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

Propriétés

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 , elle est tétragonale à température ambiante, puis orthorhombique en dessous de et trigonale en dessous de Francis S. Galasso, « Barium titanate, (Barium titanium(IV) oxide) », Aaron Wold et John K. Ruff, Inorganic Syntheses, , McGraw-Hill Book Company, Inc., 1973, . .. La forme tétragonale est caractérisée par des paramètres cristallins valant et . Dans cette structure, le cation de titane Ti des octaèdres est décalé par rapport aux anions oxyde O, ce qui génère un moment dipolaire électrostatique et une polarisation à l'origine des propriétés ferroélectriques particulières de ce matériau.. Cette polarisation spontanée disparaît au-dessus de la température de Curie lors de la transition vers une phase cristalline cubique, dans laquelle les cations Ti sont au centre des octaèdres .

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 mais passe à environ lorsque la taille des grains est réduite de . À l'état liquide, le titanate de baryum contient une proportion importante de tétraèdres parmi les octaèdres..

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..

Propriétés photocatalytiques Le titanate de baryum (BaTiO3) est un semi-conducteur de type pérovskite étudié pour des applications en photocatalyse, notamment pour la dissociation de l'eau. Il possède une large bande interdite (environ 3,0 à 3,2 eV), ce qui limite son absorption au domaine ultraviolet mais permet la génération de paires électron-trou nécessaires aux réactions d’oxydoréduction..

En raison de son caractère ferroélectrique, particulièrement dans sa phase tétragonale stable à température ambiante, BaTiO3 présente une polarisation spontanée qui favorise la séparation des charges et réduit leur recombinaison. Cette propriété améliore l'efficacité des processus photocatalytiques.

Le matériau présente également une bonne stabilité chimique en milieu aqueux ainsi que des positions de bandes électroniques compatibles avec les potentiels d’oxydoréduction de l’eau.Sa structure pérovskite permet en outre des modifications par dopage afin d’optimiser ses propriétés optiques et électroniques.

BaTiO3 présente plusieurs transitions de phase en fonction de la température (cubique, tétragonale, orthorhombique et rhomboédrique), la phase tétragonale étant particulièrement favorable à la photocatalyse en raison de sa forte polarisation ferroélectrique.

Production

Le titanate de baryum peut être produit par synthèse sol-hydrothermale, par exemple à partir de chlorure de baryum et de tétrachlorure de titane avec de l'hydroxyde de sodium NaOH comme minéraliseur à une température de .. Une méthode plus ancienne procède par calcination de carbonate de baryum avec du dioxyde de titane à une température de :

+ ⟶ + .

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 . On l'isole du KF par lavage à l'eau chaude, ce qui donne des cristaux de . 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. On ajoute souvent d'autres éléments comme dopants, par exemple du strontium pour former des solutions solides avec le titanate de strontium .

Applications

Le titanate de baryum est un isolant électrique utilisé dans les , avec une permittivité relative pouvant dépasser ., voire .. C'est également un matériau piézoélectrique utilisé dans les microphones et d'autres types de transducteurs. La polarisation spontanée du titanate de baryum à température ambiante était évaluée à dans les premières études. mais plutôt à dans les publications plus récentes., tandis que sa température de Curie est mesurée entre . 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..

Le titanate de baryum a largement été supplanté par les PZT, ou titano-zirconates de plomb , où avec un optimum à .. 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 a la réflectivité la plus élevée des matériaux utilisés pour les applications de conjugaison de phase auto-pompée (). 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 ..

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..

Notes et références

Catégorie:Composé du baryum baryum Catégorie:Matériau céramique Catégorie:Matériau ferroélectrique Catégorie:Matériau piézoélectrique