Trois solutions solides à base de BZT sous forme de céramiques, ont été étudiées. Leurs propriétés pyroélectrique et ferroélectrique ont été déterminées dans le but de caractériser leurs performances électrocaloriques. Deux approches différentes ont été effectuées pour le calcul de l'effet électrocalorique : l'enregistrement des cycles d'hystérésis P-E en fonction de la température et la mesure du courant pyroélectrique. Ces deux méthodes d'investigations aboutissent à des résultats équivalents.Nous avons mis en évidence le caractère ferroélectrique dans tous les composés étudiés et montré que les meilleurs coefficients électrocaloriques sont obtenus à la température de transition FE-PE et dépendent des taux substitution. La symétrie cristalline de toutes les compositions a été confirmée et une étude de résolution structurale a été menée sur deux compositions (x=0,05 et x=0,20) de la phase contenant du Ca2+. Par la méthode directe, un coefficient EC de l’ordre de 0,30 K.mm/kV sous un champ électrique appliqué de 8 kV/cm, a été obtenu pour 5BCZT. Par ailleurs, nous avons montré qu'une faible quantité d'insertion de Sn dans BZT entraine une diminution de la température de transition vers l'ambiante, tout en gardant la même réponse EC. Cependant, la combinaison des deux éléments (Sn et Ca) dans BZT entraine l'amélioration du coefficient EC, avec un étalement de la transition ce qui permet de maintenir une réponse EC importante, dans un intervalle étendu de température souhaitable pour les applications / Three solid solutions as ceramics based on BZT matrix, were investigated. Pyroelectric and ferroelectric properties were determined in order to characterize their electrocaloric performance. Two different approaches have been made to calculate the electrocaloric effect: recording P-E hysteresis loops as a function of temperature and measuring the pyroelectric current. These two investigative methods lead to equivalent results. We have highlighted the ferroelectric behavior in all the studied compounds and shown that the higher electrocaloric coefficients are obtained at the FE-PE phase transition temperature and depend on the substitution content. The crystalline symmetry of all compositions was confirmed and a structural resolution study was conducted for two compositions (x = 0.05 and x = 0.20) of Ca2+ containing compound. By the direct method, EC responsivity is of about 0.30 K.mm/kV under 8 kV/cm applied electric field obtained from 5BCZT. Furthermore, we showed that a small amount insertion of Sn in BZT causes a decrease of the transition temperature towards room temperature, with remaining constant the EC responsivity. However, the combination of the two elements (Sn and Ca) in BZT improved EC coefficient and the broadening of the transition which allows maintaining a significant EC response over a wide range of temperature, desirable for applications

Ce mémoire de thèse porte sur la caractérisation de l'effet électrocalorique des matériaux ferroélectriques solides et cristaux liquides. La découverte récente d'un effet électrocalorique qualifié de "géant" a relancé l'intérêt pour l'étude et la caractérisation des propriétés électrocaloriques des matériaux. Au-delà de la recherche des matériaux performants, ce domaine de recherche concerne également le développement des techniques de caractérisations appropriées et la réalisation des prototypes de réfrigération électrocalorique. Dans ce contexte, notre étude se focalise sur le développement de nouvelles techniques de caractérisation, la méthode photopyroélectrique (indirecte) et la calorimétrie (directe). La technique photopyroélectrique, développée au sein du laboratoire a été utilisée pour la détermination des propriétés thermiques du matériau pyroélectrique lui-même. L'exploitation de cette technique nous a permis également de déterminer les propriétés pyroélectriques du matériau, en particulier le rapport entre le coefficient pyroélectrique et la capacité calorifique, en fonction de la température et du champ électrique appliqué, nécessaire pour une évaluation indirecte de l'effet électrocalorique. Plusieurs matériaux ferroélectriques solides et liquides ont été étudiés à l'aide de cette méthode, en particulier, un monocristal de TriGlycine Sulfate et deux cristaux liquides. L'effet électrocalorique a été évalué autour de la température de transition de phase que présentent chacun de ces matériaux. Pour valider les résultats obtenus, nous avons procédé à des mesures indirectes de la polarisation par la méthode usuelle du courant de dépolarisation. Dans ce travail, nous avons également développé une technique de mesure indirecte de l'effet électrocalorique, par mesure calorimétrique, à l'aide d'un nouveau dispositif. Outre l'étude des transitions de phase et de la capacité calorifique, cet instrument permet une mesure directe de la température et de la quantité de chaleur absorbée ou cédée avec le milieu environnant. Une première étude de l'effet électrocalorique a été réalisée sur un matériau multicouche à base de titanate de baryum. Les résultats obtenus par cette approche ont été ensuite comparés à d'autres techniques directes et indirectes existantes dans la littérature. Ces deux nouvelles approches permettent d'élargir les possibilités d'étude de futurs matériaux électrocaloriques et de mesurer à la fois les propriétés thermiques et pyroélectriques nécessaires pour l'étude de l'effet électrocalorique. / This thesis work deals with the characterization of the electrocaloric effect in solid and liquid crystal ferroelectric materials. Following the 2006 discovery of Mischenko and al., the characterization techniques of the electrocaloric effect and the exploration of new caloric materials have attracted much attention. This discovery showed also that electrocaloric materials can be used for efficient innovative solution for refrigeration devices. This PhD dissertation focuses on the development of new techniques used to evaluate the electrocaloric effect by the photopyroelectric technique and by calorimetry. Few years ago, a new particular configuration based on the photopyroelectric technique, developed in our laboratory, was described for measuring thermal parameters of pyroelectric materials themselves. By means of this technique, we indirectly investigate the electrocaloric effect in ferroelectric materials by measuring the ratio of the pyroelectric coefficient to the volumetric heat capacity, as function of temperature and applied field, using Maxwell's relation. Measurements were carried out on ferroelectric solid materials (TriGlycine Sulfate) and liquid crystals. Electrocaloric effect has been evaluated around the phase transition temperature of each sample. To further validate the accuracy to the evaluated adiabatic temperature changes, we proceeded to indirect measurements by using the polarization reversal current technique. In the present work, we also developed a calorimeter in order to directly evaluate the electrocaloric effect. This technique is mainly used to measure with high resolution the heat capacity and enthalpy near phase transition temperature. In addition, this technique allows us to directly measure the temperature and the amount of heat absorbed or transferred from the material to the surrounding environment. A primary study of the electrocaloric effect was carried out on a multilayer material based on barium titanate. The results obtained by this approach have been then compared to conventional direct and indirect measurements. Those two new approaches give access to the measurement of both thermal and pyroelectric properties allowing the evaluation of the electrocaloric effect.

Les matériaux caloriques à l'état solide, qui subissent un changement de température adiabatique ou un changement d'entropie isothermal lorsque certains stimuli externes (champ électrique, champ magnétique, contrainte ou pression mécanique) est appliquée ou retirée, sont prometteurs pour la réfrigération à l'état solide, comme alternative aux dispositifs de refroidissement conventionnels inventé il y a cent ans qui utilisent des gaz dangereux. Compte tenu des améliorations des systèmes de réfrigération à compression de vapeur approchant très vite de leur limite d'efficacité théorique, en plus des préoccupations environnementales accrues, il y a eu récemment une recrudescence de la recherche mondiale pour de nouvelles solutions de réfrigération plus économiques et respectueuses de l'environnement. Les caloriques les plus importants sont les matériaux "ferroiquement" ordonnés (ferroélectriques, ferroélastiques et ferromagnétique / antiferromagnétique) qui présentent souvent des effets caloriques géants près de leurs transitions ferroïques. Dans cette thèse, nous présentons nos résultats théoriques et expérimentaux sur l'effet électrocalorique, élastocalorique, barocalorique et magnétocalorique dans différents matériaux ferroïques. Nos résultats montrent que tous ces effets caloriques peuvent donner des solutions de réfrigération prometteuses avec un faible impact environnemental. Nous abordons les ferroélectriques qui apparaissent comme matériaux idéaux permettant à la fois des réponses électrocaloriques, élastocaloriques et barocaloriques géantes près de la température ambiante. Pour la première fois, nous mettons en évidence un effet électrocalorique négatif dans des films minces antiferroélectriques et nous proposons un nouveau mécanisme pour comprendre la réponse calorique dans antiferroiques en général incluant antiferroélectrique et antiferromagentique. Par ailleurs, pour la première fois en utilisant une caméra infra-rouge, nous effectuons la mesure résolue spatialement sur l'effet électrocalorique dans des condensateurs multicouches, l'un des systèmes les plus étudiés considérés comme le prototype électrocalorique le plus prometteur. Nos résultats fournissent la première preuve expérimentale directe sur le flux de chaleur électrocalorique à la fois temporellement et spatialement dans un dispositif électrocalorique spécifique. En outre, pour la première fois, nous concevons un cycle de réfrigération multicalorique combinant effet électrocalorique avec des effets élastocaloriques / magnétocaloriques via des matériaux ferroélectriques. Nous avons réalisé ce cycle mutlicalorique pour résoudre un problème réel et de longue date, à savoir une grande hystérésis magnétique qui a empêché l'utilisation pourtant prometteuse de FeRh découvert il y a près de 26 ans en tant que matériau magnétocalorique. Nous espérons que cette thèse fournira non seulement des connaissances utiles pour comprendre fondamentalement l'effet calorique à l'état solide dans les matériaux ferroïques et ce qui est véritablement mesuré, mais pourra aussi servir de guide pratique pour exploiter et développer les ferrocalorics vers la conception de dispositifs appropriés. / Solid-state caloric materials, which undergo an adiabatic temperature change or isothermal entropy change when some external stimulus (electric field, magnetic field, stress and pressure) is applied or withdrawn, are promising for solid-state refrigeration, as an alternative to hazardous gases used in conventional cooling devices invented a hundred years ago. Given that the highly refined vapor-compression refrigeration systems asymptotically approach their theoretical efficiency limit in addition to the concern on environment, there has been a recent upsurge in worldwide search for new refrigeration solution which is economical and environmentally friendly. The most prominent calorics are ferroically ordered materials (ferroelectric, ferroelastic and ferromagnetic/antiferromagentic) that often exhibit giant caloric effects near their ferroic transitions. In this thesis, we present our theoretical and experimental results on electrocaloric effect, elastocaloric effect, barocaloric effect and magnetocaloric effect in different ferroic materials. Our findings show that all these caloric effects may appear promising with low environmental impact. We address ferroelectrics emerging as ideal materials which permit both giant elastocaloric, electrocaloric and barocaloric responses near room temperature. For the first time, we find a large negative electrocaloric effect in antiferroelectric thin films and we propose a new mechanism to understand the caloric response in antiferroics including antiferroelectric and antiferromagentic. In addition, for the first time using Infra-red camera we carry out spatially-resolved measurement on electrocaloric effect in multilayer capacitors, one of the most studied systems which are regarded as the most promising electrocaloric prototype. Our findings provide the first direct experimental evidence on the electrocaloric heat flux both temporally and spatially in a specific electrocaloric device. Moreover, for the first time, we design a multicaloric refrigeration cycle combining electrocaloric effect with elastocaloric/magentocaloric effects bridged by ferroelectric materials. We realized such mutlicaloric cycle to solve a real and longstanding problem, i.e., a large hysteresis that impeded reversibility in an otherwise promising magnetocaloric material FeRh discovered almost 26 years ago. We hope that this thesis will not only provide a useful background to fundamentally understand the solid-state caloric effect in ferroics and what we are really measuring, but also may act as a practical guide to exploit and develop ferrocalorics towards design of suitable devices.

Le domaine du refroidissement est en constante expansion, le système actuel est basé sur la compression/décompression des fluides. Face aux problèmes environnementaux et économiques que ce système présente (natures des fluides frigorigènes et leurs recyclages, nuisances sonores et vibratoires, réglementations contraignantes), de nouvelles solutions techniques alternatives émergent. Ainsi ce travail de thèse porte sur de nouveaux systèmes de refroidissement basés sur les effets électrocalorique et magnétocalorique, respectivement présents dans des films minces de polymère fluoré et dans des composites à matrice polymère et à charges magnétocaloriques. A travers des caractérisations physico-chimiques, électriques, électrocaloriques et magnétocaloriques ces travaux se proposent d’identifier l’origine de l’effet électrocalorique dans des films minces de terpolymère P(VDF-TrFE-CTFE) ferroélectrique relaxeur, mais également d’étudier l’influence de la dispersion des particules magnétocaloriques La(Fe,Si)H dans une matrice polymère de poly(propylène) sur le phénomène magnétocalorique. De plus, dans le cadre de cette thèse, un appareil de mesure directe de l’effet électrocalorique a été développé avec le Dr. Basso de l’INRIM de Turin. La comparaison avec la méthode de mesure indirecte permet d’aborder ce phénomène d’un point de vue thermodynamique afin de faire le point sur la validité des hypothèses thermodynamiques utilisées dans le cas d’un polymère ferroélectrique relaxeur. / The cooling sector is in constant expansion, the current system is based on the compression/decompression of fluids. In front of environmental and economic problems of this system (nature of frigorigen fluids and their recycling, noise and vibration issues, restrictive regulations), new alternative technological solutions emerge. Thus this thesis provides new cooling systems based on the magnetocaloric and electrocaloric effects respectively present in thin films of fluoropolymer and composites with polymer matrix and magnetocaloric loads. Through physicochemical, electrical, electrocaloric and magnetocaloric characterizations, this work intends to identify the origin of electrocaloric effect in thin terpolymer films P(VDF-TrFE-CTFE) which is a ferroelectric relaxor, but also to study the influence of the magnetocaloric particles La(Fe,Si)H dispersion in a polymer matrix of poly(propylene) on the magnetocaloric phenomenon. In addition, as part of this thesis, a direct measurement device of the electrocaloric effect was developed with Dr. Basso from the INRIM of Turin. The comparison with the indirect measurement method comes up with this phenomenon from a thermodynamic point of view to take stock of the validity of thermodynamic assumptions used in the case of a ferroelectric polymer relaxor.