Nouveau type de transducteur : les transducteurs polarisés périodiquement

diquement

L’intérêt de ce nouveau type de transducteur réside dans le fait qu’il nous permet de fabriquer des composants à ondes élastiques guidées fonctionnant naturellement à des fréquences plus élevées que les composants classiques, et présentant une ro- bustesse technologique supérieure à celle des dispositifs à peignes interdigités. Le principe d’un transducteur à polarisations alternées est schématisé sur la figure 2.12.

p _λac

V

substrat monocristallin ou stratifié

Fig.2.12 – Principe de fonctionnement d’un TPP

Une première approche de cette technique a été réalisée en 2004 par A. K. Sarin Kumar et al. dans une couche ferroélectrique de PZT épitaxié [63]. Cette étude avait pour but d’utiliser des films minces ferroélectriques déposés sur substrats métallisés ou conducteurs afin de remplacer le peigne interdigité par une distribution alternée de polarisation piézoélectrique. Dans ce cas, l’excitation et la détection d’ondes s’ef- fectuaient par l’intermédiaire de deux plans métalliques en regard. Le principe de ce transducteur à polarisations alternées est schématisé sur la figure 2.12. Comme nous pouvons le voir sur ce schéma, la relation entre la période spatiale p et fréquence de synchronisme f est donnée par :

f = v

p (2.2)

v étant la vitesse de phase du mode. Donc, si l’on compare la fréquence de syn-

remarque bien qu’il existe un facteur 2 pour une largeur de trait donné. En effet, dans un TPP, la longueur d’onde acoustique est égale à la période mécanique du dispositif, contrairement aux transducteurs à peignes interdigités où elle est égale à 2 fois la période mécanique pour une même largeur de trait. En conséquence, quelle que soit la période, la fréquence de synchronisme obtenue avec un transducteur à polarisation alternée est deux fois plus élevée que celle obtenue avec un transducteur classique pour une limite technologique donnée.

La technique de « piézo-réponse » par modification d’un microscope AFM/EFM a permis la réalisation de transducteurs à polarisations piézoélectriques distribuées. En effet, par réversibilité, le système est capable de détecter l’existence de propriétés piézoélectriques locales mais également d’induire un sens privilégié de polarisation piézoélectrique par l’application d’un champ électrique supérieur au champ coercitif du matériau. Le premier dispositif nanométrique a été fabriqué à partir d’une couche mince ferroélectrique synthétisée sur un matériau compatible avec son épitaxie. En l’occurrence, des films de Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 (PZT) de haute qualité, orientés selon l’axe c ont été déposés par pulvérisation cathodique magnétron sur un support mé- tallique de titanate de strontium dopé au niobium (Nb :SrTiO3). Ces matériaux ont été fabriqués par l’équipe de Jean-Marc Triscone à l’Université de Genève (DPMC). Afin de réaliser l’alternance des domaines, l’équipe du Pr. Triscone a eu recours au mode de piézo-réponse du microscope à force atomique (AFM), permettant d’une part de forcer localement la polarité ferroélectrique en imposant un champ électrique supérieur au champ coercitif du film par l’intermédiaire de la pointe de l’AFM et d’autre part de contrôler les résultats de cette opération.

Fig. 2.13 – Image AFM d’un transducteur à domaines alternés sur PZT épitaxié (fabrication

Uni-Ge, DPMC, équipe Triscone)

Pour fabriquer ces transducteurs, une tension égale à +/– 12 V est alternati- vement appliquée entre la pointe de l’AFM et le substrat conducteur pendant que

2.3. Intérêt des TPPs et comparaison avec les IDTs classiques 45

la pointe balaie lentement l’échantillon sur une surface de 20 µm x 20 µm. La pé- riode mécanique choisie pour ce transducteur était de 1,2 µm. Enfin, une électrode de 20 nm d’épaisseur de platine déposée par pulvérisation cathodique sur l’échan- tillon a permis la caractérisation électrique du dispositif. La figure 2.13 présente un transducteur à polarisation périodique écrit selon cette approche et imagé par piézo-réponse. Grâce à cette technique, un prototype de dispositif SAW appelé PIT (Piezoelectric Interdigital Transducer) a pu être réalisé comme on peut le voir sur les figures 2.14 (a) et (b).

(a) (b)

Fig.2.14 – Schéma de principe du dispositif SAW (a) : image d’un des premiers prototypes SAW réalisé (b) : la distance entre les deux transducteurs est d’environ 70 µm et la distance entre

deux domaines de polarisations différentes est de 0,6 µm, ce qui correspond à une longueur d’onde

acoustique de 1,2 µm [63]

La dernière étape a consisté à tester ce nouveau type de dispositif SAW à l’aide d’un analyseur de réseau et il s’est avéré que les résultats expérimentaux corres- pondaient aux simulations réalisées ultérieurement, c’est-à-dire l’excitation de deux modes autour de 1,5 MHz et 2 MHz comme on peut le voir sur les figures 2.15 (a) et (b).

(a) (b)

Fig._{2.15 – (a) Paramètre S11 mesurés expérimentalement sur deux PIT de différentes longueurs} d’onde ; (b) Admittance harmonique théorique calculée pour un PIT de 1,2 µm de longueur d’onde

Ce fut la première démonstration du fonctionnement d’un transducteur polarisé périodiquement. D’autres dispositifs avec une longueur d’onde inférieure à la pre- mière (en l’occurrence 0,8 µm) ont également été réalisés dans le but de valider la relation linéaire entre la période des domaines et la fréquence de synchronisme, hypothèse confirmée par les résultats expérimentaux. Un tel dispositif a permis de démontrer l’intérêt de ces transducteurs à domaines ferroélectriques alternés pour les applications RF. En effet, ils sont robustes (plus de problèmes de courts-circuits) et leur fréquence de synchronisme est deux fois plus élevée que celle des transducteurs à peignes interdigités pour une période mécanique similaire.

Mes travaux de thèse se sont inspirés de cette étude pour la réalisation de filtres et sources RF à base de SAW. Cependant, il existe deux grandes différences entre ces travaux et les miens : la première réside dans le fait que nous allons utiliser un substrat piézoélectrique massif plutôt qu’un film mince déposé par pulvérisation cathodique. Nous allons, par ailleurs, focaliser notre étude sur le niobate de lithium qui est un matériau très prisé pour les applications haute fréquence compte tenu des vitesses de propagation très élevées des ondes excitables à sa surface et de ses faibles pertes acoustiques et diélectriques avérées. Le tantalate de lithium étant un matériau également très utilisé pour les applications de filtrage haute fréquence, une étude théorique ainsi que les premiers dispositifs à base de domaines ferroélectriques dans le tantalate de lithium seront également présentés. L’autre différence impor- tante entre l’étude présentée précédemment et les travaux de cette thèse concerne la méthode d’inversion de domaines. En effet, afin de valider cette nouvelle méthode de réalisation de transducteur, nous voulions réaliser assez rapidement plusieurs trans- ducteurs de périodes différentes sur un même échantillon. Il était donc nécessaire de travailler sur des substrats de grande taille (de l’ordre de 3 pouces) ainsi que d’avoir la possibilité de réaliser plusieurs dispositifs en même temps. L’utilisation d’un microscope AFM pour le retournement des domaines n’était donc plus possible d’autant que nous voulons travailler sur des plaques épaisses peu propices à ce mode de retournement. Le laboratoire d’optique P. M. Duffieux de l’Université de Franche- Comté, possédant déjà un banc de polarisation par champ électrique opérationnel mis en place dans le cadre de la thèse d’Anthony Martinez et des travaux de Jérôme Hauden, et cette méthode étant en adéquation avec nos attentes, nous avons donc opté pour cette solution.

La dernière partie de ce chapitre sera donc consacrée au principe de l’inversion périodique de domaines ferroélectriques par l’application d’un champ électrique ainsi qu’à sa réalisation pratique.

2.4. Inversion de domaines ferroélectriques par champ électrique dans le niobate de lithium 47

2.4

Inversion de domaines ferroélectriques par champ élec-

trique dans le niobate de lithium

2.4.1 Introduction à l’inversion de domaines par champ électrique

Comme nous l’avons vu précédemment, la polarisation d’un domaine ferroélec- trique peut être inversée par l’application d’un champ électrique externe de direction opposée à celle de la polarisation spontanée. La valeur du champ électrique néces- saire pour créer une inversion de domaines significative est appelé champ coercitif

Ec (cf. paragraphe 2.1.2). À température ambiante, on rappelle que Ec ∼ 21 kV/mm pour le LiNbO3 et le LiTaO3 congruents [49].

L’observation du courant traversant le matériau au moment de l’application d’une impulsion électrique nous permet de caractériser l’inversion de la polarisation sponta- née. En effet, lors du retournement, un courant correspondant aux charges transférées pour compenser l’inversion est observable aux bornes d’un échantillon de LiNbO3. Cette quantité de charge est donnée par l’intégrale suivante :

Q =

Z

Ipoldt = 2PsA (2.3)

où Ipol (« pol » pour « poling » en anglais) est le courant d’inversion et A l’aire des domaines inversés. La forme du courant d’inversion est liée à la manière dont croissent les domaines. Le taux de nucléation des domaines, la taille et la forme des domaines ainsi que la probabilité d’inversion des domaines en fonction du champ électrique sont autant de critères importants à prendre en compte pour la caractérisation de l’inversion de la polarisation [50].