Modélisation multi-échelle et caractérisation de matériaux ferroélectriques

par Kangyi Xu

Projet de thèse en Génie électrique

Sous la direction de Laurent Daniel et de Romain Corcolle.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Génie électrique et électronique de Paris (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 07-11-2017 .


  • Résumé

    Les matériaux céramiques ferroélectriques sont largement utilisés comme composants diélectriques et semi-conducteurs, éléments de mémoire et capteurs piézoélectriques, actionneurs et transducteurs. Le couplage entre les propriétés électriques et mécaniques dans les ferroélectriques (notamment la déformation induite par champ électrique) offre de nombreuses opportunités pour la conception de capteurs et d'actionneurs innovants. L'industrie automobile et aéronautique étudie le remplacement de certains dispositifs mécatroniques existants par des dispositifs «intelligents» basés sur des ferroélectriques dans le but d'optimiser le poids et la taille. Afin de développer des outils de conception précis pour ces systèmes intelligents, des efforts considérables ont été dirigés vers des modèles qui décrivent le comportement ferroélectrique. Ils résultent en une large gamme d'approches de modélisation pour définir la réponse électromécanique d'un matériau ferroélectrique soumis à une charge électromécanique. Cependant, la description du comportement ferroélectrique de l'échelle cristalline (inférieure à nm) à l'échelle de l'appareil (environ cm ou dm) est impossible à manipuler dans les outils classiques de conception numérique tels que les modèles d'éléments finis. Cette proposition de thèse est axée sur la modélisation multi-échelle des matériaux ferroélectriques. Le travail est basé sur un outil de modélisation existant pour décrire le comportement constitutif des céramiques ferroélectriques combiné avec des approches d'homogénéisation semi-analytique pour définir les règles de transition d'échelle. Cet outil est jusqu'à présent limité à la description des matériaux monophasés, où la plupart des matériaux industriels sont en phase mixte. Un objectif principal du projet est d'introduire l'hétérogénéité de phase dans le modèle existant et d'introduire une description des mécanismes de transition de phase sous chargement externe. En effet, l'application d'une contrainte ou d'un champ électrique suffisant peut induire un changement dans les proportions relatives des phases existantes. Cette transition de phase peut être utilisée pour améliorer les performances du périphérique final. Les résultats de la modélisation seront comparés à des données expérimentales provenant de mesures de caractérisation macroscopique en laboratoire, mais aussi à des résultats de diffraction des rayons X obtenus dans les installations du Synchrotron. En effet, la diffraction des rayons X est un outil puissant pour observer les transitions de phase et la commutation de domaine dans les ferroélectriques. Il peut fournir une approche de validation très stricte pour évaluer la performance des approches multi-échelles. A cet effet, la prédiction des diagrammes de diffraction des rayons X obtenus sur des matériaux ferroélectriques soumis à un comportement électromécanique sera incluse dans la sortie de modélisation.

  • Titre traduit

    Multiscale modelling and characterisation of ferroelectric materials


  • Résumé

    Ferroelectric ceramic materials are used extensively as dielectric and semi-conducting components, memory elements, and piezoelectric sensors, actuators and transducers. The coupling between electric and mechanical properties in ferroelectrics (notably the electric field induced strain) brings many opportunities for the design of innovative sensors and actuators. Automobile and aeronautic industry are exploring the replacement of some existing mechatronic devices by some “smart” devices based on ferroelectrics with the perspective to optimise weight and size. In order to develop accurate design tools for these smart systems, considerable effort has been directed towards models that describe ferroelectric behaviour. They result in a wide range of modelling approaches to define the electromechanical response of a ferroelectric material submitted to an electromechanical loading. However, describing ferroelectric behaviour from the crystalline scale (smaller than nm) to the device scale (around cm or dm) is impossible to handle in classical numerical design tools such as Finite Element Models. This thesis proposal is focused on Multi-Scale Modelling of ferroelectric materials. The work is based on an existing modelling tool to describe the constitutive behaviour of ferroelectric ceramics combined with semi-analytical homogenization approaches to define the scale transition rules. This tool is so far limited to the description of single phase materials, where most industrial materials are mixed phase. A main objective of the project is to introduce phase heterogeneity in the existing model and to introduce a description of the mechanisms of phase transition under external loading. Indeed, the application of sufficient stress or electric field can induce a change in the relative proportions of existing phases. This phase transition can be used to enhance the performance of the final device. The modelling results will be compared to experimental data from lab macroscopic characterisation measurements but also from x-ray diffraction results obtained at Synchrotron facilities. Indeed, x-ray diffraction is a powerful tool to observe phase transitions and domain switching in ferroelectrics. It can provide a very strict validation approach to assess the performance of multiscale approaches. For that purpose, the prediction of x-ray diffraction patterns obtained on ferroelectric materials subjected to electro-mechanical behaviour will be included in the modelling output.