Caractérisation et applications hyperfréquences de matériaux ferroélectriques en couches minces PDF Download
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Author: Hussein Kassem
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Languages : fr
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Author: Hussein Kassem
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Author: Mossaab Ouaddari
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Pages : 266
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Author: Arnaud Le Febvrier
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Pages : 229
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Ces travaux de thèse avaient pour but de proposer et d’étudier des hétérostructures multicouches originales, associant un matériau ferroélectrique et un diélectrique à faibles pertes, en vue de les intégrer dans des dispositifs hyperfréquences. Ces dispositifs électroniques nécessitent des matériaux avec une agilité élevée en tension accompagnée de pertes diélectriques faibles. L'étude s'est focalisée sur le matériau ferroélectrique KTa1-xNbxO3 (KTN) qui a récemment montré de fortes potentialités dans des dispositifs agiles et le matériau diélectrique relaxeur Bi1,5-xZn0,9-yNb1,5O7-d (BZN). Ces deux matériaux ont tout d'abord été étudiés séparément (caractérisations structurales, microstructurales et physiques). Les propriétés diélectriques ont été mesurées à basses fréquences (100 kHz) et à hautes fréquences (1 à 67 GHz) sur des films de KTN non-dopés et dopés par MgO. Une étude poussée du matériau BZN a montré une forte dépendance des propriétés optiques et diélectriques avec la microstructure des films. Finalement, l'association des deux matériaux, proposée pour la première fois, a été développée par deux méthodes de dépôt (PLD et CSD). Les mesures diélectriques des multicouches BZN/KTN/substrat ont montré une forte réduction des pertes diélectriques de 76% à basses fréquences et de 21% à hautes fréquences. Ces multicouches présentent une accordabilité d'environ 3% sous 22 kV/cm, supérieure à ce qui a pu être mesuré sur des couches minces ou multicouches à base d'autres matériaux ferroélectriques à champ électrique équivalent.
Author: Christophe Huber
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Les matériaux ferroélectriques non-linéaires à faibles pertes diélectriques présentent une permittivité ajustable sous champ électrique qui les destine à des applications de composants agiles hyperfréquences pour la microélectronique et les télécommunications (condensateurs et résonateurs accordables, déphaseurs,..). Les performances requises - pertes diélectriques faibles, permittivité modérée, accordabilité maximale, stabilité thermique jusqu'aux hyperfréquences - imposent d'améliorer le matériaux de base Ba0.6Sr0.4TiO3 (BTS). Les céramiques élaborées à partir de BST et d'une phase à faibles pertes non-ferroélectrique telle MgO, MgTiO3, mais aussi les compositions indédites avec SnO2 et BaSnO3, sont caractérisées par des analyses physico-chimiques et électriques. Afin de réduire de manière significative les partes diélectriques, de nouveaux composites à architecture contrôlée (coeur/écorce notamment BST@SiO2) sont développés par des procédés innovants de synthèse en chimie douce. Les essais de faisabilité et leurs propriétés électriques inédites ouvrent la voie à de nombreuses possibilités de maîtrise de l'agencement des phases dans les matériaux composites ferroélectriques.
Author: Marie Bousquet
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Pages : 319
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Ce travail est consacré à l'élaboration par ablation laser et à la caractérisation de couches minces épitaxiées du matériau ferroélectrique sans plomb Na0,5Bi0,5TiO3 (NBT). Dans un premier temps, nous avons déterminé les conditions de synthèse de couches minces monophasées de NBT, étape délicate où un contrôle rigoureux de la composition chimique est nécessaire afin d'éviter l'apparition de phases secondaires (pyrochlore, phases d'Aurivillius...). Les premières mesures électriques macroscopiques et à l'échelle locale ont permis d'attester du comportement ferroélectrique des films préparés, validant ainsi nos conditions de synthèse. Dans un second temps, la recherche systématique d'une croissance épitaxiale a été visée. Pour atteindre cet objectif, divers substrats monocristallins (Al2O3, MgO...) ont été utilisés, dans une logique de compatibilité avec des applications futures dans le domaine de l'optique et des hyperfréquences. En particulier, les propriétés physiques (optiques et hyperfréquences) d'une couche mince de NBT épitaxiée sur MgO ont été déterminées. En outre, l'utilisation d'électrodes de platine présentant différentes orientations (i.e., (100), (110), et (111)) ont permis de moduler l'orientation de NBT et d'accéder partiellement à l'anisotropie des propriétés (principalement électriques) du matériau élaboré. En d'autres termes, cette étude a permis de mettre en exergue des relations orientation/microstructure/propriétés électriques locales et macroscopiques, particulièrement intéressantes pour ces films de NBT.
Author: Helmi Abdelkefi
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Languages : fr
Pages : 350
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Ce travail concerne dans une première partie la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux ferroélectriques de structure pérovskite (ABO3) dérivés du titanate de baryum (BaTiO3). Deux types de substitutions ont été étudiées, la première en site A (BaxSr1-x TiO3), la seconde en sites A et B (Ba1-xNaxTi1-xNbxO3). Les céramiques étudiées présentent en outre d’autres caractéristiques telles qu’un comportement de type relaxeur ferroélectrique et/ou pyro-électrique. L’ensemble des résultats décrits dans cette thèse constitue une contribution à l’étude des matériaux ferroélectriques classiques et/ou relaxeurs dérivés de BaTiO3. Ils ont montré la grande variété des paramètres sur lesquels il est possible d’agir afin d’optimiser les compositions en vue d’applications à l’électronique. En particulier la température Tm correspondant au maximum de la valeur de la constante diélectrique peut être ajustée au voisinage de 20°C. La deuxième partie de ce travail concerne l’étude des propriétés électriques en fonction de la température et de la fréquence de la solution solide BaxSr1-x TiO3 (BST) obtenue à partir des compositions BaTiO3et SrTiO3. Les transitions thermiques observées pour cette solution ont été déterminées par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Les mesures diélectriques sont en accord avec les mesures de DSC pour la détermination de la température de Curie Tc . L’ensemble des mesures montre que les céramiques BST présentent un comportement ferroélectrique classique et les anomalies diélectriques (pics) observées en fonction de la température caractérisent la transition de phase ferroélectrique-paraélectrique. L’évolution de la tangente de pertes tgδ en fonction de la température montre aussi un pic à la température Tc. Une étude similaire sur des couches minces déposées sur silicium par méthode sol-gel permet de comparer les propriétés ferroélectriques des films BST avec celles des céramiques.
Author: Arnaud-Gides Moussavou
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Languages : fr
Pages : 238
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Ces travaux de thèse portent sur l’application des matériaux ferroélectriques aux dispositifs hyperfréquences reconfigurables. Après une présentation du matériau KTN et un état de l’art des dispositifs agiles, le chapitre II présente l’étape de l’élaboration du matériau. Les films de KTN sont épitaxiés sur MgO, LaAlO3 et SrTiO3 / silicium alors qu’ils sont texturés sur saphir et platine / silicium. Les caractérisations diélectriques sont ensuite mises en relief. Le chapitre III est dédié à l’étude numérique de lignes de transmission et résonateurs à stub, en termes de pertes et d’agilité. Les mesures des dispositifs, présentées au chapitre IV, montrent une agilité supérieure à 20 % pour des résonateurs intégrant des couches de KTN sur saphir, associée à des pertes des films caractérisées par un tanδ supérieur à 0,1. Dans le chapitre V, la simulation électromagnétique d’une antenne BIE à cavité Fabry-Perot a démontré un dépointage de faisceau de 30° et une directivité maximale de 14,5 dB.
Author: Ling Yan Zhang
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Languages : fr
Pages : 147
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Le contexte de ce travail de recherche est lié à la forte augmentation du nombre de standards de communication et la nécessité de pouvoir utiliser l’un ou l’autre de ces standards à partir d’un seul et même front-end RF. Pour atteindre cet objectif il est nécessaire de mettre au point des fonctions agiles telles que les filtres, les déphaseurs,... De nombreux travaux ont montré la possibilité d’introduire une agilité au niveau des fonctions que ce soit par des semi-conducteurs, des MEMs ou des matériaux agiles. Nous nous intéressons aux matériaux ferroélectriques. Ces matériaux, et plus particulièrement le matériau BaxSr1-xTiO3 (BST), ont fait l’objet de nombreux travaux ces dernières années. Dans l’esprit de la recherche de nouveaux matériaux ferroélectriques, nous avons décidé de travailler sur la mise en oeuvre de fonctions agiles en hyperfréquence à base de couches minces ferroélectriques de KTa1-xNbxO3 (KTN) développées au sein du laboratoire USC de Rennes et susceptibles d’apporter une alternative au BST. Le point de blocage actuel reste le niveau trop élevé des pertes diélectriques liées à l’utilisation de ce matériau. Dans le cadre de cette thèse, nous avons travaillé sur l’amélioration des performances de dispositifs accordables à base de KTN. Pour cela, les solutions suivantes ont été testées dans le but d’optimiser le compromis agilité/pertes : Influence de la composition (KTa50Nb50O3, KTa65Nb35O3, ...) Dopage du film mince ferroélectrique Insertion d’une couche tampon de KNbO3 Localisation de la couche de KTN dans le dispositif Utilisation de la méthode de dépôt par voie chimique en solution afin d’améliorer la qualité des dépôts.
Author: Anthony Rousseau
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Languages : fr
Pages : 179
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L'objet de ce travail est le dépôt par ablation laser et la caractérisation de couches minces de matériaux ferroélectriques pour la réalisation de dispositifs agiles en hyperfréquences. Nous nous sommes intéressés à un matériau de type phase d'Aurivillius et à une solution solide de tantalo-niobate de potassium, pérovskite dans laquelle la température de Curie est contrôlée par la composition. Après l'optimisation des conditions de croissance épitaxiale des couches minces, des dispositifs hyperfréquences coplanaires en or ont été réalisés sur des films minces de différentes compositions, sur substrats variés. Des mesures effectuées sur ces dispositifs ont mis en évidence des effets d'agilité élevés étant donné le champ électrique modéré appliqué. Nous avons montré l'influence de la composition et du substrat sur le comportement des films en hyperfréquences.
Author: Simon Martin
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Languages : fr
Pages : 191
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Les matériaux ferroélectriques sont des matériaux qui possèdent une polarisation spontanée en l'absence de champ électrique, leur conférant plusieurs propriétés intéressantes du point de vue des applications possibles. La réduction de l'épaisseur des couches ferroélectriques vers des films minces et ultra-minces s'est avérée nécessaire notamment en vue de leur intégration dans les dispositifs de la micro et nano-électronique. Cependant, cette diminution a fait apparaître certains phénomènes indésirables au sein des couches minces tels que les courants de fuite. La caractérisation électrique de ces matériaux reste donc un défi afin de comprendre les mécanismes physiques en jeu dans ces films, d'autant qu'une information à l'échelle très locale est maintenant requise. Il est donc nécessaire de faire progresser les techniques de mesure électrique pour atteindre ces objectifs. Durant cette thèse, nous mesurons la polarisation diélectrique de l'échelle mésoscopique jusqu'à l'échelle nanométrique en utilisant des caractérisations purement électriques constituées de mesures Polarisation-Tension, Capacité-Tension et Courant-Tension mais aussi des mesures électromécaniques assurées par une technique dérivée de la microscopie à force atomique et nommée Piezoresponse Force Microscopy. Au cours de nos travaux, nous montrons la limite de certaines techniques de caractérisation classiques ainsi que les artéfacts affectant la mesure électrique ou électromécanique et pouvant mener à une mauvaise interprétation des résultats de mesure. Afin de pousser nos investigations plus loin, nous avons développé de nouvelles techniques de mesure pour s'affranchir de certains signaux parasites dont nous exposerons le principe de fonctionnement. Nous présentons les premières mesures directes de polarisation rémanente à l'échelle du nanomètre grâce à une technique que nous nommons nano-PUND. Ces techniques et méthodes sont appliquées à une variété importante de matériaux tels que Pb(Zr,Ti)O3, GaFeO3 ou BaTiO3 dont, pour certains, la ferroélectricité n'a jamais été démontrée expérimentalement sans ambiguïté.
