Etude des effets électro-calorique et pyroélectrique dans les matériaux ferroélectriques et relaxeurs 
pour la récupération d’énergie et la réfrigération des composants électroniques

France - Maroc - Algeria - Tunisia

Les   partenariats Hubert Curien (PHC) Maghreb s'inscrivent dans le cadre de la politique de soutien aux échanges scientifiques et technologiques internationaux du ministère des Affaires étrangères et européennes et sont mis en œuvre avec le soutien du ministère de l'Education nationale, de l'Enseignement supérieur et de la Recherche.

Participantes:

Mimoun EL MARSSI (coordinarteur), Igor Lukyanchuk, Yaouvi Gagau 
Laboratoire de Physique de la Matière Condensée
Université : Université de Picardie Jules Verne
Amiens, France

KADRI AbderrahmaneZitouni Karima
Labo d'Etudes des Matériaux Optoélectroniques et
Polymères (LEMOP) : Université d'Oran Es-Sénia, Algeria

Youssef El Amraoui
Equipe de Physique Statistique et Modélisation des des Systèmes
Faculté des Sciences et Techniques, Errachidia, Maroc

Daoud Mezzane
Laboratoire de la Matière Condensée et Nanostructures (LMCN)
Faculté des Sciences et Techniques de Marrakech, Université Cadi Ayyad,
Marrakech, Maroc

Hamadi KHEMAKHEM
Laboratoire des Matériaux Ferroélectriques
Faculté des Sciences de Sfax, Tunisia.

L'idée principale du projet est l’étude de l’effet électro-calorique (EC) et pyroélectrique dans les ferroélectriques et relaxeurs tels que les systèmes (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-xPT) et (1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PZN-xPT) sous forme massive (céramiques et monocristaux) et couches minces dans le but d’obtenir les meilleurs coefficients pour la récupération d’énergie et les applications dans la réfrigération domestique et industrielle mais aussi pour refroidir des composants électroniques. L’effet électro-calorique (EC) traduit une variation de température induite par un champ électrique dans des conditions adiabatiques. En présence d’un échange thermique avec le milieu ambiant, cela définit la chaleur échangée en fonction du champ électrique (condition isotherme). Dans le cas des matériaux ferroélectriques, l’effet EC est étroitement lié à l’effet pyroélectrique. En effet, les effets pyroélectrique et électro-calorique peuvent être considérés comme des effets réciproques, à l’instar des effets piézoélectriques direct et inverse. L’effet EC peut être utilisé pour la réfrigération tandis que l’effet pyroélectrique peut servir pour des capteurs de température/chaleur ou de la récupération d’énergie. Les matériaux électrocaloriques ont fait l’objet de nombreuses publications dans les années 60 et 70, mais n’ont pas présenté de propriétés suffisamment intéressantes pour être commercialisés [1]. Récemment, de nouvelles compositions ont été étudiées, avec une activité électro-caloriques très élevée, citons les composés PbSc0.5Ta0.5O3 [2] et la solution solide PMN-xPT [2-3]. L’intérêt de ces matériaux réside dans une activité électro-calorique élevée au voisinage de la température ambiante, avec une faible saturation. Si on peut augmenter le champ électrique, la variation de température contrôlée par le champ pourrait atteindre la dizaine de °C. En pratique, la limite se situe vers 3-5kV/mm pour un matériau massif. Des études réalisées sur des couches minces – permettant des champs de l’ordre de 50-100kV/mm – ont permis de prévoir une température contrôlée de 12°C pour 25V appliqués [3]. Un fort coefficient pyroélectrique a aussi été montré [4]. L’origine de l’effet électro-calorique n’est pas bien connue. En effet, une étude a montré que cet effet existe seulement au dessus de la transition de phase ferroélectrique (Tc) [5] alors qu’une autre étude a montré qu’il existe en dessous de Tc [6]. Jona et shirane [7] ont montré que l’effet EC existe en dessous et au dessus de Tc mais il est plus important pour T>Tc. Des études effectuées au LPMC sur un monocristal de PMN-35PT [8,9] sous champ électrique ont montré une augmentation de la permittivité diélectrique pour atteindre un maximum pour un champ critique. Ce résultat est très encourageant pour espérer obtenir une très forte activité électro-calorique dans les systèmes PMN-PT mais aussi dans les composés PZN-PT qui possèdent les propriétés physique similaires. Une étude particulière sera consacrée aux couches minces déposées par ablation laser à Amiens et par sol-gel à Marrakech Une étude sur des couches massifs sera réalisé à Sfax-Tunisie parce qu’on peut appliquer des champs suffisamment important pour mieux étudier l’effet EC
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[1] R. Radebaugh, W. N. Lawless, J. D. Siegwarth, A. J. Morrow, Cryogenics, 1979, April 1979, pp. 187-208.
[2] L. A. Shebanov, E. H. Birks, K. J. Borman, and A. R. Sternberg, Ferroelectrics 94, 305 (1989).
[3] A. S. Mischenko, Q. Zhang, J. F. Scott, R. W. Whatmore, N. D. Mathur, Science, 2006, 311(5765), pp. 1270-1271.
[4] M. Davis, D. Damjanovic, and N. Setter, J. Appl. Phys., 2004, 96, pp. 2811-2815
[5] E. Fatuzzo, W. J. Merz, Ferroelectricity (North-Holland, Amestrdam, 1967)
[6] T. Mitsui, I. Tatsuzaki, E. Nakamura, Introduction to the Physics of ferroelectricity (Gordon abnd Breach, London, 1967)
[7] F. Jona and G. shirane Ferroelectric Crystals (McMillan, NY, 1962)
[8] I. P. Raevski, S. A. Prosandeev, A. S. Emelyanov, S. I. Raevskaya, Eugene V. Colla, D. Viehland, W. Kleemann, S. B.
Vakhrushev, J-L. Dellis, M. El Marssi, and L. Jastrabik
Phys. Rev. B 72, 184104 (2005)
[9] S. A. Prosandeev, I. P. Raevski, A. S. Emelyanov, Eugene V. Colla, J-L. Dellis, M. El Marssi, S. E. Kapphan, and L. Jastrabik
J. Appl. Phys. 98, 014103 (2005)