Les condensateurs sont des composants essentiels des appareils électroniques tels que les smartphones et les ordinateurs. Ils sont constitués de matériaux diélectriques qui se polarisent lors de l’application de la tension. Actuellement, le titanate de baryum (BaTiO3) est le matériau le plus utilisé pour les condensateurs.
Le titanate de baryum appartient au groupe de matériaux pérovskites, où un ion titane réside dans une cage octaédrique à oxygène. Le matériau présente un comportement ferroélectrique de type displacif, dans lequel le déplacement des ions pendant la transition de phase conduit à la création d’un moment dipolaire permanent au sein du matériau.
Dans une étude publié dans la revue Transactions Dalton, des chercheurs dirigés par le professeur Ayako Yamamoto de l’Institut de technologie de Shibaura, dont l’étudiant en master Kimitoshi Murase, ont développé un matériau ferroélectrique de type déplacement avec une constante diélectrique élevée. La partie théorique a été étudiée par le Dr Hiroki Moriwake et son groupe du Japan Fine Ceramics Center.
En utilisant une méthode à haute pression, les chercheurs ont réussi à incorporer des ions rubidium importants dans des composés de type pérovskite, aboutissant à la synthèse du niobate de rubidium (RbNbO3). Ce composé, auparavant connu pour son processus de synthèse difficile, a été créé efficacement grâce à une approche innovante.
RbNbO3 présente une ferroélectricité de déplacement comme BaTiO3, ce qui en fait un candidat prometteur pour les condensateurs et l’intérêt pour la synthèse de RbNbO3 remonte aux années 1970. Cependant, les études sur ses propriétés diélectriques n’ont été menées qu’à basse température (inférieures à 27°C).
Cette étude met en lumière la structure cristalline et les transitions de phase sur une large plage de températures (-268 à +800°C), ouvrant la voie à de nouvelles recherches et développements.
« La méthode de synthèse à haute pression a révélé une variété de matériaux dotés de structures de type pérovskite, notamment des supraconducteurs et des aimants. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la combinaison de niobates et de métaux alcalins connus pour leurs propriétés diélectriques élevées », explique le professeur Yamamoto.
Les chercheurs ont synthétisé du RbNbO3 de type non pérovskite en frittant un mélange de carbonate de rubidium et d’oxyde de niobium à 1 073 K (800 °C), puis l’ont soumis à des pressions élevées de 40 000 atmosphères à 1 173 K (900 °C) pendant 30 minutes. Dans ces conditions de haute pression et de haute température, le niobate de rubidium a subi une transformation structurelle, passant d’une phase triclinique complexe à pression ambiante à une structure de type pérovskite orthorhombique 26 % plus dense.
Grâce à la diffraction des rayons X, les chercheurs ont étudié la structure cristalline. Leur analyse utilisant un monocristal a révélé que la structure cristalline ressemblait beaucoup à celle du niobate de potassium (KNbO3) et présentait des distorsions similaires à celles observées dans BaTiO3, deux matériaux ferroélectriques bien connus.
Cependant, ils ont constaté que l’orthorhombicité et le déplacement des atomes de niobium dans RbNbO3 dépassaient ceux de KNbO3, indiquant un degré plus élevé de polarisation diélectrique dû aux transitions de phase.
De plus, grâce à la diffraction des rayons X sur poudre, les chercheurs ont identifié quatre transitions de phase distinctes se produisant à des températures allant de –268°C à +800°C. En dessous de la température ambiante, RbNbO3 existe dans une phase orthorhombique, qui constitue la configuration la plus stable.
À mesure que la température augmente, elle subit des transitions : d’abord vers une phase pérovskite tétragonale au-dessus de 220°C, puis vers une phase pérovskite tétragonale plus allongée au-delà de 300°C. Enfin, au-dessus de 420°C, elle revient à une phase non pérovskite présente dans les conditions atmosphériques.
Ces transitions de phase observées correspondent étroitement aux prédictions faites grâce aux calculs des premiers principes. Les chercheurs ont également calculé la polarisation diélectrique des différentes phases du RbNbO3. Ils ont constaté que la phase orthorhombique avait une polarisation de 0,33 C m−2, tandis que les deux phases tétragonales présentaient des polarisations de 0,4 et 0,6 C m−2, respectivement. Ces valeurs sont comparables à celles des niobates de métaux alcalins ferroélectriques tels que KNbO3 (0,32 C m−2), LiNbO3 (0,71 C m−2) et LiTaO3 (0,50 C m−2).
« La phase haute pression obtenue cette fois a confirmé la présence d’une structure polaire à partir de l’observation d’une génération de deuxième harmonique de la même force que le niobate de potassium, et une permittivité relative relativement élevée a également été obtenue. Quant à la constante diélectrique, elle est attendue que des valeurs égales ou supérieures à celles du niobate de potassium peuvent être obtenues en augmentant la densité de l’échantillon, comme le prédisent les calculs théoriques », explique le professeur Yamamoto.
Les chercheurs prévoient d’autres expériences pour mesurer avec précision la constante diélectrique et démontrer la forte polarisation du RbNbO3. L’avantage de la méthode haute pression réside dans sa capacité à stabiliser des substances qui n’existent pas sous pression atmosphérique.
En utilisant la méthode proposée, des ions de métaux alcalins plus gros tels que le césium pourraient être incorporés dans la structure pérovskite, conduisant à des ferroélectriques dotés de propriétés diélectriques souhaitables.
Plus d’information:
Ayako Yamamoto et al, Structure cristalline et propriétés du niobate de rubidium de type pérovskite, une phase haute pression de RbNbO3, Transactions Dalton (2024). DOI : 10.1039/D4DT00190G