Titanate de baryum

composé chimique

Titanate de baryum
Image illustrative de l’article Titanate de baryum
__ Ba2+     __ Ti4+     __ O2–
Structure cristalline du titanate de baryum.
Identification
No CAS 12047-27-7
No ECHA 100.031.783
No CE 234-975-0
No RTECS XR1437333
PubChem 6101006
SMILES
InChI
Apparence Poudre blanche inodore et incolore à jaunâtre[1]
Propriétés chimiques
Formule brute BaO3TiBaTiO3
Masse molaire[2] 233,192 ± 0,009 g/mol
Ba 58,89 %, O 20,58 %, Ti 20,53 %,
Propriétés physiques
fusion 1 625 °C[1]
Solubilité Pratiquement insoluble dans l'eau à 20 °C[1]
Masse volumique 6,08 g·cm-3[1]
Propriétés électroniques
Bande interdite 3,2 eV à 300 K[3]
Cristallographie
Système cristallin Tétragonal
Symbole de Pearson
Structure type Pérovskite
Propriétés optiques
Indice de réfraction n0 = 2,412
ne = 2,360[4]
Précautions
SGH[5]
SGH07 : Toxique, irritant, sensibilisant, narcotique
Attention
H302, H332, P261, P264, P270,
NFPA 704[5]

Symbole NFPA 704.

 

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le titanate de baryum est un composé chimique de formule BaTiO3. Ce matériau céramique se présente sous la forme d'un solide blanc ferroélectrique à hystérésis prononcée ayant également un effet photoréfractif et un effet priézoélectrique. Il trouve des applications notamment dans les condensateurs[6], les transducteurs électromécaniques[7], les thermistances CTP[8] et en optique non linéaire[9]. Il existe également sous forme naturelle dans un minéral rare appelé baryopérovskite[10].

PropriétésModifier

Il s'agit d'un oxyde mixte de titane et de baryum cristallisant dans une structure dont la symétrie dépend de la température : pérovskite cubique au-dessus de sa température de Curie de 120 à 130 °C, elle est tétragonale à température ambiante, puis orthorhombique en dessous de °C et trigonale en dessous de −90 °C[11]. La forme tétragonale est caractérisée par des paramètres cristallins valant a = 399,2 pm et c = 403,6 pm. Dans cette structure, le cation de titane Ti4+ des octaèdres TiO6 est décalé par rapport aux anions oxyde O2–, ce qui génère un moment dipolaire électrostatique et une polarisation à l'origine des propriétés ferroélectriques particulières de ce matériau[12]. Cette polarisation spontanée disparaît au-dessus de la température de Curie lors de la transition vers une phase cristalline cubique, dans laquelle les cations Ti4+ sont au centre des octaèdres TiO6.

Le titanate de baryum est insoluble dans l'eau mais est attaqué par l'acide sulfurique. La largeur de bande interdite du matériau massif à température ambiante est de 3,2 eV mais passe à environ 3,5 eV lorsque la taille des grains est réduite de 15 à 7 nm[3]. À l'état liquide, le titanate de baryum contient une proportion importante de tétraèdres TiO4 parmi les octaèdres[13].

Les relations entre la morphologie des grains et les propriétés des matériaux massifs ont été abondamment étudiées. Par exemple, l'addition d'inclusions de titanate de baryum dans l'étain donne un matériau massif ayant une raideur viscoélastique supérieure à celle des diamants. Cela provient du fait que les transitions de phase qui s'opèrent dans les inclusions de titanate de baryum conduisent à un module d'élasticité isostatique négatif qui s'oppose aux déformations de l'étain, d'où une raideur accrue[14].

ProductionModifier

Le titanate de baryum peut être produit par synthèse sol-hydrothermale (en), par exemple à partir de chlorure de baryum BaCl2 et de tétrachlorure de titane TiCl4 avec de l'hydroxyde de sodium NaOH comme minéraliseur à une température de 100 à 250 °C[15]. Une méthode plus ancienne procède par calcination de carbonate de baryum BaCO3 avec du dioxyde de titane TiO2 à une température de 1 200 °C :

BaCO3 + TiO2 ⟶ BaTiO3 + CO2.

On peut ainsi procéder par cristallisation d'une solution fondue. Des quantités stœchiométriques de carbonate de baryum et de dioxyde de titane, par exemple sous forme d'anatase sont mélangées avec environ 30 % massique de titanate de baryum et recouvertes de fluorure de potassium KF anhydre. Le titanate de baryum cristallise dans le four entre 1 000 et 1 160 °C. On l'isole du KF par lavage à l'eau chaude, ce qui donne des cristaux de BaTiO3. Le matériau obtenu ainsi dans un creuset en platine à partir de titanate de baryum disponible dans le commerce est formé de monocristaux distincts dont certains forment des macles en papillon[11]. On ajoute souvent d'autres éléments comme dopants, par exemple du strontium pour former des solutions solides avec le titanate de strontium SrTiO3.

ApplicationsModifier

Le titanate de baryum est un isolant électrique utilisé dans les condensateurs céramiques (en), avec une permittivité relative pouvant dépasser 5 000[16], voire 6 000[17]. C'est également un matériau piézolectrique utilisé dans les microphones et d'autres types de transducteurs. La polarisation spontanée du titanate de baryum à température ambiante était évaluée à 0,15 C/m2 dans les premières études[18] mais plutôt à 0,26 C/m2 dans les publications plus récentes[19], tandis que sa température de Curie est mesurée entre 120 et 130 °C. Ces différences proviennent des techniques de croissance du matériau, les anciens procédés de cristallogenèse utilisant des flux moins purs que l'actuel procédé de Czochralski[20].

Le titanate de baryum a largement été supplanté par les PZT, ou titano-zirconates de plomb PbZrxTi1−xO3, où 0 ≤ x ≤ 1 avec un optimum à x = 0,52[21]. Le titanate de baryum polycristallin a un coefficient thermique de résistance positif, ce qui en fait un matériau intéressant pour les thermistances et les systèmes de chauffage électrique autorégulés.

En optique non linéaire, les cristaux de titanate de baryum présentent un gain de couplage de faisceau élevé et peuvent être utilisé aux longueurs d'onde du spectre visible et du proche infrarouge. Le BaTiO3 a la réflectivité la plus élevée des matériaux utilisés pour les applications de conjugaison de phase auto-pompée (SPPC). Il peut être utilisé pour un mélange à quatre ondes à ondes entretenues avec une puissance de l'ordre du milliwatt. Pour les applications photoréfractives, le titanate de baryum peut être dopé par divers autres éléments, comme le fer.

Les couches minces de titanate de baryum montrent un effet électro-optique au-delà de 40 GHz[22].

Les propriétés pyroélectriques et ferroélectriques du titanate de baryum sont utilisées dans certains types de détecteurs pour caméras thermiques.

La biocompatibilité du titanate de baryum en fait un objet d'études comme matériau de nanoparticules pour l'administration de médicaments[23].

Notes et référencesModifier

  1. a b c et d Entrée « Barium titanate (IV) » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 5 septembre 2020 (JavaScript nécessaire)
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. a et b (en) Keigo Suzuki et Kazunori Kijima1, « Optical Band Gap of Barium Titanate Nanoparticles Prepared by RF-plasma Chemical Vapor Deposition », Japanese Journal of Applied Physics, vol. 44, no 4A,‎ (DOI 10.1143/JJAP.44.2081, Bibcode 2005JaJAP..44.2081S, lire en ligne)
  4. (en) Xingcun Colin Tong, Advanced Materials for Integrated Optical Waveguides, Springer Science & Business Media, 2013, p. 357. (ISBN 978-3-319-01550-7)
  5. a et b « Fiche du composé Barium titanium oxide, 99.95% (metals basis)  », sur Alfa Aesar (consulté le 5 septembre 2020).
  6. (en) J. B. MacChesney, P. K. Gallagher et F. V. DiMarcello, « Stabilized Barium Titanate Ceramics for Capacitor Dielectrics », Journal of the American Ceramic Society, vol. 46, no 5,‎ , p. 197-202 (DOI 10.1111/j.1151-2916.1963.tb19771.x, lire en ligne)
  7. (en) D. Schofield et R. F. Brown, « An Investigation of Some Barium Titanate Compositions for Transducer Applications », Canadian Journal of Physics, vol. 35, no 5,‎ , p. 594-607 (DOI 10.1139/p57-067, Bibcode 1957CaJPh..35..594S, lire en ligne)
  8. (en) Yet‐Ming Chiang et Touichi Takagi, « Grain‐Boundary Chemistry of Barium Titanate and Strontium Titanate: II, Origin of Electrical Barriers in Positive‐Temperature‐Coefficient Thermistors », Journal of the American Ceramic Society, vol. 73, no 11,‎ , p. 3286-3291 (DOI 10.1111/j.1151-2916.1990.tb06451.x, lire en ligne)
  9. (en) Stefan Abel, Thilo Stöferle, Chiara Marchiori, Daniele Caimi, Lukas Czornomaz, Michael Stuckelberger, Marilyne Sousa, Bert J. Offrein et Jean Fompeyrine, « A Hybrid Barium Titanate–Silicon Photonics Platform for Ultraefficient Electro-Optic Tuning », Journal of Lightwave Technology, vol. 34, no 8,‎ , p. 1688-1693 (DOI 10.1109/JLT.2015.2510282, Bibcode 2016JLwT...34.1688A, lire en ligne)
  10. (en) Chi Ma et George R. Rossman, « Barioperovskite, BaTiO3, a new mineral from the Benitoite Mine, California », American Mineralogist, vol. 93, no 1,‎ , p. 154-157 (DOI 10.2138/am.2008.2636, Bibcode 2008AmMin..93..154M, lire en ligne)
  11. a et b (en) Francis S. Galasso, « Barium titanate, BaTiO3 (Barium titanium(IV) oxide) », Aaron Wold et John K. Ruff, Inorganic Syntheses, vol. 14, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1973, p. 142–143. (ISBN 978-0-07-071320-8)
  12. (en) Manuel Gaudon, « Out-of-centre distortions around an octahedrally coordinated Ti4+ in BaTiO3 », Polyhedron, vol. 88,‎ , p. 6-10 (DOI 10.1016/j.poly.2014.12.004, lire en ligne)
  13. (en) O. L. G. Alderman, C. J. Benmore, J. Neuefeind, A. Tamalonis et R. Weber, « Molten barium titanate: a high-pressure liquid silicate analogue », Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 31, no 20,‎ , article no 20LT01 (PMID 30790768, DOI 10.1088/1361-648X/ab0939, lire en ligne)
  14. (en) T. Jaglinski, D. Kochmann, D. Stone et R. S. Lakes, « Composite Materials with Viscoelastic Stiffness Greater Than Diamond », Science, vol. 315, no 5812,‎ , p. 620-622 (PMID 17272714, DOI 10.1126/science.1135837, Bibcode 2007Sci...315..620J, lire en ligne)
  15. (en) Mahalakshmi Selvaraj, V. Venkatachalapathy, J. Mayandi, S. Karazhanov et J. M. Pearce, « Preparation of meta-stable phases of barium titanate by Sol-hydrothermal method », AIP Advances, vol. 5, no 11,‎ , article no 117119 (DOI 10.1063/1.4935645, Bibcode 2015AIPA....5k7119S, lire en ligne)
  16. (en) Tadashi Takenaka, « Chapter 6.2 - Lead-Free Piezoelectric Ceramics », Handbook of Advanced Ceramics (Second Edition),‎ , p. 429-446 (DOI 10.1016/B978-0-12-385469-8.00025-3, lire en ligne)
  17. (en) M. Karimi-Jafari, K. Kowal, E. Ul-Haq et S. A. M. Tofail, « 3.22 Spark Plasma Sintering of Lead-Free Ferroelectric Ceramic Layers », Comprehensive Materials Finishing, vol. 3,‎ , p. 347-357 (DOI B978-0-12-803581-8.09203-1, lire en ligne)
  18. (en) A. von Hippel, « Ferroelectricity, Domain Structure, and Phase Transitions of Barium Titanate », Reviews of Modern Physics, vol. 22, no 3,‎ , p. 221-237 (DOI 10.1103/RevModPhys.22.221, Bibcode 1950RvMP...22..221V, lire en ligne)
  19. (en) J. Shieh, J. H. Yeh, Y. C. Shu et J. H. Yen, « Hysteresis behaviors of barium titanate single crystals based on the operation of multiple 90° switching systems », Materials Science and Engineering: B, vol. 161, nos 1-3,‎ , p. 50-54 (DOI 10.1016/j.mseb.2008.11.046, lire en ligne)
  20. Geneviève Godefroy, « Ferroélectricité », Éditions techniques de l'ingénieur, (consulté le 5 septembre 2020).
  21. (en) J. Rouquette, J. Haines, V. Bornand, M. Pintard, Ph. Papet, C. Bousquet, L. Konczewicz, F. A. Gorelli et S. Hull, « Pressure tuning of the morphotropic phase boundary in piezoelectric lead zirconate titanate », Physical Review B, vol. 70, no 1,‎ , article no 014108 (DOI 10.1103/PhysRevB.70.014108, Bibcode 2004PhRvB..70a4108R, lire en ligne)
  22. (en) Pingsheng Tang, D. J. Towner, T. Hamano, A. L. Meier et B. W. Wessels, « Electrooptic modulation up to 40 GHz in a barium titanate thin film waveguide modulator », Optics Express, vol. 12, no 24,‎ , article no 5962 (PMID 19488237, DOI 10.1364/opex.12.005962, Bibcode 2004OExpr..12.5962T, lire en ligne)
  23. (en) Giada Graziana Genchi, Attilio Marino, Antonella Rocca, Virgilio Mattoli et Gianni Ciofani, « Barium titanate nanoparticles: promising multitasking vectors in nanomedicine », Nanotechnology, vol. 27, no 23,‎ , article no 232001 (PMID 27145888, DOI 10.1088/0957-4484/27/23/232001, Bibcode 2016Nanot..27w2001G, lire en ligne)