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La ferroélectricité et ses applications


edison
Edison et son phonographe à cylindre, l’une des premières applications des matériaux ferroélectriques (fin du XIXe siècle).
Source Edison
National Historic Site
pyroelectricity
piezoelectricity
ferroelectricity
fram
FeRAM chip, courtesy of Fujitsu MicroElectronics Europe
ultrason
Image d’échographie par ultrasons d’un fotus de 14 semaines
icetd
Histoire des sciences : Du sel de Rochelle aux PZT
La ferroélectricité a été découverte au début du siècle par J. Valasek, dans le sel de Rochelle (potassium sodium tartrate), qui était à l’origine fabriqué en France, en 1665 par le pharmacien Pierre Seignette. Au départ, le sel de Rochelle était utilisé en médecine, comme purgatif léger. La croissance des cristaux de Rochelle était facile et on utilisait donc ces cristaux dans des appareils piézoélectriques tels que les microphones à cristaux et les têtes de lecture des phonographes. Historiquement, la découverte de la ferroélectricité est postérieure à celle de la piézoélectricité, et la pyroélectricité de la céramique BaTiO3 (baryum titanate) a été découverte par B. Wul et I. M. Goldman. Cette découverte a mobilisé des efforts considérables de recherche de matériaux ferroélectriques supplémentaires présentant la même structure. Une avancée significative dans les applications a été possible après la découverte du titano-zirconate de plomb (Pb(Zr,Ti)O3 ou PZT), qui présente une réaction piézoélectrique très forte et une grande polarisation ferroélectrique rémanente. Les matériaux à base de plomb font désormais partie des principaux composés de ce domaine.

Pyroélectricité
La pyroélectricité fut probablement observée pour la première fois sur une tourmaline par les Grecs anciens, mais son étude quantitative remonte au XVIIIe siècle, au début de l'étude de l’électricité statique. Sir David Brewster, chercheur écossais, fut le premier à utiliser le terme pyro (feu) électricité en 1824 pour décrire ce phénomène, dans l'une de ses nombreuses et précieuses contributions à l’Encyclopaedia Britannica. Les matériaux pyroélectriques présentent une polarisation spontanée dont l’amplitude change sous l’influence des gradients de température. La découverte des PZT a permis de multiples applications utilisant ce phénomène, telles que la détection infrarouge, l'imagerie thermique (l’absorption d’énergie aboutissant à des changements de polarisation) et les bolomètres diélectriques.

Piézoélectricité
La piézoélectricité a été découverte plus tard, vers 1880, par Pierre et Jacques Curie, qui ont été les premiers à démontrer la production d'électricité (charges de surface) à partir de cristaux de quartz bien préparés, soumis à une pression mécanique. à l’inverse, lorsqu'une tension est appliquée à un matériau piézoélectrique, ce dernier peut réagir par distorsion mécanique. Le début du XXe siècle a donné naissance à la plupart des applications classiques de la piézoélectricité, telles que les résonateurs à quartz, les accéléromètres ainsi que les applications mentionnées précédemment. Après la Seconde Guerre mondiale et la découverte des PZT, les progrès effectués dans le domaine de la science des matériaux ont permis le développement de nombreuses applications utilisant des propriétés piézoélectriques sur mesure.

Ferroélectricité
Tous les matériaux ferroélectriques sont piézoélectriques et pyroélectriques, mais ils possèdent en plus un moment électrique dipolaire spontané, macroscopique, non volatile et réversible, en l’absence de champ électrique externe. Plus simplement, les cristaux ferroélectriques peuvent être considérés comme un assemblage de piles présentant une orientation particulière, conservant sa stabilité sauf en cas d'application d'un champ électrique visant à changer sa direction. Leur polarisation résulte de la transition structurelle d’une phase paraélectrique à haute température et symétrie élevée vers une phase ferroélectrique à basse température et faible symétrie. Ces matériaux se comportent également comme des isolants à forte constante diélectrique, utiles au développement de condensateurs et de matériaux de stockage de l'énergie.

Quelques applications de la ferroélectricité
Même si, à l’heure actuelle, en raison de plusieurs problèmes technologiques, tels que les coûts de fabrication et les temps de lecture, la maîtrise nanoscopique de la ferroélectricité décrite par le Professeur Triscone et ses collaborateurs en est encore au stade de la recherche, elle pourrait aboutir à la fabrication de mémoires non volatiles ultrahaute densité, capables de conserver des données en cas de coupure de courant et offrant des temps de démarrage très courts. Les couches minces ferroélectriques jouent également un rôle de plus en plus important dans d’autres domaines de la technologie moderne. Leurs propriétés piézoélectriques, diélectriques et pyroélectriques ont notamment été exploitées dans diverses applications, des accéléromètres (airbags) aux mémoires vives ferroélectriques (FeRAM), appareils électro-optiques (imagerie thermique), appareils haute fréquence pour l’imagerie médicale (imagerie par ultrasons) et systèmes à ondes acoustiques de surface (SAW) (filtrage des télécommunications haute fréquence) en passant par les systèmes intelligents intégrés (contrôle de la vibration actif) et autres applications. Notre but n’est pas d’établir une liste exhaustive mais plutôt de mettre en évidence certaines évolutions récentes dignes d'intérêt.

Mémoires vives ferroélectriques (FeRAMs)
Les mémoires vives ferroélectriques (FeRAMs) sont des mémoires non volatiles utilisant la ferroélectricité. Les informations sont stockées en utilisant les deux états de polarisation stables de condensateurs PZT. Ces mémoires présentent l’avantage d'être plus rapides en mode écriture que les mémoires classiques actuelles, de consommer peu d’énergie et d’être très résistantes. Bien que leur intégration à la technologie CMOS fasse l’objet d’améliorations constantes, l’utilisation de ces mémoires pose également des problèmes de fiabilité des performances et caractéristiques de ces matériaux, lors de l’utilisation de condensateurs ultradenses/de petite dimension. En d’autres termes, les meilleures FeRAM disponibles sur le marché n'affichent « que » 256 ko mais la demande et le marché des mémoires FeRAM faible densité sont suffisamment importants pour permettre une production en masse. Fujitsu, par exemple, a déjà lancé sur le marché plus de 150 mémoires FeRAM depuis 1999. Le CMOS intégré atteint désormais 1 Mo et des systèmes produits en grand nombre seront commercialisés dans l’année (essais en cours). Les exemples d’applications de FeRAM sont nombreux : cartes à puces (cartes de crédit ou cartes prépayées), téléphone cellulaire (mémoire, stockage audio/vidéo), consoles de jeu et autres applications nouvelles telles que les billets électroniques ou les cartes d'identité.

Appareil à ultrasons pour l’imagerie médicale
De nos jours, le système d’imagerie par ultrasons non invasif le plus connu dans le monde est l’imagerie fœtale in-utero. Cette technologie, inconnue il y a 30 ans, a vu le jour grâce au développement de transducteurs piézoélectriques et à leur miniaturisation ; l’amélioration de la résolution nécessite en effet un plus grand nombre de capteurs dans un détecteur de même taille. Aujourd’hui, des groupes de détecteurs 1,5D – 2D sont commercialisés et les progrès permettront bientôt de proposer des systèmes d'imagerie en 3D. Autre application médicale nouvelle utilisant la ferroélectricité : le développement des transducteurs chirurgicaux focalisés et des thérapies médicales non invasives.

Amortissement actif
La société allemande Siemens AG a mis au point récemment des systèmes d'amortissement utilisant des commandes piézoélectriques multicouches pour les trains à technologie pendulaire. L’amortissement actif des bogies du train est nécessaire pour améliorer les performances des trains à grande vitesse. L’optimisation de la vitesse par rapport au contrôle de la trajectoire, ainsi que les problèmes de confort et de sécurité constituent les principales difficultés de cette technologie. Bien que l’utilisation de l'amortissement piézoélectrique multicouches à base de PZT ne concerne pas directement des applications aussi lourdes, des progrès significatifs ont été enregistrés. D’autres applications « plus légères » concernant des systèmes d’amortissement actifs et adaptatifs intégrés ont été mises au point pour la diminution/le contrôle des vibrations des raquettes de tennis et des skis.

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