Titanate de strontium

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Titanate de strontium
Tausonite
Tausonite
Identification
No CAS 12060-59-2
No EINECS 235-044-1
SMILES
InChI
Propriétés chimiques
Formule brute O3SrTiSrTiO3
Masse molaire[1] 183,49 ± 0,01 g/mol
O 26,16 %, Sr 47,75 %, Ti 26,09 %,
Propriétés physiques
fusion 2 080 °C [2]
Solubilité Insoluble dans l'eau[2]
Masse volumique 5,11 g·cm-3 [2]
Cristallographie
Structure type pérovskite[3]
Précautions
NFPA 704[2]

Symbole NFPA 704

 
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le titanate de strontium est un oxyde de titane et de strontium de formule SrTiO3. Il existe à l'état naturel — on parle alors de tausonite[4], mais les cristaux habituellement utilisés sont des cristaux de synthèse. Le titanate de strontium pur cristallise dans une structure pérovskite, cubique à température et pression ambiante, et se présente sous la forme d'un cristal transparent. La tausonite présente elle une couleur sombre qui dépend des impuretés qu'elle contient.

Il est utilisé en microélectronique, sous forme de monocristal en tant que substrat, ou sous forme de céramique pour ses propriétés diélectriques.

Le titanate de strontium fut utilisé comme substitut du diamant sous le nom de « fabulite »[5].

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

Le titanate de strontium est à la fois plus dense et plus mou (6 à 6,5, sur l'échelle de Mohs, pour le titanate de strontium naturel, 5,5 pour le titanate de strontium synthétique) que le diamant. Il est cubique avec un indice de réfraction presque identique à celui du diamant.

Le titanate de strontium synthétique est en général incolore et translucide mais il peut être coloré lorsqu'il est dopé par certains éléments des terres rares ou certains métaux de transition.

Le titanate de strontium dopé avec du niobium est un semi-conducteur de type n.

Structure cristalline[modifier | modifier le code]

Structure cristalline de SrTiO3 dans sa phase cubique. La maille élémentaire conventionnelle est délimitée par le cube noir.

Le titanate de strontium cristallise dans une structure pérovskite cubique à température ambiante et pression ambiante. Les ions strontium et titane y occupent les sites A et B respectivement.

Vers 105 K, le cristal transite vers une phase quadratique (tétragonale)[6]. Cette structure est caractérisée par des rotations collective des octaèdres composant la structure pérovskite.

Propriétés diélectriques[modifier | modifier le code]

Le titanate de strontium est cubique et paraélectrique à température ambiante. Dans sa phase quadratique, de 105 à 50 K, sa susceptibilité électrique suit une loi de Curie-Weiss à partir de laquelle on peut extrapoler une température de transition vers un état ferroélectrique aux alentours de 36 K. Toutefois, cette transition n'est pas observée dans la pratique. À basse température, sa constante diélectrique augmente considérablement en s'écartant de la loi de Curie-Weiss, mais le cristal reste paraélectrique. L'explication couramment admise est que des fluctuations quantiques empêchent cette transition : on parle d'un paraélectrique quantique.

Cet état paraélectrique est très fragile et très sensible à la composition. La substitution de l'oxygène 16O par son isotope 18O suffit à rendre le cristal ferroélectrique à basses températures[7]. La substitution du strontium par d'autres cations (calcium, baryum, plomb, cadmium) permet également d'obtenir un état ferroélectrique pour des taux très faibles de substitution[8].

Gisements et production[modifier | modifier le code]

Gisements naturels[modifier | modifier le code]

On trouve le titanate de strontium à l'état naturel. Ce minéral a reçu le nom de tausonite, en hommage au minéralogiste russe Lev Vladimirovich Tauson. Sa présence a été rapportée pour la première fois en 1982 dans le massif de l'Aldan en Sibérie orientale où il fut trouvé sous forme de grains irréguliers et de cristaux cubiques ou cuboctaèdriques de taille allant jusqu'à 2 mm. Ces cristaux présentent des couleurs variant du rouge au brun en fonction des impuretés. Des traces de calcium, de baryum, de lanthane et quelques autres éléments y ont été détectées[9].

Production[modifier | modifier le code]

Utilisations[modifier | modifier le code]

En tant que substrat[modifier | modifier le code]

Le titanate de strontium sous forme monocristalline présente un paramètre de maille très voisin de celui d'autres pérovskites d'intérêt scientifique ou industriel. Pour cette raison, il est un bon substrat pour le dépôt sous forme de couches minces de ces pérovskites supraconductrices, magnétiques, diélectriquesetc.

En micro-électronique[modifier | modifier le code]

Le titanate de strontium (SrTiO3) est un isolant électrique qui peut devenir conducteur quand il est électroniquement « dopé » (en y créant des lacunes d'oxygène par exemple). Les interfaces entre le SrTiO3 et certains oxydes (LaTiO3 ou LaAlO3) sont par ailleurs naturellement conductrices, bien que ces matériaux soient tous isolants pris séparément. De plus, leurs rendements en termes de supraconductivité, magnétorésistance et thermoélectricité sont parmi les meilleurs à température ambiante. Une difficulté à résoudre est que les oxydes sont difficiles à interfacer.

Lors d'une expérience faite au synchrotron SOLEIL à Saint-Aubin (France), en brisant sous vide un morceau de titanate de strontium[10], on a réussi à produire une couche gazeuse bidimentionnelle de deux nanomètres d'épaisseur, conductrice, à la surface d'une couche (isolante) de titanate de strontium[11]. Facile à réaliser, cette couche de gaz d'électrons métallique pourrait doper l'électronique à base d'oxydes de métaux de transition de la famille du SrTiO3 qui intéresse beaucoup les chercheurs en raison de propriétés physiques telles que :

En particulier des dispositif microélectronique multifonctionnels (transistor à plusieurs fonctions par exemple) semblent devenir possibles[11].

En joaillerie : la fabulite[modifier | modifier le code]

Le titanate de strontium fut utilisé comme imitation du diamant sous le nom de « fabulite » entre les années 1955 et 1970. Si les indices de réfraction des deux minéraux sont très proches (2,417 contre 2,41 pour le diamant), la fabulite a une dispersion, et donc un feu, beaucoup plus forte que le diamant. De plus, la fabulite se raye facilement, contrairement au diamant. Cet usage fut abandonné à partir des années 1970 avec la production d'imitations de meilleure qualité (la zircone d'abord, puis la moissanite en 1998)[12].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. a, b, c et d « Strontium titanate », sur ull.chemistry.uakron.edu (consulté le 7 septembre 2010)
  3. (en) Bodie E. Douglas, Shih-Ming Ho, Structure and Chemistry of Crystalline Solids, Pittsburgh, PA, USA, Springer Science + Business Media, Inc.,‎ 2006, 346 p. (ISBN 0-387-26147-8), p. 64
  4. webmineral.com
  5. Sur le site de Diamants-infos
  6. e.g. Hayward and Salje, 1999
  7. (en) M. Itoh, R. Wang, Y. Inaguma, T. Yamaguchi, Y-J. Shan et T. Nakamura, « Ferroelectricity Induced by Oxygen Isotope Exchange in Strontium Titanate Perovskite », Physical Review Letters, vol. 82, no 17,‎ 1999, p. 3540-3543 (lien DOI?)
  8. Lemanov 2002, p. 8
  9. Dunn, 1985
  10. Communiqué CNRS, intitulé Microélectronique : un gaz d'électrons à la surface d'un isolant ouvre la voie du transistor multi-fonctions, Paris, 2011-01-12
  11. a et b (en) A.F. Santander-Syro, O. Copie, T. Kondo et al., « Two-dimensional electron gas with universal subbands at the surface of SrTiO3 », Nature, vol. 469,‎ 13 janvier 2011, p. 189-193 (lien DOI?)
  12. Diamants synthétiques sur allaboutgemstones.com

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) V.V. Lemanov, « Improper ferroelastic SrTiO3 and what we know today about its properties », Ferroelectrics, vol. 265,‎ 2002, p. 1-21 (lire en ligne)
  • (en) P.J. Dunn et al., « New Mineral Names », American Mineralogist, vol. 70,‎ 1985, p. 218 (lire en ligne)
  • (en) S.A Hayward et E.K.H Salje, « Cubic-tetragonal phase transition in SrTiO3 revisited: Landau theory and transition mechanism », Phase Transitions, vol. 68,‎ 1999, p. 501-522

Liens externes[modifier | modifier le code]