Barium titanat

Barium titanat
Illustrasjonsbilde av artikkelen Barium titanate
__ Ba 2+     __ Ti 4+     __ O 2–
Krystallstruktur av bariumtitanat.
Identifikasjon
N o CAS 12047-27-7
N o ECHA 100.031.783
N o EC 234-975-0
N o RTECS XR1437333
PubChem 6101006
SMIL [O -] [Ti] (= O) [O -]. [Ba + 2]
PubChem , 3D-visning
InChI Std. InChI: 3D-visning
InChI = 1S / Ba.3O.Ti / q + 2 ;; 2 * -1;
Std. InChIKey:
WNKMTAQXMLAYHX-UHFFFAOYSA-N
Utseende Luktfritt, fargeløst til gulhvitt pulver
Kjemiske egenskaper
Brute formel Ba O 3 TiBaTiO 3
Molarmasse 233,192 ± 0,009  g / mol
Ba 58,89%, O 20,58%, Ti 20,53%,
Fysiske egenskaper
T ° fusjon 1625  ° C
Løselighet Praktisk talt uløselig i vann ved 20  ° C
Volumisk masse 6,08  g · cm -3
Elektroniske egenskaper
Forbudt band 3,2  eV ved 300  K
Krystallografi
Krystallsystem Tetragonal
Pearson symbol
Typisk struktur Perovskite
Optiske egenskaper
Brytningsindeks n 0 = 2,412
n e = 2,360
Forholdsregler
SGH
SGH07: Giftig, irriterende, sensibiliserende, narkotisk
Advarsel H302, H332, P261, P264, P270, H302  : Farlig ved svelging
H332  : Farlig ved innånding
P261  : Unngå innånding av støv / røyk / gass / tåke / damp / spray.
P264  : Vask… grundig etter håndtering.
P270  : Ikke spis, drikk eller røyk når du bruker dette produktet.
NFPA 704

NFPA 704 symbol.

0 2 0  
Enheter av SI og STP med mindre annet er oppgitt.

Den bariumtitanat er en kjemisk forbindelse med formel Batio 3. Dette keramiske materialet er i form av et ferroelektrisk hvitt fast stoff med uttalt hysterese som også har en fotorefraktiv effekt og en priezoelektrisk effekt . Den finner applikasjoner spesielt i kondensatorer , elektromekaniske transdusere , PTC-termistorer og i ikke-lineær optikk . Det finnes også naturlig i et sjeldent mineral som kalles baryoperovskitt.

Eiendommer

Det er et blandet oksid av titan og barium som krystalliserer i en struktur hvis symmetri avhenger av temperaturen: kubisk perovskitt over Curie-temperaturen på 120  til  130  ° C , den er tetragonal ved romtemperatur , deretter ortorombisk under 0  ° C og trigonal under - 90  ° C . Den tetragonale formen er preget av krystallparametere lik a = 399,2  pm og c = 403,6  pm . I denne struktur, kationet av titan Ti 4+ av oktaedre TiO 6er forskjøvet i forhold til de oksid anioner O 2- , som genererer et elektrostatisk dipolmomentet og en polarisasjon på opprinnelsen til de spesielt ferroelektriske egenskapene til dette materialet. Denne spontane polarisasjon forsvinner over Curie-temperaturen i løpet av overgangen til en kubisk krystallinsk fase, hvor Ti 4 + kationer er i sentrum av TiO 6 oktaedre. .

Bariumtitanat er uoppløselig i vann, men angripes av svovelsyre . Den band gap av bulkmaterialet ved romtemperatur er 3,2  eV , men skifter til omkring 3,5  eV når kornstørrelsen reduseres 15-7  nm . I flytende tilstand, inneholder bariumtitanat en betydelig andel av TiO 4 tetraedre blant oktaederne.

Forholdet mellom kornmorfologi og egenskapene til massive materialer har blitt studert grundig. For eksempel resulterer tilsetning av bariumtitanatinneslutninger i tinn i et fast materiale med høyere viskoelastisk stivhet enn diamanter . Dette skyldes det faktum at faseovergangene som finner sted i inneslutningene av bariumtitanat, fører til en negativ isostatisk elastisitetsmodul som motvirker deformasjonene av tinnet, og dermed økt stivhet.

Produksjon

Bariumtitanat kan fremstilles ved syntese sol-hydrotermale  (i) , for eksempel fra bariumklorid bacl 2og titantetraklorid TiCl 4med natriumhydroksyd NaOH som mineraliseringsstoffet ved en temperatur på 100 for å 250  ° C . En eldre metode fortsetter ved kalsinering av bariumkarbonat BaCO 3med titandioksid TiO 2ved en temperatur på 1200  ° C  :

BaCO 3+ TiO 2⟶ BaTiO 3+ CO 2.

Det er således mulig å fortsette ved krystallisering av en smeltet løsning. Støkiometriske mengder bariumkarbonat og titandioksid, for eksempel i form av anatase, blandes med ca. 30 masseprocent bariumtitanat og dekkes med vannfritt kaliumfluorid KF . Bariumtitanat krystalliserer i ovnen mellom 1000 og 1160 ° C . Den isoleres fra KF ved å vaske med varmt vann, noe som gir krystaller av BaTiO 3 . Det resulterende materialet i en digel i platina fra bariumtitanat som er kommersielt tilgjengelig, består av enkeltkrystaller som skiller en eller annen form av tvillinger . Andre elementer blir ofte tilsatt som dopemidler , for eksempel strontium for å danne faste løsninger med strontiumtitanat SrTiO 3.

applikasjoner

Bariumtitanat er en elektrisk isolator som brukes i keramiske kondensatorer  (fr) , med en permittivitetsrelasjon som overstiger 5000 eller til og med 6 000. Dette er også et materiale piézolectrique som brukes i mikrofoner og andre typer svinger . Den spontane polarisasjon av bariumtitanat ved romtemperatur ble evaluert ved 0,15  C / m 2 i de første studier, men snarere ved 0,26  C / m 2 i de senere publikasjoner, mens dets Curie-temperaturen blir målt mellom 120 og 130  ° C . Disse forskjellene kommer fra teknikkene for vekst av materialet, de gamle krystallogeneseprosessene bruker mindre rene strømmer enn den nåværende Czochralski-prosessen .

Bariumtitanat har i stor grad blitt erstattet av PZT , eller blytitano-zirkonater PbZr x Ti 1 - x O 3hvor 0 ≤ x ≤ 1 med et optimalt ved x = 0,52 . Polykrystallinsk bariumtitanat har en positiv termisk motstandskoeffisient , noe som gjør det til et attraktivt materiale for termistorer og selvregulerende elektriske varmesystemer.

I ikke-lineær optikk utviser bariumtitanatkrystaller en høy strålekoblingsforsterkning og kan brukes til bølgelengdene til det synlige spekteret og nær infrarød . BaTiO 3har den høyeste reflektiviteten til materialene som brukes til applikasjoner med selvpumpet fasekonjugering ( SPPC ). Den kan brukes til en firbølgeblanding i CW med en effekt av størrelsesorden milliwatt. For fotorefraktive applikasjoner kan bariumtitanat dopes med forskjellige andre elementer, for eksempel jern .

Den tynne filmen av bariumtitanat viser en elektrooptisk effekt utover 40  GHz .

De pyroelektriske og ferroelektriske egenskapene til bariumtitanat brukes i visse typer detektorer for termisk kamera .

Den biokompatibilitet av bariumtitanat gjør det et formål ved studium som et nanopartikkelmateriale for medikamentlevering .

Merknader og referanser

  1. Oppføring "Barium titanate (IV)" i den kjemiske databasen GESTIS fra IFA (tysk organ med ansvar for arbeidsmiljø og sikkerhet) ( tysk , engelsk ), åpnet 5. september 2020 (JavaScript kreves)
  2. beregnede molekylmasse fra "  atomvekter av elementene 2007  " på www.chem.qmul.ac.uk .
  3. (en) Keigo Suzuki og Kazunori Kijima1 , “  Optical Band Gap of Barium Titanate Nanoparticles Prepared by RF-plasma Chemical Vapor Deposition  ” , Japanese Journal of Applied Physics , vol.  44, n o  4A, April 2005( DOI  10.1143 / JJAP.44.2081 , Bibcode  2005JaJAP..44.2081S , les online )
  4. (in) Xingcun Colin Tong, Advanced Materials for Integrated Optical Waveguides , Springer Science & Business Media, 2013, s.  357 . ( ISBN  978-3-319-01550-7 )
  5. "  Dataark for forbindelsen Barium titanium oxide, 99,95% (metaller basis)  " , om Alfa Aesar (åpnet 5. september 2020 ) .
  6. (i) JB MacChesney, PK Gallagher og FV DiMarcello , "  Stabilisert bariumtitanat keramikk Kondensator Dielectrics  " , Journal of American Ceramic Society , vol.  46, n o  5, Mai 1963, s.  197-202 ( DOI  10.1111 / j.1151-2916.1963.tb19771.x , les online )
  7. (in) D. Schofield og RF Brown , "  An Investigation of Barium Titanate Some Compositions for Transducer Applications  " , Canadian Journal of Physics , vol.  35, n o  5, Mai 1957, s.  594-607 ( DOI  10.1139 / p57-067 , Bibcode  1957CaJPh..35..594S , les online )
  8. (in) Yet-Ming Chiang og 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, n o  11 November 1990, s.  3286-3291 ( DOI  10.1111 / j.1151-2916.1990.tb06451.x , les online )
  9. (i) Stefan Abel, Thilo Stöferle Chiara Marchiori Daniele Caimi, Lukas Czornomaz Michael Stückelberger, Marilyne Sousa, Bert og John J. Offrein Fompeyrine , "  A Hybrid bariumtitanat-Silicon Photonics Ultraefficient Plattform for Electro-Optic tuning  " , Journal of Lightwave Technology , vol.  34, n o  8, 15. april 2016, s.  1688-1693 ( DOI  10.1109 / JLT.2015.2510282 , Bibcode  2016JLwT ... 34.1688A , les online )
  10. (i) Chi Ma og George R. Rossman , "  Barioperovskite, BaTiO 3 , et nytt mineral fra Benitoite Mine, California  ” , American Mineralogist , vol.  93, n o  1,Januar 2008, s.  154-157 ( DOI  10.2138 / am.2008.2636 , Bibcode  2008AmMin..93..154M , les online )
  11. (en) Francis S. Galasso, “Barium titanate, BaTiO 3(Barium titanium (IV) oxide) ”, Aaron Wold og John K. Ruff, Inorganic Syntheses , vol.  14, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1973, s.  142–143 . ( ISBN  978-0-07-071320-8 )
  12. (in) Manual Gaudon , "  Forvrengning utenfor senteret rundt året oktahedrisk koordinert Ti 4+ i BaTiO 3  » , Polyhedron , vol.  88,9. mars 2015, s.  6-10 ( DOI  10.1016 / j.poly.2014.12.004 , les online )
  13. (i) OLG Alderman, CJ Benmore, J. Neuefeind, A. og R. Weber Tamalonis , "  Molten barium titanate: a high-pressure liquid-like silicate  " , Journal of Physics: Condensed Matter , vol.  31, n o  20 22. mai 2019, Artikkel nr .  20LT01 ( PMID  30790768 , DOI  10.1088 / 1361-648X / ab0939 , les online )
  14. (i) T. Jaglinski, Kochmann D., D. Stein og RS Lakes , "  komposittmaterialer med viskoelastiske stivhet som er større enn Diamond  " , Science , vol.  315, n o  5812, 2. februar 2007, s.  620-622 ( PMID  17272714 , DOI  10.1126 / science.1135837 , Bibcode  2007Sci ... 315..620J , les online )
  15. (en) Mahalakshmi Selvaraj, V. Venkatachalapathy, J. Mayandi, S. Karazhanov og Pearce JM , "  Preparation of meta-steady phases of barium titanate by Sol-hydrothermal method  " , AIP Advances , vol.  5, n o  11 november 2015, Artikkel n o  117119 ( DOI  10,1063 / 1,4935645 , bibcode  2015AIPA .... 5k7119S , lese online )
  16. (in) Tadashi Takenaka , "  Chapter 6.2 - Lead-Free Piezoelectric Ceramics  " , Handbook of Advanced Ceramics (Second Edition) , 2013, s.  429-446 ( DOI  10.1016 / B978-0-12-385469-8.00025-3 , les online )
  17. (in) M. Karimi-Jafari, K. Kowal E. Ul-Haq og SAM Tofail , "  3.22 Spark Plasma Sintering of Lead-Free Ferroelectric Ceramic Layers  " , Comprehensive Finishing Materials , vol.  3, 2017, s.  347-357 ( DOI  B978-0-12-803581-8.09203-1 , les online )
  18. (i) A. von Hippel , "  ferroelektrisitet, domene struktur og faseoverganger bariumtitanat  " , Anmeldelser av Modern Physics , vol.  22, n o  3, Juli 1950, s.  221-237 ( DOI  10.1103 / RevModPhys.22.221 , Bibcode  1950RvMP ... 22..221V , les online )
  19. (in) J. Shieh, JH Yeh Shu YC og JH Yen , "  Hysteresis Behaviors of barium titanate single crystals based on the operation of multiple switching systems 90  " , Materials Science and Engineering: B , vol.  161, n bein  1-3, 15. april 2009, s.  50-54 ( DOI  10.1016 / j.mseb.2008.11.046 , les online )
  20. Geneviève Godefroy, "  Ferroelectricity  " , tekniske utgaver av ingeniøren , 10. september 1996(åpnet 5. september 2020 ) .
  21. (i) J. Rouquette, J. Haines, V. Bornand, Mr. Pintard, Ph. Papet, C. Bousquet, L. Konczewicz FA Gorelli og S. Hull , "  Trykkjustering av scenegrensen i morfotropisk piezoelektrisk blyzirkonat titanate  ” , Physical Review B , vol.  70, n o  1, Juli 2004, artikkel nr .  014108 ( DOI  10.1103 / PhysRevB.70.014108 , Bibcode  2004PhRvB..70a4108R , les online )
  22. (i) Pingsheng Tang DJ Towner, T. Hamano, G Meier og BW Wessels , "  elektro-optisk modulasjon opp til 40 GHz i et bariumtitan tynn film waveguide modulator  " , Optics Express , vol.  12, n o  24 november 2004, Artikkel nr .  5962 ( PMID  19488237 , DOI  10.1364 / opex.12.005962 , bibcode  2004OExpr..12.5962T , read online )
  23. (i) Giada Graziana Genchi, Attilio Marino, Antonella Rocca, Virgilio Mattoli og Gianni Ciofani , "  Barium titanate nanoparticles: Multitasking lovende vektorer i nanomedisin  " , Nanotechnology , vol.  27, n o  23 10. juni 2016, artikkel nr .  232001 ( PMID  27145888 , DOI  10.1088 / 0957-4484 / 27/23/232001 , Bibcode  2016Nanot..27w2001G , les online )