Synthèse et Etude Physico-chimique de Nouveaux Matériaux Diélectriques, Piézoélectriques à Base de NBT/KBT

Abstract

Ce travail est consacré à la synthèse et la caractérisation des matériaux sans plomb dérivant de (Na0.5 Bi0.5)TiO3 par différentes techniques (états solide, sol-gel et hydrothermale), sous formes de poudres massives. Dans un premier temps, les voies de synthèses ont permis l’obtention de la phase pérovskite de (Na0.5 Bi0.5)TiO3 pur sans aucune détection de phase secondaire. Pour chaque voie de synthèse, différents paramètres influençant la structure ou la forme des micro-objets ont été étudiés. Par optimisation des paramètres de synthèse, il a été possible de réduire la température de la synthèse des (Na0.5 Bi0.5)TiO3 à 200°C seulement, au lieu de 1000°C en méthode de l’état solide. Ainsi, la synthèse hydrothermale a permis de réaliser des grains de grande taille et de morphologie hexagonale en utilisant des oxydes et des carbonates comme matières premières à des températures basses de 200°C. Les propriétés diélectriques ont été mesurées en fonction de la température à des fréquences allant de 500Hz à 2MHz pour l’ensemble de nos céramiques mettant en avant le caractère dispersive de ces derniers. Dans un deuxième temps, le mélange de (Na0.5 Bi0.5)TiO3 avec le BaTiO3 et (K0.5Bi0.5)TiO3 dans des solutions solides binaire et ternaire ont été étudiées par diffraction des rayons X, spectroscopie Raman, microscopie électronique à balayage et spectroscopie d’impédance. L’étude révèle la complexité mais aussi la richesse des phénomènes physiques dans ces familles de composés : les séquences des transitions de phases, l’influence du dopant (Ba2+ et K+) sur les propriétés physico-chimiques des matériaux, la relation étroite entre propriétés diélectriques et caractéristiques structurales. En effet, les caractéristiques cristallines des solides obtenus permettent clairement de distinguer trois domaines selon les valeurs x (Ba2+ et K+), pour les valeurs croissantes de x (≤ 0.03BT et ≤ 0.12KBT) ainsi, Pour les valeurs les plus élevées de x (≥0.08BT et ≥0.20KBT), les solides obtenus sont des solutions solides avec une structure cristalline monophasé. Enfin, entre ces deux domaines (0.05 ≤ xBT ≤ 0,07 et 0.16 ≤ xKBT ≤ 0.20), les solides obtenus sont biphasés de groupe d’espace (R3c + P4bm) formant ainsi la zone morphotropique MPB. La substitution de (Na0.5 Bi0.5)TiO3 par Ba2+ et K+ améliore les propriétés diélectriques là où la solution solide appartenant à la zone MPB possède les meilleures propriétés diélectriques par rapport aux autres solutions solides. Une transition de phase diffuse au sein de l’ensemble de ces composés est toutefois mise en évidence. Par la suite, nous avons déterminé les coefficients électromécaniques KP et K31 des composés obtenus à partir des fréquences de résonance (fr) et anti-résonance (fa) pour chaque température de mesure et en fonction du dopage. D’autre part, les solutions solides ternaire (1-x-y)Na0.5Bi0.5TiO3- xBaTiO3-yK0.5Bi0.5TiO3 ont été élaborées par deux voies de synthèse : la voie de réaction à l'état solide et le processus hydrothermale. Ainsi, nous avons mis en évidence les avantages de la synthèse hydrothermale vis à vis la cristanilité, la taille, la morphologie des grains et les propriétés diélectriques. Finalement, l’une des originalités de ce travail consiste à améliorer l'activité photocatalytique des (Na0.5 Bi0.5)TiO3, à travers des essais paramétriques pour évaluer l'impact de la concentration en masse et du pH du milieu sur la photodégradation du colorant bleu de méthylène (BM).