Ces dernières années, des matériaux céramiques présentant une permittivité relative colossale ont été découverts. Les premiers travaux de recherche ont montré qu'une forte corrélation existe entre les propriétés électriques et la structure de ces matériaux. Ainsi, plusieurs types de caractérisations électriques ont été entrepris. La mesure par spectroscopie d'impédance est, de loin, la plus utilisée; elle a permis à partir d'une modélisation par des circuits électriques équivalents d'avancer quelques hypothèses sur une polarisation interfaciale. Jusqu'à présent, ces interprétations sont toujours sujet à discussion et aucun modèle ne tient en compte toutes les propriétés connues pour ces matériaux, plus particulièrement, une réponse directionnelle (non symétrique) par rapport au champ électrique. L'enjeu de ce travail est de savoir s'il y a une relation entre toutes les caractéristiques de ces matériaux et d'avoir une explication par des mécanismes physiques les plus simples possibles de l'origine de la permittivité colossale.
Des travaux antérieurs ont montré l'importance des effets d'interfaces dans ces matériaux à permittivité colossale, qu'ils soient associés à leurs contacts avec les électrodes métalliques, ou bien à une non homogénéité électrique entre les grains et les joints de grains qui les constituent. Afin de comprendre quelles sont les interfaces qui contrôlent les comportements de ces matériaux, et spécialement leur réponse non symétrique, un panel de caractérisations électriques ont été effectuées ; aussi bien à l'échelle macroscopique (pastille du matériau métallisée) qu'à un niveau local de grains et joints de grains individuels ; avec un soin particulier à la qualité des mesures (conditions, reproductibilité…etc). Les résultats de ce panel élargi de caractérisations sont analysés et confrontés aux modèles existants dans la littérature afin d'améliorer ou de proposer un nouveau modèle qui décrit le plus complètement possible ce type de matériaux. Les caractérisations électriques du CCTO (CaCu3Ti4O12) ont montré des propriétés différentes de celles des matériaux diélectriques classiques, notamment la non-symétrie et la « faible résistivité » qui mènent à reconsidérer la nature diélectrique de ce type de matériaux. Une caractérisation capacité-tension (C-V) utilisée habituellement pour caractériser les matériaux semiconducteurs a révélé une structure de type Métal/Isolant/Semi-conducteur au contact matériau/électrodes. Une telle structure arrive à corréler les différents comportements électriques du matériau et à expliquer l'origine de la permittivité colossale apparente observée dans ces matériaux. |
In recent years, ceramic materials presenting a colossal relative permittivité were discovered. The first research works showed that a strong correlation exists between the electric properties and the structure of these materials. So, several types of electric characterizations were undertaken. Impedance spectroscopy measurement is, by far; the most used one; it allowed from a modelling by electrical equivalent circuits to advance some hypotheses on an interfacial polarization. Until now, these interpretations are subject to discussion and no model considers in account all the known properties of these materials ; particularly, a directional response (non-symmetrical) in regard of the applied electrical field. The stake in this work is to know if there is a relation between all the characteristics of these materials and to understand the underlying physical mechanisms responsible of the observed colossal permittivity.
Previous works showed the importance of interfaces effects on these colossal permittivity materials, even they are associated to their contacts with the metallical electrodes, or to an electrical inhomogeneity of their microstrure composed of grains and grain bondaries. To understand which interfaces control the behavior of these materials, and specially their non-symmetrical response, a panel of electrical characterizations were made; as well in the macroscopic scale (pellet of the metallized material) as at a local level of individual grains and grain bondaries ; with a particular care in the quality of the measurements (conditions, reproducibility …etc.). Results of this widened panel of characterizations are analyzed and confronted to the existing models in order to improve or to propose a new model which describes most completely possible this type of materials. The electrical characterizations of the CaCu3Ti4O12 (CCTO) showed properties different from those of classical dielectric materials, in particular the non-symmetry and a "low resistivity" which lead to reconsider the dielectrical nature of this type of materials. A capacitance-voltage (CV) characterization, usually used to evaluate semiconductor materials revealed a Métal-Isolant-Semiconducteur structure on material-electrodes contacts. Such a structure manages to correlate the various electric behavior of this material and to explain the origin of the apparent colossal permittivity. |