UDSMM-STAGE-M2_MOFA26

Matériaux ferroélectriques sans plomb pour le développement de condensateurs à haute  capacité de stockage de l’énergie électrique 

Mots-clés : Oxydes, films, sol-gel, caractérisation, DRX, MEB, AFM, diélectrique, ferroélectrique,  stockage de l’énergie électrique 

Le présent sujet de stage sera encadré par Didier Fasquelle (Pr) et Amina Tachafine (MCF) de l’équipe Matériaux Oxydes Fonctionnels et Applications (MOFA) du Laboratoire UDSMM.

Le stockage de l’énergie électrique est actuellement un thème central dans notre société en raison de  l’augmentation de plus en plus croissante de la demande en énergie. En effet, les techniques de  production alternatives, issues de l’énergie solaire et éolienne, imposent de pouvoir stocker l’électricité  durant les phases de forte production, afin de pouvoir la restituer dans les phases de forte demande consommation. 

A l’opposé des batteries actuelles, qui posent des problèmes de recyclage et de durabilité, les  condensateurs diélectriques sont plus durables, rapides à charger et décharger, et offrent une bien  meilleure densité de puissance (figure 1). Ce type de condensateur pourrait donc suppléer les batteries  d’un véhicule électrique ou hybride dans les phases de forte consommation de courant, donc dans les  phases d’accélération du véhicule. L’association d’une batterie de condensateurs électrostatiques, en  parallèle sur le pack de batteries, permettrait ainsi de « soulager » les batteries, allongeant de fait leur  autonomie et leur durée de vie. 

L’objectif de ce travail est de développer des matériaux ferroélectriques sans plomb, pour se conformer  à la directive européenne RoHS, sous forme de céramiques et films minces, pour le développement de condensateurs à haute capacité de stockage d’énergie. Ces matériaux devront avoir une permittivité  diélectrique élevée, une bonne stabilité en fréquence et en température, de faibles pertes diélectriques,  une polarisation maximale élevée, et une faible polarisation rémanente pour optimiser l’efficacité de stockage énergétique (figure 2). 

A ce titre, les films minces dérivés du matériau ferroélectrique BaTiO3 présentent un grand intérêt, et  leur capacité de stockage énergétique peut être améliorée par l’introduction dans ce matériau, de  dopants adéquats. En particulier, les terres rares trivalentes, qui peuvent réduire les lacunes d’oxygène  dans le matériau, et améliorer de ce fait ses propriétés diélectriques et ferroélectriques [1-2]. 

Nous avons démontré récemment au cours de travaux effectués en 2025 au laboratoire, sur l’étude de  films minces de BaTiO3 dopés à l’yttrium selon deux procédés de substitution, que l’ajout d’yttrium dans  le matériau à la fois au niveau des sites A et des sites B, permettait d’augmenter la permittivité  diélectrique du matériau et de réduire ses pertes diélectriques. De plus, ces paramètres sont bien  stables sur l’ensemble de la gamme de fréquences de mesures : du continu jusque 1 MHz [3]. 

Nous proposons alors dans le cadre de ce travail, de réaliser une étude multi-échelle (macroscopique,  microscopique et nanoscopique) des propriétés physico-chimiques de poudres, céramiques et films  minces dérivés du matériau BaTiO3 et substitués par des terres rares trivalentes. Cette étude se fera  en 2 parties : 

1-Optimisation des oxydes BaTiO3 dopés à l’yttrium en monosubstitution (BaTi1-xY4x/3O3) et en double  substitution (Ba(1-x)YxTi(1-x/4)O3), via l’optimisation des paramètres de cristallisation, et sur la base des  caractérisations physico-chimiques et électriques effectuées au laboratoire sur ce matériau en 2025. 2- Etude des oxydes BaTiO3 dopés au cérium en monosubstitution (BaTi1-xCe4x/3O3) et en double  substitution (Ba(1-x)CexTi(1-x/4)O3). Le choix du cérium s’appuie sur des travaux antérieurs effectués au  laboratoire sur ce matériau sous forme céramique [4]. 

La synthèse des poudres et films se fera par voie sol-gel, et sera accompagnée de caractérisations  structurales (DRX et MEB). Les propriétés de surface à l’échelle locale, telles que la morphologie des  films et leur rugosité, seront étudiées par microscopie à force atomique (AFM). L’étude des propriétés  électriques macroscopiques des oxydes se fera via des mesures diélectriques dans une large gamme  de fréquences, typiquement du continu jusque 1 MHz. 

Ces caractérisations permettront d’étudier l’effet du dopant, de la composition en terres rares sur les  propriétés électriques de ces matériaux. Enfin, les caractérisations ferroélectriques macroscopiques  permettront via le tracé des cycles d’hystérésis, de calculer les densités d’énergie électrique stockées  par les films synthétisés. Ces différentes caractérisations permettront d’optimiser les oxydes élaborés,  pour le développement de condensateurs capables de stocker des densités d’énergie électrique élevée,  et qui soient respectueux de l’environnement. 

Références

[1] Y.-S. Jung, et al. Mater. Res. Bull. 37 (2002) 1633–1640.
[2] J. Itoh, et al. Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) 3798.
[3] A. Tachafine, et al. Journées scientifiques du CPER Manifest, 5 et 6 février 2026, Le Touquet.
[4] Z. Gargar et al. Proceedings ISyDMA’6 (p.213). Springer Nature. (2022).