Matériaux Ferroélectriques sans plomb pour le développement de condensateurs à haute capacité de stockage de l’énergie électrique

Le présent sujet de stage est proposé par deux équipes :

1-L'équipe Matériaux Oxydes Fonctionnels et Applications (MOFA) du Laboratoire UDSMM de l'Université du Littoral-Côte d'Opale à Calais.

2-L’équipe Couches Minces & Nanomatériaux (CMNM) de l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS) de l’université d’Artois à Lens.

L’Unité de Dynamique et de Structure des Matériaux Moléculaires (UDSMM) est une unité de recherche de l’Université du Littoral Côte d’Opale (ULCO). Elle regroupe des électroniciens et des physiciens. Son champ scientifique concerne l’étude et le développement de matériaux fonctionnels dédiés en particulier aux applications liées à l’énergie.

La thématique principale de l'équipe MOFA concerne l’étude et l’élaboration d’oxydes dont les propriétés électriques ou électrochimiques permettent d’envisager des applications. Ces oxydes sans plomb sont déposés sous forme de céramiques ou de couches minces (<1 µm) et épaisses (quelques micromètres à 100 µm). Les études fondamentales concernent les propriétés microstructurales, électriques (diélectriques, pyroélectriques, piézoélectriques, ferroélectriques) et électrochimiques (interactions gaz/matériau/propriétés électriques) d’un oxyde seul ou d’un assemblage multicouches. 

L’unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS) est une unité de recherche de l’université d’Artois. Elle regroupe des chimistes du solide et des physiciens. Son champ scientifique concerne l’Énergie et le Développement Durable. 

Les travaux de recherche de l'équipe CMNM portent sur la synthèse, la caractérisation avancée et la modélisation de couches minces d’oxydes multi-fonctionnels et des systèmes à base de nanoparticules, pour des applications aux nanodispositifs, essentiellement électroniques et optiques.

Le stockage de l’énergie électrique est actuellement un thème central dans notre société en raison de l'augmentation de plus en plus croissante de la demande en énergie. En effet, l'épuisement des combustibles fossiles exige la recherche de ressources énergétiques durables et renouvelables et à ce titre, le stockage de l’énergie électrique est une problématique clé.

Les systèmes intégrés, comme les capteurs et l'électronique portable, se développent dans divers domaines, mais nécessitent une autonomie énergétique. Tandis que les batteries actuelles posent des problèmes de recyclage et de pollution, les condensateurs diélectriques, qui stockent l’énergie via des charges électriques, sont plus durables, rapides à charger et décharger, moins lourds, et offrent une bien meilleure densité énergétique. Dans ce cadre, de nombreux travaux ont porté sur les céramiques et films ferroélectriques de composition PbZrTiO₃ (PZT), largement utilisés pour diverses applications, grâce à leur efficacité optimisée par des dopants et procédés de fabrication avancés. Néanmoins, le plomb présent dans le PZT pose des problèmes sanitaires et environnementaux, conduisant à la recherche de matériaux sans plomb aux performances comparables, pour se conformer à la directive européenne RoHS.

L’objectif de ce travail est de développer des matériaux ferroélectriques sans plomb, sous forme de films minces, ayant des performances comparables au matériau PZT, pour le développement de condensateurs à haute capacité de stockage d'énergie. Ces matériaux devront avoir une permittivité diélectrique élevée, stable en fréquence et en température, de faibles pertes diélectriques, une polarisation maximale élevée, et une faible polarisation rémanente pour optimiser l'efficacité du stockage énergétique.

A ce titre, les films minces dérivés du matériau ferroélectrique BaTiO₃ présentent un grand intérêt, et leur capacité de stockage énergétique peut être améliorée par l’introduction dans ce matériau, de dopants adéquats.

Nous proposons alors dans le cadre de ce travail, de réaliser une étude multi-échelle (macroscopique, microscopique et nanoscopique) des propriétés physico-chimiques de films minces dérivés du matériau BaTiO₃ et substitués par des terres rares. Cette étude se fera en 3 parties :

1-Synthèse des films minces par voie sol-gel, et étude de leurs propriétés structurales par diffraction des rayons X (DRX) pour l’étude de la structure et par microscopie électronique à balayage (SEM) pour l’étude de la microstructure. Les propriétés de surface à l’échelle locale, telles que la morphologie des films et leur rugosité, seront étudiées par microscopie à force atomique (AFM). Le mode piézoélectrique de l’AFM (mode PFM) permettra de cartographier l’architecture des domaines ferroélectriques à l’échelle nanoscopique.

2- Etude des propriétés électriques macroscopiques des films minces par des mesures diélectriques dans une large gamme de fréquences, typiquement du continu jusque 10 MHz. Ces caractérisations permettront d’étudier l’effet du dopant, de la composition en terres rares et de l’épaisseur des films sur les propriétés diélectriques de ces matériaux.

3-Caractérisations ferroélectriques macroscopiques par des mesures de cycles d’hystérésis, qui permettront de calculer les densités d’énergie électrique stockées par les films synthétisés. La capacité de stockage de l’énergie électrique à l’échelle nanoscopique, sera déterminée à partir de l’enregistrement de piézocycles en phase (AFM/PFM).

Ces différentes caractérisations permettront d’optimiser les films élaborés, pour le développement de condensateurs capables de stocker des densités d’énergie électrique élevée, et qui soient respectueux de l’environnement.

Master 2 Recherche, en Sciences des Matériaux ou en Chimie