Un des challenges de l'industrie de la microélectronique est le développement de nouveaux composants fonctionnels et viables. Cette viabilité passe par la maîtrise des propriétés des matériaux mais aussi des ressources et des coûts de production. Les condensateurs sont un des composants qui illustrent cette pluridisciplinarité et le développement de condensateurs céramiques à permittivités dites colossales et indépendantes de la température ouvre une nouvelle ère. Cependant, les facteurs socio-économiques, comme la rareté des matières premières, imposent le développement de nouveaux matériaux.
Dans ce contexte, la synthèse de nanoparticules de Ba1-xSrxTiO3 (0 ≤ x ≤ 1) par chimie « douce », a été étudiée. Deux sources de titane (TiOCl2 et TiCl3) ont été utilisées et les études structurales et microstructurales ont été réalisées sur les différents oxydes obtenus.
Les céramiques nanostructurées densifiées ont été élaborées par frittage SPS, technique permettant de limiter la croissance granulaire. Pour obtenir un comportement capacitif, ces différentes céramiques ont subi un traitement thermique en atmosphère oxydante et les propriétés électriques, fonction de la composition et du précurseur, sont comprises entre 103 et 8.105 pour les permittivités, associées à des pertes inférieures à 5%. Les mesures en spectroscopie d'impédance en fonction de la température nous ont permis d'appliquer certains modèles physiques comme, Debye, UDR, THP et IBLC à nos systèmes, afin de relier les propriétés électriques à la composition. Nous avons pu montrer qu'il existe une relation entre le pouvoir capacitif et le taux de strontium. Une diminution de la polarisation par sauts d'électrons a été associée à une dégradation de la polarisation interfaciale entre les grains et les joints de grains lorsque la teneur en strontium augmente. Cela conduit également à un changement de mécanisme de conduction par sauts d'électrons. Nous avons pu montrer que les distances de ces sauts, fixes et confinées entre plus proches voisins (modèle NNH) pour les céramiques riches en strontium, sont délocalisées et s'étendent sur des distances de 3 à 4 nm (modèle VRH), pour les céramiques riches en baryum. La substitution du baryum par le strontium s'avère donc être un levier expérimental efficace dans le contrôle des propriétés électriques de matériaux à permittivité colossale. |
One of the challenges of the microelectronics industry is the development of new functional and sustainable components. The sustainability requires the control of the materials properties, resources and costs production. Capacitors are one of the components that illustrate this multidisciplinary approach and the development of temperature independent ceramic capacitors with so-called colossal permittivity opens a new area. However, socioeconomic factors such as the scarcity of raw materials require the development of new materials.
In this context, the synthesis of Ba1-xSrxTiO3 (0 ≤ x ≤ 1) nanoparticles by soft-chemistry has been studied. Two titanium precursors (TiOCl2 and TiCl3) have been used and the structural and microstructural studies were conducted on the oxides.
The nanostructured ceramics have been elaborated by SPS in order to limit the grain growth. To access a capacitive behavior, these different ceramics have undergone a heat treatment in an oxidizing atmosphere and the electrical properties, depending on the composition and on the precursor, are between 10^3 and 8.10^5 for permittivities, associated with losses lower than 5%. The spectroscopic measurements as a function of temperature have allowed the use of various physical models, such as Debye, UDR, THP and IBLC, to link electrical properties and composition. We have shown that a relationship exists between the capacitive power and the strontium content. A decrease of the electron hopping polarization has been associated with the degradation of the interfaciale polarization between grains and grain boundaries when the strontium content increases. This also leads to a change of the electron hopping conduction mechanism. We have shown that the distances of these jumps, are fixed and confined between nearest neighbors (NNH model) for Sr-rich ceramics, while they are delocalized and extended over a distance of 3 to 4 nm (VRH model) for Ba-rich ceramics. Therefore, the Ba-Sr substitution is an effective experimental lever to control the electrical properties of colossal permittivity materials. |