Dr. Pierre Hirel

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Relation dislocations - ferroélectricité dans des matériaux perovskites
Post-doc KIT (Allemagne), 2009-2012

Introduction

Les oxydes à structure perovskite (de formule ABO3) sont des matériaux ioniques, de ce fait ils possèdent des constantes diélectriques élevées. Certains sont ferroélectriques, c'est-à-dire capables de conserver naturellement une polarisation électrique permanente. Ces propriétés en font une classe de matériaux prometteurs pour l'électronique, comme diélectriques dans les transistors ou bien pour le stockage de données dans les mémoires FeRAM. Comme souvent, les défauts dans la structure cristalline ont un impact majeur sur ces propriétés fonctionnelles, ainsi que sur la durabilité des composants électroniques. Par ailleurs, les perovskites ferroélectriques les plus utilisées sont dérivées du titanate de plomb PbTiO3, comme le titano-zirconate de plomb Pb(Zr,Ti)O3 ou PZT. Bien qu'ayant des propriétés remarquables, ces matériaux ont le sérieux inconvénient de contenir du plomb, qui est toxique pour l'homme et néfaste pour l'environnement.

Nous avons choisi d'étudier le niobate de potassium KNbO3, une perovskite ferroélectrique dépourvue de plomb et un bon candidat pour remplacer le PZT. En particulier, nous nous sommes intéressés aux dislocations dans ce matériau pour deux raisons : premièrement afin de connaître leur structure à l'échelle atomique et leur rôle dans la déformation plastique de ce matériau ; ce point est discuté sur la page consacrée à la déformation des perovskites. Deuxièmement, nous avons cherché à mieux comprendre l'interaction des dislocations avec les parois de domaines ferroélectriques.

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Fig. 1 - Les perovskites ferroélectriques subissent plusieurs transformations de phase en fonction de la température. La flèche bleue pointe dans une direction possible de polarisation électrique P. Les déplacements atomiques et distortions de la maille sont exagérés. Les températures données ici correspondent aux transitions de phase dans le niobate de potassium KNbO3.

Dislocations dans KNbO3

Nous nous sommes intéressés au niobate de potassium KNbO3 (ou KNO), qui cristallise dans un réseau rhomboédrique avec une polarisation suivant un axe <111> dans son état fondamental (basse température).

En-dessous de leur température de Curie ils peuvent adopter une structure tétragonale, orthorhombique ou rhomboédrique, chacune favorisant une polarisation électrique suivant un axe cristallographique différent (voir Fig. 1).

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