Quelles sont les principales propriétés du titanate de baryum et de strontium ?

Le titanate de baryum et de strontium (BST) est un composé qui forme une solution solide entre deux oxydes pérovskites, le titanate de baryum (BaTiO₃) et le titanate de strontium (SrTiO₃). La combinaison de ces matériaux permet d'obtenir un matériau polyvalent qui présente une large gamme de propriétés physiques, électriques et mécaniques. La BST est largement étudiée pour sa constante diélectrique élevée, son comportement ferroélectrique et ses propriétés piézoélectriques, qui en font un matériau précieux pour les condensateurs, les capteurs, les actionneurs et les dispositifs de mémoire.

La possibilité d'adapter les propriétés de la BST en ajustant le rapport entre le baryum et le strontium permet aux ingénieurs de créer des matériaux optimisés pour des applications spécifiques. Qu'il s'agisse de télécommunications à haute fréquence, de dispositifs de stockage d'énergie ou de technologies de capteurs avancées, la BST offre un large éventail de possibilités d'avancées technologiques.

Au Pôle Céramique avancéeNous sommes spécialisés dans les produits de titanate de baryum strontium (BST) de haute qualité, garantissant des performances optimales pour les applications industrielles et scientifiques.

Qu'est-ce que le titanate de baryum et de strontium ?

Titanate de baryum et de strontium (BST) est un céramique ferroélectrique dont la formule chimique est BaₓSr₁₋ₓTiO₃où x détermine son comportement de transition de phase. Il combine les propriétés de titanate de baryum (BaTiO₃) et titanate de strontium (SrTiO₃), offrant diélectrique, piézoélectrique et pyroélectrique accordable caractéristiques essentielles pour l'électronique de pointe.

Composition et structure du titanate de baryum et de strontium

La composition de la BST est déterminée par le rapport entre le titanate de baryum (BaTiO₃) et le titanate de strontium (SrTiO₃). Ce rapport peut être modifié pour créer un matériau aux propriétés souhaitées, ce qui offre une approche flexible de la conception des matériaux. La structure cristalline de la BST est basée sur le réseau de la pérovskite, qui est très stable et fournit de nombreuses propriétés remarquables du matériau.

La structure de la pérovskite se compose d'ions de titane au centre d'un octaèdre entouré d'ions d'oxygène. Les ions baryum et strontium occupent les coins des octaèdres, ce qui confère à la structure une forme symétrique et très ordonnée. Le rapport spécifique entre le baryum et le strontium affecte les paramètres du réseau et la symétrie, influençant ainsi les comportements diélectrique et ferroélectrique du matériau.

1. Composition chimique

✅General Formula : BaₓSr₁₋ₓTiO₃

✅x = 0 à 1 (ajuste la température de transition de phase et les propriétés diélectriques)

✅Compositions courantes:

• Ba-rich (x > 0,7): Ferroélectrique à température ambiante (polarisation élevée).
• Riche en Sr (x < 0,3): Paraélectrique (accordabilité diélectrique élevée).
• Intermédiaire (x ≈ 0.5): Propriétés équilibrées pour les applications RF/micro-ondes.

✅Effets de dopage :

Dopant	Effet sur les propriétés de la BST	Applications
Nb⁵⁺⁺ (en anglais)	↑ Conductivité, ↓ perte diélectrique	Condensateurs accordables
Mn²⁺/Mn³⁺ (en anglais)	↓ Courant de fuite	Dispositifs RF de haute puissance
La³⁺	Adoucit la ferroélectricité	Stockage de la mémoire

2. Structure cristalline

✅Réseau pérovskite (type ABO₃):

• A-site: Ba²⁺/Sr²⁺ (cations de grande taille coordonnés à 12)
• Site B: Ti⁴⁺ (petit cation à 6 coordinations)
• O-site: O²- (forme une coordination octaédrique avec Ti)

✅Transitions de phase:

Phase	Structure	Plage de température	Propriétés
Cubique	Pm 3m (Paraelectric)	> T꜀	εᵣ élevé, faible perte
Tétragonale	P4mm (Ferroélectrique)	En dessous de T꜀	Polarisation spontanée
Orthorhombique	Amm2 (Ferroélectrique)	Intermédiaire	Sensible à la contrainte

Température de Curie (T꜀): Réglable en fonction du rapport Ba/Sr (par exemple, Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃ a T꜀ ≈ 250K).

Composition et propriétés

Composition	Propriétés
BaTiO₃ pur (100% Ba)	Propriétés ferroélectriques élevées, constante diélectrique élevée
SrTiO₃ pur (100% Sr)	Constante diélectrique plus faible, plus grande stabilité, meilleure performance à haute fréquence
Composition mixte	Constante diélectrique accordable, comportement ferroélectrique réglable

Comparaison avec d'autres pérovskites

Matériau	Structure	Principale différence par rapport à la BST
BaTiO₃	Tétragonale	T꜀ plus élevée (~400K)
SrTiO₃	Cubique	Pas de ferroélectricité à température ambiante
PZT	Rhomboédrique	Plus d₃₃ (piézo)

Titanate de baryum et de strontium (BaₓSr₁₋ₓTiO₃, BST) est un céramique pérovskite polyvalente renommée pour ses propriétés diélectriques, ferroélectriques et piézoélectriques accordables. En ajustant le Rapport Ba/SrLes transitions de phase et les comportements fonctionnels de la BST peuvent être conçus avec précision pour des applications allant du Filtres accordables 5G à dispositifs de mémoire à haute densité. Ci-dessous, nous explorons son caractéristiques de performance clés.

Propriétés électriques de Baryum Strontium Titanate

L'une des caractéristiques les plus remarquables du titanate de baryum et de strontium réside dans ses propriétés électriques, notamment sa constante diélectrique élevée, sa ferroélectricité et sa piézoélectricité. Ces propriétés font du BST un matériau très efficace pour les condensateurs, les capteurs et les dispositifs de mémoire.

1. Réponse diélectrique accordable :

La BST est connue pour sa constante diélectrique élevée, ce qui signifie qu'elle peut stocker une grande quantité de charge électrique par rapport à son volume. La constante diélectrique peut être ajustée en faisant varier le rapport entre BaTiO₃ et SrTiO₃. À température ambiante, la BST a une constante diélectrique élevée, ce qui est avantageux pour son utilisation dans les condensateurs qui nécessitent une capacité de stockage de charge élevée.

Propriété	BST (Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃)	Importance
Constante diélectrique (εᵣ)	200-1 000 (à 1 MHz)	Capacité de stockage de charge élevée
Accordabilité (Δεᵣ/εᵣ₀)	Jusqu'à 70% (sous tension continue)	Permet l'utilisation de dispositifs à tension contrôlée
Tangente de perte (tan δ)	0,002-0,02 (à GHz)	Faible dissipation d'énergie dans les circuits RF

2. Polarisation ferroélectrique :

La BST présente un comportement ferroélectrique, ce qui signifie qu'elle peut maintenir un état de polarisation permanent même en l'absence d'un champ électrique externe. Cette propriété est cruciale pour des applications telles que les mémoires non volatiles, où la charge stockée doit rester intacte en l'absence d'une alimentation électrique continue.

Paramètres	BST (x = 0,7)	BST (x = 0,3)
Polarisation rémanente (Pᵣ)	5-10 µC/cm²	~0 (paraélectrique)
Champ coercitif (E꜀)	1-3 kV/cm	N/A

Hystérésis en fonction de la composition:

• Ba-rich (x > 0,7): Ferroélectrique à température ambiante (utilisable en mémoire non volatile).
• Riche en Sr (x < 0,3): Paraélectrique avec Accordabilité εᵣ linéaire (idéal pour les réglages RF).

3. Piézoélectricité

La BST est également piézoélectrique, c'est-à-dire qu'elle génère une charge électrique lorsqu'elle est soumise à une contrainte mécanique. Cette propriété la rend utile dans des applications telles que les capteurs et les actionneurs à ultrasons, où la déformation mécanique est convertie en un signal électrique.

✅Coefficients piézoélectriques:

Paramètres	BST riche en Ba (x > 0,7)	BST riche en Sr (x < 0,3)
d₃₃ (pC/N)	50-200	<5 (négligeable)
d₃₁ (pC/N)	De -20 à -80	~0
kₜ (coefficient de couplage)	0.3-0.5	<0.1

Mécanisme:

• Ba-rich BST: Ferroélectrique phase tétragonale permet Déplacement des ions Ti⁴⁺ sous contrainte → piézoélectricité.
• Sr-rich BST: Cubique phase paraélectrique absence de polarisation spontanée → réponse minimale.

✅Comparaison avec les piézoélectriques classiques:

Matériau	d₃₃ (pC/N)	T꜀ (°C)	Meilleur cas d'utilisation
BST (x=0,8)	150	30	Capteurs accordables
PZT-5A	374	365	Actionneurs à force élevée
AlN	5.5	>2000	Filtres RF

Avantage BST: Tension réglable d₃₃ (par modulation εᵣ) → Transducteurs adaptatifs.

4. Courant de fuite et rupture

Facteur	Impact sur la BST	Solution
Offres d'emploi d'Oxygen	↑ Fuite	Dopage Mn/Nb
Limites du grain	↓ Tension de rupture	Films nanocristallins
Épaisseur du film	Plus mince = ↑ Tolérance de champ	Dépôt optimisé

Performances typiques:

• Courant de fuite: 10-⁷-10-⁵ A/cm² (à 100 kV/cm)
• Champ de rupture: 500-1000 kV/cm (bulk), 1-3 MV/cm (couches minces)

5. Comportement dépendant de la fréquence

Gamme MHz-GHz:

• εᵣ accordabilité diminue avec la fréquence (les contributions de la paroi du domaine s'estompent).
• Optimal pour 1-10 GHz (applications 5G/mmWave).

Gamme THz:

• La détection pyroélectrique est possible (par exemple, imagerie de sécurité).

Comparaison avec les matériaux concurrents

Matériau	εᵣ Accordabilité	tan δ (10 GHz)	Meilleur cas d'utilisation
BST	★★★★★ (70%)	★★★☆ (0.01)	Dispositifs RF accordables
PZT	★★☆☆☆ (5%)	★☆☆☆ (0.05)	Actionneurs/capteurs
STO	★★★★☆ (30%)	★★★★ (0.005)	Substrats quantiques

Propriétés thermiques du baryum strontium Titanate

Titanate de baryum et de strontium (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) expose comportement thermique dépendant de la compositionIl est donc essentiel que les électronique stable en température, dispositifs accordables et capteurs thermiques. Voici ses principales caractéristiques thermiques :

• Stabilité à haute température: Le BST conserve ses propriétés électriques et mécaniques à des températures élevées, ce qui est crucial pour les applications dans des environnements où les températures sont fluctuantes ou élevées. Le matériau peut supporter des températures allant jusqu'à plusieurs centaines de degrés Celsius sans subir de dégradation significative de ses performances.
• Conductivité thermique: Le BST a une bonne conductivité thermique, ce qui lui permet de dissiper efficacement la chaleur. Ceci est particulièrement important dans le domaine de l'électronique de haute performance où la gestion de la production de chaleur est une préoccupation essentielle.
• Transitions de phase: À des températures spécifiques, la BST subit des transitions de phase entre les structures tétragonale et cubique. Ces changements de phase peuvent affecter les propriétés diélectriques et ferroélectriques du matériau, qui sont importantes lors de la conception de dispositifs destinés à être utilisés dans des environnements à différentes températures.

1. Transitions de phase et température de Curie (T꜀)

Composition (Ba:Sr)	εᵣ stable sur une large plage	T꜀ (K)	Stabilité thermique
Ba₀.₈Sr₀.₂TiO₃	Ferroélectrique (tétragonal)	~350	Pic εᵣ prononcé à T꜀
Ba₀.₅Sr₀.₅TiO₃	Proche de la limite de phase	~250	Anomalie diélectrique large
Ba₀.₂Sr₀.₈TiO₃	Paraélectrique (cubique)	<50	εᵣ stable sur une large plage

2. Effets de la dilatation thermique et de la déformation

Propriété	BST (Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃)	Impact sur les performances
CTE (×10-⁶/K)	9-11 (25-500°C)	Mauvaise adaptation au Si (3.5) → Risque de fissuration du film
Désadaptation du substrat Contrainte	Jusqu'à 0,5% (sur MgO)	Peut améliorer l'accordabilité εᵣ ou provoquer une délamination

Stratégies d'atténuation:
✔ Couches tampons (par exemple, LaAlO₃) pour la croissance de couches minces
✔ Compositions notées pour réduire le stress thermique

3. Conductivité thermique et diffusivité

Propriété	BST (en vrac)	BST (couche mince)
κ (W/m-K)	2-3	1-2 (amorphe)
D (mm²/s)	0.5-0.8	0.3-0.5

Implications:

• Faible κ limite les applications à haute puissance (problèmes de dissipation thermique).
• Film κ est encore réduite par les joints de grains et les défauts.

4. Stabilité à haute température

Environnement	Comportement de la BST	Mode de défaillance
Air (≤800°C)	Stable	Perte d'oxygène >900°C
Vide (≤600°C)	Ti⁴⁺ → Ti³⁺ réduction	Augmentation des fuites

Solutions:

• Dopage Mn/Nb supprime la formation de lacunes dans l'oxygène.
• Encapsulation (par exemple, revêtement Al₂O₃) pour les environnements difficiles.

Comparaison avec d'autres ferroélectriques

Matériau	T꜀ (°C)	CTE (×10-⁶/K)	κ (W/m-K)	Meilleur cas d'utilisation thermique
BST (x=0,6)	-23	10	2.5	Filtres RF accordables
PZT	365	4-6	1.2	Actionneurs High-T
STO	-250	9.4	12	Substrats cryogéniques

Avantage BST: T꜀ sur mesure pour plages de fonctionnement spécifiques.

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Propriétés mécaniques de Titanate de baryum et de strontium

Titanate de baryum et de strontium (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) expose comportement mécanique dépendant de la composition, critique pour les les dispositifs à couche mince, les capteurs MEMS et l'électronique durable. Voici ses principales caractéristiques mécaniques :

• Dureté et résistance: La BST est relativement dure et peut résister aux contraintes mécaniques. Sa capacité à supporter la pression lui permet d'être utilisé dans des applications où la durabilité est requise, comme dans les composants structurels des appareils électroniques.
• Module d'élasticité: La BST a un module d'élasticité élevé, ce qui signifie qu'elle est rigide et résistante à la déformation. Cette propriété est particulièrement utile dans les applications piézoélectriques où le matériau doit conserver sa forme et sa structure tout en convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique.
• Résistance à la rupture: Bien que le BST soit un matériau céramique et qu'il soit intrinsèquement fragile, il présente une bonne ténacité à la rupture, ce qui signifie qu'il peut résister à la propagation de fissures sous l'effet d'une contrainte.

1. Module d'élasticité et dureté

Propriété	BST (en vrac)	BST (couche mince)	Importance
Module de Young (E)	120-160 GPa	80-120 GPa (effets de la contrainte du film)	Détermine la rigidité
Dureté Vickers (HV)	5-7 GPa	4-6 GPa	Résistance aux rayures et à l'usure
Rapport de Poisson (ν)	0.25-0.30	0.20-0.25	Distribution des contraintes

Note:

• Exposition de films inférieur E en raison des joints de grains et des défauts.
• Compositions riches en Ba sont légèrement plus durs (force de liaison Ti-O plus élevée).

2. Résistance à la rupture et fragilité

Paramètres	BST (en vrac)	Comparaison (Al₂O₃ / Si)
Résistance à la rupture (K꜀c)	1,0-1,5 MPa√m	Al₂O₃: 3-4 MPa√m
Résistance à la flexion	80-120 MPa	Si : 1-3 GPa (mais fragile)

✔Défis:

• Faible K꜀c → Susceptible de se fissurer sous l'effet de contraintes mécaniques/thermiques.
• Nature fragile limite l'utilisation dans les environnements à fort impact.

✔Solutions:

• Dopage (Mn, Mg) affiner la structure du grain
• Composites polymères pour l'électronique flexible

Comparaison avec d'autres céramiques

Matériau	E (GPa)	K꜀c (MPa√m)	Meilleur cas d'utilisation mécanique
BST	140	1.2	MEMS RF accordables
PZT	70	0.9	Actionneurs à contraintes élevées
AlN	330	2.5	Transducteurs à ultrasons

Compromis de la BST:

• Plus doux que l'AlN mais offre rigidité réglable sur le terrain.
• Plus fragile que le PZT mais avec perte diélectrique plus faible.

Propriétés magnétiques des Baryum Strontium Titanate

Titanate de baryum et de strontium (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) est principalement connue pour son propriétés ferroélectriques et diélectriquesmais il présente également comportement magnétique faible dans des conditions spécifiques. Voici une analyse détaillée de ses caractéristiques magnétiques :

Comportement magnétique intrinsèque:

Propriété	BST (BaₓSr₁₋ₓTiO₃)	Notes
Dominance diamagnétique	χ ≈ -10-⁷ à -10-⁶ (SI)	Sensibilité faible et négative
Contribution paramagnétique	χ ≈ +10-⁶ (si dopé avec Mn/Fe)	À partir d'électrons 3d non appariés
Ordre ferromagnétique	Aucune (BST non dopée)	Nécessite un dopage aux métaux de transition

Note:

• Le BST pur est non magnétique (diamagnétique).
• Dopage avec Mn²⁺/Fe³⁺ introduit un paramagnétisme localisé mais pas d'ordre à longue portée.

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Principales applications du titanate de baryum et de strontium

La combinaison unique de propriétés électriques, thermiques et mécaniques fait du titanate de baryum et de strontium (BST) un matériau idéal pour de nombreuses applications de haute technologie. Parmi les utilisations courantes du BST, on peut citer

• Condensateurs: La constante diélectrique élevée de la BST en fait un candidat idéal pour les condensateurs, en particulier dans les applications à haute fréquence telles que les télécommunications.
• Dispositifs de mémoire: Les propriétés ferroélectriques de la BST lui permettent d'être utilisée dans des dispositifs de mémoire non volatile qui conservent les données sans alimentation. Ces propriétés sont particulièrement précieuses dans des dispositifs tels que la FeRAM (Ferroelectric RAM).
• Capteurs et actionneurs: Les propriétés piézoélectriques de la BST lui permettent de convertir une contrainte mécanique en un signal électrique et vice versa, ce qui la rend utile pour les capteurs et les actionneurs dans diverses applications, telles que les capteurs de pression, les capteurs de vibration et les systèmes de contrôle de précision.
• Appareils à micro-ondes: La BST est utilisée dans les applications micro-ondes en raison de sa constante diélectrique élevée et de sa capacité à fonctionner efficacement à des fréquences élevées. Il est utilisé dans des dispositifs tels que les condensateurs accordables et les déphaseurs pour les systèmes de communication.
• Collecte d'énergie: Les propriétés piézoélectriques et ferroélectriques de la BST en font également un candidat potentiel pour les dispositifs de collecte d'énergie, où l'énergie mécanique peut être convertie en énergie électrique.
• Optoélectronique: La BST est étudiée pour être utilisée dans des dispositifs optoélectroniques, tels que les modulateurs de lumière, en raison de ses propriétés diélectriques accordables et de sa capacité à interagir avec les champs électriques et optiques.

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FAQ

Question	Réponse
Qu'est-ce que le titanate de baryum et de strontium (BST) ?	La BST est un matériau céramique doté d'une constante diélectrique élevée et de propriétés ferroélectriques, utilisé dans l'électronique et les capteurs.
Quelles sont les principales applications de la BST ?	La BST est utilisée dans les condensateurs, les dispositifs de mémoire, les capteurs, les actionneurs et les dispositifs à micro-ondes.
Comment la BST améliore-t-elle les performances des condensateurs ?	La constante diélectrique élevée de la BST permet aux condensateurs de stocker plus d'énergie et de fonctionner efficacement à des fréquences élevées.
La BST peut-elle être utilisée pour la collecte d'énergie ?	Oui, les propriétés piézoélectriques de la BST lui permettent de récolter de l'énergie en convertissant l'énergie mécanique en électricité.
La BST est-elle utilisée dans les dispositifs de mémoire ?	Oui, ses propriétés ferroélectriques font de la BST un matériau idéal pour les mémoires non volatiles, telles que la FeRAM.
Quels sont les avantages de la BST dans les capteurs ?	Les propriétés piézoélectriques de la BST lui permettent de détecter efficacement les changements de pression, les vibrations et autres contraintes mécaniques.

En conclusion, le titanate de baryum et de strontium (BST) est un matériau polyvalent doté de propriétés électriques, thermiques et mécaniques exceptionnelles qui lui permettent d'être utilisé dans un large éventail d'applications. Sa constante diélectrique élevée, sa ferroélectricité, sa piézoélectricité et ses caractéristiques accordables ont permis son utilisation dans des technologies critiques telles que les condensateurs, les dispositifs de mémoire, les capteurs et les actionneurs. Alors que nous continuons à explorer de nouvelles frontières dans les technologies de l'électronique et de l'énergie, le rôle de la BST est susceptible de devenir encore plus important. Son importance dans des domaines tels que les télécommunications, la collecte d'énergie et l'optoélectronique met en évidence son potentiel d'innovation dans divers secteurs de haute technologie. Par conséquent, la recherche et le développement en cours dans le domaine de la BST joueront sans aucun doute un rôle crucial dans le façonnement de l'avenir de la technologie moderne.

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