Barium titanat

Identifikation
Barium titanat

__ Ba 2+ __ Ti 4+ __ O 2– Krystalstruktur af bariumtitanat.
N o CAS	12047-27-7
N o ECHA	100.031.783
N o EF	234-975-0
N o RTECS	XR1437333
PubChem	6101006
SMILE	[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
Udseende	Lugtfri, farveløs til gulligt hvidt pulver
Kemiske egenskaber
Brute formel	Ba O 3 TiBaTiO 3
Molar masse	233,192 ± 0,009 g / mol Ba 58,89%, O 20,58%, Ti 20,53%,
Fysiske egenskaber
T ° fusion	1625 ° C
Opløselighed	Praktisk talt uopløselig i vand ved 20 ° C
Volumenmasse	6,08 g · cm -3
Elektroniske egenskaber
Forbudt band	3,2 eV ved 300 K
Krystallografi
Krystal system	Tetragonal
Pearson symbol	${\ displaystyle tP5 \,}$
Typisk struktur	Perovskite
Optiske egenskaber
Brydningsindeks	$n$ 0 = 2,412 $n$ e = 2,360
Forholdsregler
SGH
Advarsel H302, H332, P261, P264, P270, H302 : Farlig ved indtagelse H332 : Farlig ved indånding P261 : Undgå indånding af støv / røg / gas / tåge / dampe / spray. P264 : Vask… grundigt efter håndtering. P270 : Spis ikke, drik eller ryger ikke, når du bruger dette produkt.
NFPA 704
0 2 0

Enheder af SI og STP, medmindre andet er angivet.

Den bariumtitanat er en kemisk forbindelse med formlen BaTiO 3. Dette keramiske materiale er i form af et ferroelektrisk hvidt fast stof med udtalt hysterese, der også har en fotorefraktionseffekt og en priezoelektrisk effekt . Den finder anvendelser især i kondensatorer , elektromekaniske transducere , PTC-termistorer og i ikke-lineær optik . Det findes også naturligt i et sjældent mineral kaldet baryoperovskite.

Ejendomme

Det er en blandet oxid af titanium og barium, der krystalliserer i en struktur, hvis symmetri afhænger af temperaturen: kubisk perovskit over Curie-temperaturen på 120 til 130 ° C , den er tetragonal ved stuetemperatur , derefter orthorhombisk under 0 ° C og trigonal under - 90 ° C . Den tetragonale form er kendetegnet ved krystalparametre lig med a = 399,2 pm og c = 403,6 pm . I denne struktur den kation af titan Ti 4+ af octaedre TiO 6 forskydes med hensyn til oxid anioner O 2- , der frembringer et elektrostatisk dipolmoment og en polarisering, som er oprindelsen af de særlige ferroelektriske egenskaber af dette materiale. Denne spontane polarisation forsvinder over Curie-temperaturen under overgangen til en kubisk krystallinsk fase, hvori Ti 4+ kationer er i centrum af TiO 6 oktaedre. .

Bariumtitanatdel i plastemballage.
Struktur perovskit kubisk over Curie temperaturen .

Bariumtitanat er uopløseligt i vand, men angribes af svovlsyre . Den båndgab af bulkmaterialet ved stuetemperatur er 3,2 eV men ændrer til ca. 3,5 eV når kornstørrelsen reduceres fra 15 til 7 nm . I flydende tilstand, indeholder bariumtitanat en signifikant andel af TiO 4 tetraedre blandt oktaederne.

Forholdet mellem kornmorfologi og egenskaberne ved massive materialer er blevet grundigt undersøgt. For eksempel resulterer tilsætningen af bariumtitanatindeslutninger i tin i et fast materiale med en højere viskoelastisk stivhed end diamanter . Dette skyldes det faktum, at de faseovergange, der finder sted i indeslutningerne af bariumtitanat, fører til et negativt isostatisk elasticitetsmodul, der modsætter sig deformationerne af tin, og dermed øget stivhed.

Produktion

Bariumtitanat kan fremstilles ved syntese sol-hydrotermisk (i) , for eksempel fra bariumchlorid BaCh 2og titantetrachlorid TiCU 4med natriumhydroxid NaOH som mineralisator ved en temperatur på 100 til 250 ° C . En ældre metode forløber ved calcinering af bariumcarbonat BaCO 3med titandioxid TiO 2ved en temperatur på 1200 ° C :

BaCO 3+ TiO 2⟶ BaTiO 3+ CO 2.

Det er således muligt at fortsætte ved krystallisation af en smeltet opløsning. Støkiometriske mængder bariumcarbonat og titandioxid, fx i form af anatase, blandes med ca. 30 masseprocent bariumtitanat og dækkes med vandfrit kaliumfluorid KF . Bariumtitanat krystalliserer i ovnen mellem 1000 og 1160 ° C . Det isoleres fra KF ved vask med varmt vand, hvilket giver krystaller af BaTiO 3 . Det resulterende materiale i en digel i platinet fra bariumtitanat kommercielt tilgængeligt er sammensat af enkeltkrystaller, der adskiller en eller anden form tvillinger . Andre elementer er ofte tilsættes som dopingmidler , f.eks strontium at danne faste opløsninger med den strontiumtitanat SrTiO 3.

Ansøgninger

Bariumtitanat er en elektrisk isolator, der anvendes i keramiske kondensatorer (fr) , med en relativ permittivitet, der overstiger 5000 eller endda 6.000 . Dette er også et materiale piézolectrique, der anvendes i mikrofoner og andre typer transducere . Den spontane polarisation af bariumtitanat ved stuetemperatur blev evalueret ved 0,15 C / m 2 i de første undersøgelser, men snarere ved 0,26 C / m 2 i mere nylige publikationer, mens dets Curie-temperatur måles mellem 120 og 130 ° C . Disse forskelle kommer fra teknikkerne for vækst af materialet, de gamle krystallogeneseprocesser , der bruger mindre rene strømme end den nuværende Czochralski-proces .

Bariumtitanat er stort set blevet erstattet af PZT , eller bly Titano-zirconater PbZr x Ti 1 - x O 3hvor 0 ≤ x ≤ 1 med et optimalt ved x = 0,52 . Polykrystallinsk bariumtitanat har en positiv termisk modstandskoefficient , hvilket gør det til et attraktivt materiale til termistorer og selvregulerende elektriske varmesystemer.

I ikke-lineær optik udviser bariumtitanatkrystaller en højstrålekoblingsforstærkning og kan anvendes til bølgelængderne i det synlige spektrum og det nær infrarøde . BaTiO 3har den højeste reflektionsevne af de materialer, der anvendes til applikationer med selvpumpet fasekonjugation ( SPPC ). Det kan bruges til en fire-bølgeblanding i CW med en effekt i størrelsesordenen milliwatt. Til fotorefraktionsanvendelser kan bariumtitanat doteres med forskellige andre grundstoffer, såsom jern .

Den tynde film af bariumtitanat viser en elektro-optisk effekt ud over 40 GHz .

De pyroelektriske og ferroelektriske egenskaber af bariumtitanat anvendes i visse typer detektorer til termisk billeddannelse .

Den biokompatibilitet af bariumtitanat gør det et formål med undersøgelsen som en nanopartikel materiale til lægemiddeladministration .

Noter og referencer

Indtastning "Barium titanate (IV)" i kemikaliedatabasen GESTIS fra IFA (tysk organ med ansvar for arbejdsmiljø) ( tysk , engelsk ), adgang til 5. september 2020 (JavaScript krævet)
beregnet molekylmasse fra " Atomic vægte af elementerne 2007 " på www.chem.qmul.ac.uk .
(da) Keigo Suzuki og Kazunori Kijima1 , “ Optical Band Gap of Barium Titanate Nanoparticles Prepared by RF-plasma Chemical Vapor Deposition ” , Japanese Journal of Applied Physics , bind. 44, n o 4A, April 2005( DOI 10.1143 / JJAP.44.2081 , Bibcode 2005JaJAP..44.2081S , læs online )
(i) Xingcun Colin Tong, Advanced Materials for Integreret optiske bølgeledere , Springer Science & Business Media, 2013, s. 357 . ( ISBN 978-3-319-01550-7 )
" Dataark for forbindelsen Barium titaniumoxid, 99,95% (metalbasis) " , om Alfa Aesar (adgang til 5. september 2020 ) .
(in) JB MacChesney, PK Gallagher og FV DiMarcello , " Stabilised Barium Titanate Ceramic for Capacitor Dielectrics " , Journal of the American Ceramic Society , bind. 46, nr . 5, Maj 1963, s. 197-202 ( DOI 10.1111 / j.1151-2916.1963.tb19771.x , læs online )
(i) D. Schofield og RF Brown , " En Undersøgelse af Bariumtitan Nogle Kompositioner til Transducer Applications " , Canadian Journal of Physics , bind. 35, nr . 5, Maj 1957, s. 594-607 ( DOI 10.1139 / p57-067 , Bibcode 1957CaJPh..35..594S , læs online )
(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, nr . 11, November 1990, s. 3286-3291 ( DOI 10.1111 / j.1151-2916.1990.tb06451.x , læs online )
(i) Stefan Abel, Thilo Stöferle Chiara Marchiori Daniele Caimi, Lukas Czornomaz Michael Stückelberger, Marilyne Sousa, Bert og John J. Offrein Fompeyrine , " En Hybrid Bariumtitan-Silicon Photonics Ultraefficient platform for elektro-optisk Tuning " , Journal of Lightwave Technology , bind. 34, nr . 8, 15. april 2016, s. 1688-1693 ( DOI 10.1109 / JLT.2015.2510282 , Bibcode 2016JLwT ... 34.1688A , læs online )
(i) Chi Ma og George R. Rossman , " Barioperovskite, BaTiO 3 , et nyt mineral fra Benitoite Mine, Californien ” , American Mineralogist , vol. 93, nr . 1,Januar 2008, s. 154-157 ( DOI 10.2138 / am.2008.2636 , Bibcode 2008AmMin..93..154M , læs online )
(en) Francis S. Galasso, “Barium titanate, BaTiO 3(Barium titanium (IV) oxid) ”, Aaron Wold og John K. Ruff, Inorganic Syntheses , bind. 14, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1973, s. 142–143 . ( ISBN 978-0-07-071320-8 )
(in) Manual Gaudon , " Forvrængning uden for centrum omkring år oktaederkoordineret Ti 4+ i BaTiO 3 » , Polyhedron , vol. 88,9. marts 2015, s. 6-10 ( DOI 10.1016 / j.poly.2014.12.004 , læs online )
(i) OLG Alderman, CJ Benmore, J. Neuefeind, A. og R. Weber Tamalonis , " Smeltet bariumtitanat: en højtryks-væskelignende silicat " , Journal of Physics: Condensed Matter , vol. 31, nr . 20, 22. maj 2019, Artikel nr . 20LT01 ( PMID 30790768 , DOI 10.1088 / 1361-648X / ab0939 , læs online )
(i) T. Jaglinski, Kochmann D., D. Stone og RS søer , " Composite Materials med viskoelastiske Stivhed Større end Diamond " , Science , vol. 315, nr . 5812, 2. februar 2007, s. 620-622 ( PMID 17272714 , DOI 10.1126 / science.1135837 , Bibcode 2007Sci ... 315..620J , læs online )
(en) Mahalakshmi Selvaraj, V. Venkatachalapathy, J. Mayandi, S. Karazhanov og Pearce JM , " Fremstilling af metastabile faser af bariumtitanat ved Sol-hydrotermisk metode " , AIP Advances , vol. 5, nr . 11, november 2015, artikel nr . 117119 ( DOI 10.1063 / 1.4935645 , Bibcode 2015AIPA .... 5k7119S , læs online )
(in) Tadashi Takenaka , " Chapter 6.2 - Lead-Free Piezoelectric Ceramics " , Handbook of Advanced Ceramics (Anden udgave) , 2013, s. 429-446 ( DOI 10.1016 / B978-0-12-385469-8.00025-3 , læs online )
(i) M. Karimi-Jafari, K. Kowal E. Ul-Haq og SAM Tofail , " 3,22 Spark Plasma Sintring af blyfri Ferroelectric keramiske lag " , Comprehensive Finishing Materialer , vol. 3, 2017, s. 347-357 ( DOI B978-0-12-803581-8.09203-1 , læs online )
(i) A. von Hippel , " ferroelectricity, Domænestruktur og faseovergange af Bariumtitan " , Reviews of Modern Physics , Vol. 22, nr . 3, Juli 1950, s. 221-237 ( DOI 10.1103 / RevModPhys.22.221 , Bibcode 1950RvMP ... 22..221V , læs online )
(in) J. Shieh, JH Yeh Shu YC og JH Yen , " Hysterese Behaviors of barium titanate single crystals based on the operation of multiple switching systems 90 " , Materials Science and Engineering: B , vol. 161, n knogle 1-3, 15. april 2009, s. 50-54 ( DOI 10.1016 / j.mseb.2008.11.046 , læs online )
Geneviève Godefroy, " Ferroelectricity " , tekniske udgaver af ingeniøren , 10. september 1996(adgang til 5. september 2020 ) .
(i) J. Rouquette, J. Haines, V. Bornand, Mr. Pintard, Ph. Papet, C. Bousquet, L. Konczewicz FA Gorelli og S. Hull , " Pressure tuning af scenen grænse i morphotropic piezoelektriske bly zirconate titanate ” , Physical Review B , bind. 70, nr . 1, Juli 2004, artikel nr . 014108 ( DOI 10.1103 / PhysRevB.70.014108 , Bibcode 2004PhRvB..70a4108R , læs online )
(i) Pingsheng Tang DJ Towner, T. Hamano, G Meier og BW Wessels , " elektrooptisk modulation op til 40 GHz i et bariumtitanat tynd film waveguide modulator " , Optics Express , Vol. 12, nr . 24, november 2004, Artikel nr . 5962 ( PMID 19488237 , DOI 10.1364 / opex.12.005962 , bibcode 2004OExpr..12.5962T , læs online )
(i) Giada Graziana Genchi, Attilio Marino, Antonella Rocca, Virgilio Mattoli og Gianni Ciofani , " bariumtitanatpartikler nanopartikler: Multitasking lovende vektorer i nanomedicin " , nanoteknologi , vol. 27, nr . 23, 10. juni 2016, artikel nr . 232001 ( PMID 27145888 , DOI 10.1088 / 0957-4484 / 27/23/232001 , Bibcode 2016Nanot..27w2001G , læs online )