. I.1) pour lesquels la direction de la polarisation spontanée peut
être réorientée ou même renversée sous l'action d'un champ électrique externe.

20
32 classes cristallines
21 non centrosymétriques
11 centrosymétriques
20 piézoélectriques 1 non piézoélectriquenon piézoélectriques
10 pyroélectriques 10 non pyroélectriques
non ferroélectri
q
ues ferroélectri
q
ues non ferroélectri
q
ues
Figure I.1. Classes cristallines.
A l'origine, le choix du terme ferroélectricité par Muller en 1935 a pour but de
rappeler l'analogie entre le comportement hystérétique de la polarisation électrique
macroscopique en fonction du champ électrique appliqué (Fig. I.2) et celle de
l'aimantation en fonction du champ magnétique dans les substances
ferromagnétiques.
Le champ coercitif Ec est le champ électrique externe nécessaire pour la
réorientation des dipôles du matériau ferroélectrique et sa direction d'application
définit le nouvel axe de polarisation. La polarisation rémanente est la valeur de la
polarisation à champ nul.
Ec
Ps: Polarisation spontanée
Pr: Polarisation rémanente
Ec: Champ coercitif
Ps
Ps
-Ec Ec
Figure I.2. Cycle d'hystérésis d'un matériau ferroélectrique.

Chapitre I. Généralités
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Par opposition, il existe également des cristaux antiferroélectriques. Ce sont
des cristaux anti-polaires, c'est-à-dire que les dipôles élémentaires sont anti-
parallèles entre eux contrairement aux cristaux polaires dont les dipôles s'orientent
spontanément parallèlement aux dipôles des mailles voisines. L'application d'un
champ électrique suffisamment intense peut induire une transition de phase
antiferroélectrique – ferroélectrique (Fig. I.3) qui correspond à une orientation
parallèle des dipôles. Ea est la valeur du champ externe pour laquelle cette transition
réversible se produit.
E
P
Ea
-Ea
Figure I.3. Cycle d'hystérésis d'un matériau antiferroélectrique. Représentation
schématique des dipôles élémentaires.
I.3.2. Polarisation d'un matériau ferroélectrique
Un matériau ferroélectrique est divisé en régions dans lesquelles les dipôles
sont orientés de façon unidirectionnelle. Chaque région appelée domaine présente
donc une polarisation spontanée homogène et uniforme. Comme la répartition des
domaines est aléatoire, le matériau est globalement non polaire et possède une
symétrie sphérique ∞ ∞ m. La frontière entre deux domaines est appelée mur de
domaines. Les axes de polarisation des domaines forment entre eux des angles
bien définis.
Lorsqu'on applique un champ externe, les domaines dont la direction de
polarisation est voisine de celle du champ vont croître en volume au détriment des
autres domaines moins favorablement orientés. Ce processus s'appelle la
polarisation du matériau. Celui-ci présente alors une polarisation macroscopique, il
devient anisotrope et possède une symétrie conique ∞ m.
La réorientation des domaines dépend donc de leur configuration initiale.
D'après Berlincourt [2], dans les matériaux de structure perovskite, le basculement
des domaines à 180° est total car il ne nécessite pas de déformations structurales,
contrairement aux réorientations des domaines à 71°, 90° et 109° dits ferroélastiques
qui entraînent des distorsions importantes de la maille. La figure I.4 donne une
description qualitative du processus de réorientation des domaines lors de la
polarisation d'une céramique ferroélectrique.