Caractérisation diélectrique non linéaire : application aux cristaux liquides ferroélectriques

par Jean-Marc Leblond

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Christian Legrand et de Redouane Douali.

Soutenue en 2006

à Littoral .


  • Résumé

    Ce travail concerne les aspects théoriques et expérimentaux de la caractérisation diélectrique non linéaire et son application aux cristaux liquides ferroélectriques. Il s'agit d'une nouvelle technique de caractérisation développée au laboratoire. La notion de permittivité complexe établie en régime linéaire est étendue aux champs élevés où la réponse du matériau devient non linéaire. Dans ce cas, le courant et le déplacement électrique induits par un champ électrique sinusoïdal présentent des fréquences harmoniques. Les permittivités complexes non linéaires ε*(n,m) traduisent la contribution de la puissance m du champ électrique à l'harmonique D*(n) du déplacement. La caractérisation diélectrique non linéaire doit apporter des informations supplémentaires et, ainsi, permettre la détermination de paramètres physiques du matériau étudié. Sa mise en oeuvre a nécessité le développement de deux bancs de mesure basés sur l'analyse spectrale du courant. Le premier dispositif, limité à des fréquences de mesure jusque quelques kHz, s'appuie sur un convertisseur courant-tension et une carte d'acquisition. L'analyse spectrale du courant échantillonné est effectuée par traitement numérique. Le second dispositif est analogique. Son principe de fonctionnement original est une extension en régime non linéaire de l'utilisation d'un pont auto-équilibré. Ce dispositif présente l'avantage de couvrir une plus large gamme de fréquences (jusque quelques 100 kHz). Les cristaux liquides ferroélectriques sont des matériaux intéressants pour l'application de cette méthode : des modèles théoriques des phases SmA et SmC* sont disponibles et les phénomènes non linéaires doivent apparaître pour des champs électriques relativement faibles. Les résultats expérimentaux obtenus dans la phase SmC* et dans la phase SmA de type de Vries montrent un accord satisfaisant avec les prédictions théoriques. En phase SmC*, l'exploitation des spectres diélectriques permet d'accéder à des paramètres physiques du matériau : polarisation spontanée, viscosité rotationnelle et terme élastique. En phase [Dollar]SmA[Dollar], les permittivités statiques associées à des mesures sur l'effet électroclinique donnent accès aux paramètres du modèle de Landau de la transition de phases SmA-SmC*.

  • Titre traduit

    Non linear dielectric characterization : application to ferroelectric liquid crystals


  • Résumé

    This work concerns theoretical and experimental aspects of nonlinear dielectric characterization and its application to ferroelectric liquid crystals. This is a new technics developped in our laboratory. The classical complex permittivity defined in the linear regim is extended to high electric fields where the material response becomes non linear. In such conditions, the current and the electric displacement induced under a sinusoidal electric field shows harmonic frequencies. Non linear complex permittivities ε*(n,m) traduce the electric field mth power contribution to displacement D*(n) harmonic. Non linear dielectric characterization gives more informations on the material behaviour and then should allow physical parameters determination. The development of two measurement set-up based on current spectral analysis was necessary. The first one, limited to measurements up to several kHz, uses a current-voltage converter and a sampling device. The current spectral analysis is performed with a numerical treatment. The second set-up is original and based on an extension to non linear regim of the use of an analogue auto-balanced bridge. This set-up presents the advantage to cover a larger frequency range (up to several 100 kHz). Ferroelectric liquid crystals are interesting materials to apply this technics : theoretical models of the SmA and SmC* phases exist and non linear behaviour should appear at relatively low electric fields. Experimental results obtained in both SmC* and SmA de Vries phases show good agreement with the theoretical predictions. In the SmC* phase, dielectric spectra analysis allows material physical parameters determination : spontaneous polarization, rotational viscosity, elastic term. In the SmA phase, static permittivities and electro-optical measurements give Landau theory parameters of the SmA-SmC* phases transition.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (170 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitre

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  • Bibliothèque : Université du Littoral-Côte d'Opale (Calais, Pas-de-Calais). Bibliothèque. Section Sciences.
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