La structure fine de la titanite de baryum, une alternative potentielle à la titanite de plomb, a été révélée par des chercheurs utilisant une nouvelle technique sur la période extrêmement courte pendant laquelle se produisent les phénomènes ferroélectriques rencontrés par ces matériaux. L'enquête devrait permettre d'approfondir l'exploration de la façon de remplacer le titanate de plomb par d'autres matériaux, afin que son applicabilité généralisée puisse être appréciée tout en évitant son rôle dans la pollution par le plomb.

Des chercheurs japonais ont utilisé un roman, technique ultra-rapide pour explorer la structure fine d'un potentiel matériau alternatif au titanate de plomb, un matériau ferroélectrique largement utilisé pour les capteurs dans de nombreux appareils de tous les jours. Comprendre cette structure nous rapproche un peu plus de l'élimination de ces dernières sources de pollution au plomb.

L'étude est parue dans la revue Material Science Journal Acta Materialia le 21 janvier.

Les matériaux ferroélectriques sont utilisés dans une large gamme d'applications pratiques, des condensateurs aux cellules mémoire, échographie médicale au stockage et aux affichages de données. Ces matériaux ont une polarisation spontanée, ou direction, de leurs électrons qui peuvent être commutés via l'application d'un champ électrique, appelé ferroélectricité.

À l'échelle mondiale, la société reconnaît de plus en plus la nécessité de réduire la pollution de toutes les activités et de tous les appareils, mais pour faire avancer cet objectif, une compréhension encore plus approfondie de la structure de nombreux matériaux actuellement utilisés doit d'abord être atteinte. Parmi la très grande famille des divers matériaux ferroélectriques, le titanate de plomb est couramment utilisé dans les capteurs qui mesurent la pression, accélération, Température, souche, ou la force dans une série d'appareils courants. Il a été démontré depuis longtemps que la pollution au plomb est extrêmement dommageable pour le cerveau humain, et bien que la plupart des juridictions aient interdit le plomb dans la peinture et l'essence, la quête pour développer des matériaux alternatifs pour de tels dispositifs reste à compléter.

Certaines recherches ont été effectuées sur les titanates de pérovskite, une famille de matériaux ferroélectriques associant l'oxyde de titane (TiO) à l'un ou l'autre du plomb, baryum, strontium ou calcium. Le préfixe pérovskite décrit simplement la structure cristalline, chacun dont les membres de la famille se partagent. Une structure cristalline commune signifie à son tour que le plomb pourrait potentiellement être remplacé par le baryum moins dangereux pour l'environnement (en raison de leurs ions ayant une taille et une charge similaires).

Cette recherche antérieure avait identifié un lien clair entre l'hybridation des orbitales électroniques des différents atomes constitutifs du titanate de pérovskite et ses propriétés ferroélectriques.

"L'étape suivante consistait donc à réaliser d'une manière ou d'une autre une observation directe de l'état de ces électrons lorsque le champ électrique était appliqué, " déclare Nobuo Nakajima de la Graduate School of Advanced Science and Engineering de l'Université d'Hiroshima, un co-auteur de l'étude. "Cela nécessitait des observations ultra-rapides."

L'équipe a donc combiné la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) avec une approche résolue en temps. XAS implique l'interaction d'un rayon X avec les électrons du noyau profond d'un atome plutôt que ses électrons externes (ou de valence). La mesure de cette interaction permet de décrire la structure fine du matériau. Une approche résolue en temps implique l'utilisation de cette technique pour étudier les changements dynamiques dans le matériau sur le genre d'échelles de temps extrêmement courtes dans lesquelles des phénomènes tels que l'inversion de polarisation ferroélectrique se produisent. Il permet aux chercheurs de détecter les moindres changements de spectres et d'états électroniques sous champs électriques. La combinaison des deux techniques a été réalisée pour la première fois, sur titanate de baryum.

Les chercheurs ont découvert qu'en plus de l'hybridation orbitale entre le titane et l'oxygène qui avait déjà été identifiée, un effet similaire a été repéré entre le baryum et l'état des électrons de titane. Cela a également contribué à l'inversion de polarisation dans le titanate de baryum.

Ils espèrent que leur nouvelle technique appliquée à un titanate de pérovskite parallèle pourrait fournir des indices sur ce qu'ils décrivent comme la "nature cachée" du titanate de plomb, et rapprocher le monde de l'élimination de la pollution au plomb.