FERRO-ÉLECTRICITÉ

Les corps ferro-électriques sont une classe de diélectriques solides, dont l'étude s'est développée depuis 1945. L'intérêt de ces matériaux n'est pas seulement théorique ; leur très grande constante diélectrique, leurs propriétés non linéaires, tant électriques qu'optiques, sont exploitées dans de nombreuses applications (condensateurs, transducteurs, doubleurs de fréquences, etc.). Leurs propriétés générales se déduisent des propriétés électriques des atomes qui les constituent.

Dans certaines molécules plus ou moins dissymétriques, les barycentres des charges positives et des charges négatives ne coïncident pas ; il en résulte un moment électrique dipolaire, et ces molécules sont dites polaires. Lorsque ces corps ne sont pas soumis à un champ électrique, les moments élémentaires sont orientés de façon aléatoire et la polarisation macroscopique, somme vectorielle de tous les moments dipolaires élémentaires, est nulle.

L'action d'un champ électrique extérieur tend à orienter tous les moments élémentaires des corps dits para-électriques dans le même sens et à créer ainsi une polarisation induite. Mais dans quelques édifices cristallins, les moments élémentaires s'ordonnent spontanément dans des directions déterminées par la structure cristalline et il apparaît, même en l'absence d'un champ appliqué, une polarisation spontanée. De tels corps sont appelés ferro-électriques par analogie avec les corps ferromagnétiques, pour lesquels ce sont les moments magnétiques élémentaires qui produisent une polarisation magnétique spontanée.

Le sens de la polarisation électrique spontanée peut être inversé sous l'action d'un champ électrique convenablement choisi en direction, sens et grandeur ; cette polarisation disparaît au-dessus d'une certaine température dite température de transition.

De nombreux cristaux ioniques sont ferro-électriques : des phosphates et des arséniates, dont le plus typique et le plus étudié est le KDP (phosphate diacide de potassium) ; les titanates, niobates, tantalates, vanadates, parmi lesquels l'exemple classique est le titanate de baryum TiO₃Ba ; des sulfates (le GASH : sulfate hexahydraté d'aluminium et de guadinine), des aluns, des nitrates. Citons encore des composés comme les boracites, qui sont à la fois ferro-électriques et ferromagnétiques.

Propriétés structurales

Les cristaux ferro-électriques n'ont pas de centre de symétrie ; lorsqu'on élève leur température, le passage par la température de transition s'accompagne toujours d'une augmentation de symétrie ; si le matériau acquiert une structure centrosymétrique, il devient para-électrique.

Dans le cas du titanate de baryum (BaTiO₃), seule la phase cubique au-dessus de 120 ⁰C n'est pas ferro-électrique.

Un monocristal, dans lequel toutes les mailles cristallines sont polarisées dans le même sens, est appelé monodomaine. En fait, un tel cristal ne peut exister que dans des cas exceptionnels de croissance cristalline parfaite, sans défauts ponctuels ni dislocations. Le plus souvent, il se forme un cristal polydomaine et on appelle mur de domaine la région très étroite du cristal qui sépare deux domaines nettement différenciés : ces murs sont dits à 180⁰ entre deux régions polarisées « tête-bêche » et à 90⁰ entre deux régions polarisées à angle droit. Il est possible de visualiser ces domaines par des méthodes optiques et d'en faire ainsi l'étude.