3.2 Optimisation de la permittivité
3.3.5.3 Effet des substitutions par le zirconium sur la masse volumique
Le Tableau 3.24 présente les résultats de masse volumique obtenus pour des frittages à 900 et 950 ˚C. Ces ferrites étant substitués par le bismuth et cuivre, leurs températures de densification devraient se situer autour de 950˚C.
900˚C 950˚C Compositions 𝜌 (g.cm-3) % densification 𝜌 (g.cm-3) %densification Zr0,2 5,35 95,3 5,38 96,1 Zr0,4 5,4 96,9 5,48 98,4 Zr0,6 5,28 95,1 5,42 97,7 Zr0,8 5,36 96,6 5,38 97,5
Tableau 3.24 – Masses volumiques des matériaux substitués zirconium à différentes tempé- ratures de frittage
Les mesures de densités montrent que, comme pour le chamottage, le zirconium ralentit légèrement la densification. Cette hypothèse avait déjà été avancée dans le paragraphe 3.2.3.2. Les pourcentages de densification à 950˚C sont légèrement plus faibles que pour un matériau substitué bismuth-cuivre seulement. Ces masses volumiques sont en particulier plus faibles pour le matériau à faible taux de zirconium (x = 0,2) : seulement 96,1 % de densification. Ce matériau a été synthétisé une seconde fois pour éliminer l’hypothèse d’un problème de synthèse. Ce problème apparaît toujours. C’est pourquoi, nous avons dans un second temps fritté ces matériaux à 975˚C (Tableau 3.25).
Encore une fois, le matériau Zr0,2 densifie moins bien que les 3 autres ferrites. La cause de
cette masse volumique moins élevée n’a pas encore été définie. Une solution pour améliorer les masses volumiques de ces composés serait l’utilisation de vanadium en substitution du fer ou l’ajout d’oxyde de vanadium après la calcination.
CHAPITRE 3. OPTIMISATION DU MATÉRIAU 975˚C Compositions 𝜌 (g.cm-3) % densification Zr0,2 5,43 97,0 Zr0,4 5,53 99,2 Zr0,6 5,34 96,2 Zr0,8 5,43 98,4
CHAPITRE 3. OPTIMISATION DU MATÉRIAU
Conclusion
Au cours de ce chapitre, différents points d’amélioration des matériaux ont été abordés avec comme but l’optimisation de la production de circulateurs hyperfréquence.
Dans un premier temps, le but était de diminuer la température de frittage afin de synthé- tiser un matériau compatible de la technologie LTCC. Grâce à la substitution du fer par le vanadium combinée au remplacement de l’yttrium par le bismuth-cuivre, il a été possible de diminuer la température de frittage aux alentours de 880 ˚C. Ces matériaux ont alors des propriétés de frittage compatibles LTCC.
Un autre aspect des matériaux à améliorer est la permittivité : l’augmentation de la per- mittivité permet une diminution des tailles des dispositifs. La miniaturisation est un enjeu permanent dans les télécommunications radar. La solution pour augmenter les permittivités de nos grenats est de substituer le YIG avec un ion de haute permittivité. C’est pourquoi l’utilisation de bismuth a permis d’apporter une solution à ce challenge. Différentes compo- sitions ont été obtenues avec une phase pure, en particulier grâce à l’utilisation de calcium pour stabiliser la maille lors de l’insertion de bismuth en site dodécaédrique.
Le dernier axe d’amélioration est le contrôle de l’aimantation à saturation : en fonction des fréquences de fonctionnement et du type de fonctionnement des dispositifs, il faudra adapter MS.
Deux études ont été menées :
– La diminution de l’aimantation à saturation :
Différentes substitutions dont les effets ont déjà été prouvés sont étudiées : les substitu- tions du fer par l’aluminium et/ou de l’yttrium par le gadolinium. Ces modifications de la structure sont connues pour leur influence sur la diminution de l’aimantation à satu- ration. En revanche, ces matériaux ne sont pas compatibles LTCC, notre but était donc d’obtenir des ferrites à faible aimantation à saturation et à basse température de frittage. Bien que les substitutions avec le gadolinium et l’aluminium perturbent la densification, il a été possible, grâce à l’utilisation du vanadium, d’obtenir des matériaux compatibles de la technologie LTCC.
– L’augmentation de l’aimantation à saturation :
L’utilisation de zirconium à la place des ions fer octaédriques permet, dans un premier temps, l’augmentation de l’aimantation à saturation. De plus, le zirconium entraîne une diminution des largeurs de raie de résonance gyromagnétique. En revanche, l’introduction du zirconium dans la maille perturbe la densification à basse température. Il sera donc indispensable de tester, dans la suite de l’étude, l’effet de l’utilisation de vanadium. Les propriétés diélectriques et magnétiques de tous les matériaux présentés dans le Chapitre 3 seront détaillées dans le chapitre suivant.
Chapitre 4
Caractérisations magnétiques et
diélectriques en hyperfréquences
Sommaire
4.1 Matériaux à basse température de frittage . . . 125 4.1.1 Mesure de l’aimantation à saturation . . . 125 4.1.2 Mesure des pertes magnétiques . . . 126 4.1.3 Caractérisations diélectriques . . . 132 4.1.3.1 Mesure de la permittivité entre 1 MHz et 1,8 GHz . . . . 132 4.1.3.2 Mesures de la permittivité en température . . . 136 4.1.3.3 Mesure de la permittivité à 9,2 GHz . . . 136 4.2 Matériaux à haute permittivité . . . 138 4.2.1 Mesure de l’aimantation à saturation . . . 138 4.2.2 Mesure des pertes magnétiques Δ𝐻 . . . 139 4.2.3 Caractérisations diélectriques . . . 142 4.2.3.1 Mesure de la permittivité entre 1 MHz et 1,8 GHz . . . . 142 4.2.3.2 Mesure de la permittivité à 9,2 GHz . . . 145 4.2.4 Mélange de matériaux pour adaptation de la permittivité . . . 146 4.3 Matériaux à aimantation contrôlée . . . 147 4.3.1 Effet des substitutions par le gadolinium . . . 148 4.3.1.1 Mesure de l’aimantation à saturation . . . 148 4.3.1.2 Mesure des pertes magnétiques . . . 150 4.3.1.3 Caractérisations diélectriques . . . 151 4.3.2 Effet des substitutions par l’aluminium . . . 152 4.3.3 Effets combinés de l’aluminium et du gadolinium . . . 153 4.3.3.1 Mesure de l’aimantation à saturation . . . 153
CHAPITRE 4. CARACTÉRISATIONS MAGNÉTIQUES ET DIÉLECTRIQUES EN HYPERFRÉQUENCES
4.3.3.2 Variation de l’aimantation à saturation en fonction de la température . . . 154 4.3.3.3 Caractérisations diélectriques en fonction du champ . . . 156 4.3.4 Effet des substitutions du fer par le zirconium . . . 159 4.3.4.1 Mesure de l’aimantation à saturation . . . 159 4.3.4.2 Caractérisations diélectriques . . . 161 4.3.4.3 Mesures des pertes magnétiques . . . 164 4.3.5 Mélange de matériaux pour ajustement de l’aimantation à saturation165
CHAPITRE 4. CARACTÉRISATIONS MAGNÉTIQUES ET DIÉLECTRIQUES EN HYPERFRÉQUENCES
Grâce aux différentes substitutions, nous avons pu mettre en évidence les effets de l’insertion de différents ions sur les propriétés physico-chimiques telles que la formation de la phase à basse température ou la masse volumique.
Pour chacune des adaptations désirées (diminution de la température de frittage ou de l’ai- mantation à saturation par exemple), les caractérisations magnétiques et diélectriques sont présentées dans ce chapitre.
4.1 Matériaux à basse température de frittage
4.1.1 Mesure de l’aimantation à saturation
La première caractérisation magnétique réalisée est la mesure de l’aimantation à saturation par la méthode du pendule magnétique. Les résultats de cette mesure sont présentés dans le Tableau 4.1.
Taux de 880˚C 900˚C 950˚C
vanadium MS (mT) 𝜎 (emu/g) MS (mT) 𝜎 (emu/g) MS (mT) 𝜎 (emu/g)
V0,05 171 24,2 171 24,2 175 24,8
V0,04 170 23,9 172 24,3 163 22,8
V0,03 175 24,7 174 24,5 170 23,7
V0,025 177 25,1 176 24,8 171 24,1
Tableau 4.1 – Aimantations à saturation des matériaux Y2,297Cu0,05Bi0,67Fe5O12 substitués
vanadium pour différentes températures de frittage.
Pour les différentes températures de frittage, l’aimantation à saturation semble diminuer lorsque le vanadium prend peu à peu la place du fer. Cette variation est la variation attendue : un ion Fe3+ magnétique est remplacé par un ion V5+ non magnétique en site tétraédrique
[GEL66].
Dans la littérature, la corrélation entre le taux de vanadium et l’aimantation à saturation était présentée. Comme mis en évidence sur la Figure 4-1, l’effet du vanadium est assez léger pour de faibles taux [ALO12]. C’est pourquoi les valeurs présentées dans le Tableau 4.1 varient peu en fonction du taux de vanadium. La vitesse de décroissance de MS augmente
lorsque le taux de vanadium augmente.
Une analyse de l’aimantation à saturation en fonction de la température pourrait elle aussi être intéressante : on trouve, toujours dans le même article, que l’utilisation de vanadium dans la maille mène tout d’abord à une augmentation puis à une diminution de la température de Curie.
CHAPITRE 4. CARACTÉRISATIONS MAGNÉTIQUES ET DIÉLECTRIQUES EN HYPERFRÉQUENCES
Figure 4-1 – Aimantation à saturation en fonction du taux de vanadium à deux températures Bien que variant, les aimantations à saturation des composés substitués bismuth, cuivre et vanadium restent adaptées à notre application. Le choix des matériaux pour les différentes applications sera présenté dans le Chapitre 5.