Chapitre 1 : Matériau TiO2
Des matériaux pouvant travailler dans le visible sont
plus souhaitables en termes d'utilisation de la lumière naturelle. En
effet, seulement 5% de la lumière solaire est utilisée dans le
cas de l'anatase [b]. Pour cette raison, le dopage de TiO2 anatase a
été étudié pour déplacer son gap dans le
visible.
Grâce au dopage, on peut translater la bande
d'absorption d'une couche mince et dans notre cas on peut exploiter le domaine
visible de la lumière pour des applications photovoltaïques ou
photocatalytiques.
Il a été montré que le dopage par
différents métaux de transition comme V, Cr, Mn, Fe et Ni, permet
un décalage vers le visible de la bande d'absorption du TiO2. Ce
décalage dépend de la quantité de dopant introduite.
L'efficacité dans le décalage varie comme suit :
V>Cr>Mn>Fe>Ni. Ceci permet d'utiliser la lumière solaire
plus efficacement et ce jusqu'à 20% à 30% de mieux [45,46].
Les propriétés structurales, optiques et
électriques de TiO2 sont présentées dans le tableau 1.1
[47].
Tab. 1. 1 Propriétés physiques de
TiO2
Phase
Rutile
Anatase
Brookite
Propriété
// à l'axe c
// à l'axe c
? à l'axe c
? à l'axe c
// à l'axe a/b // à l'axe c
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Structure
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Quadratique
|
Quadratique
|
Orthorhombique
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Groupe d'espace
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P42/mnm (136)
c = 2.954Å a=b=4,587 Å
|
I41/amd (141)
c = 9.502 Å a=b=3,782
Å
|
Pcab
a=5.46 Å b=9.18 Å c=5.14 Å
|
|
Le plan réticulaire le
plus
stable
|
(110)
|
(101)
|
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Densité
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4.25g/cm3
|
3.89g/cm3
|
4.12g/cm3
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Prop élect
(non dopé)
|
Réactive
non réactive
|
Semi conducteur type N
Instable
(isolant/N--/P--)
|
Semi conducteur type N
Instable (isolant/N/P)
|
|
|
Constante diélectrique
statique å0
(MHz range)
|
173 89
|
48 31
|
78
|
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Indice de réfraction pour
(ë = 600
nm)
|
2.89 2.6
|
2.5 2.55
|
2.57 2.69
|
|
Energie de gap à 10 K [eV]
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3.051 3.035
|
3.46 3.42
|
3.14
|
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Mobilité
électrique
[cm2/Vs]
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Crystal : 0.1-10
Couche mince : 0.1
|
Crystal : 15-550
Couche mince : 0.1-4
|
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Masse effective de
l'électron
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9 -13me
10 - 30me
12 - 32me
|
~1me
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ENIT 2009 11
Chapitre 1 : Matériau TiO2
1.5 Applications
Le dioxyde de titane, dont l'abondance relative
représente 0,44% [c] de l'écorce terrestre est bon marché,
biocompatible, chimiquement inerte, donc très stable et non toxique. On
peut l'utiliser soit sous forme de poudre dans l'eau (destruction de polluants,
pesticides, colorants) avec séparation et recyclage en fin de
traitement, soit sous forme déposée sur support (fibres de verre,
tissus, plaques). Grâce à ces propriétés, ce
matériau semble particulièrement attractif.
Ainsi, la recherche dans divers domaines est consacrée
à l'oxyde de titane sous diverses formes tel que cristal simple,
céramique et couche mince.
1.5.1 Biocompatibilité du TiO2
Le TiO2 présente également une bonne
résistance à la corrosion et une biocompatibilité qui
conduisent à l'utiliser comme revêtement d'implants chirurgicaux
[48]. Il constitue le principal revêtement des prothèses osseuses.
Il a été utilisé même dans le traitement du cancer
(destruction de cellules tumorales et désinfection en raison de ses
propriétés bactéricides : TiO2/UV). En fait, le titane est
utilisé avec succès comme matériel d'implant pour des
applications dentales, orthopédiques, ostéosynthèses et
son oxyde natal est généralement constitué du dioxyde de
titane. Il est utilisé aussi bien dans l'alimentaire et la pharmacie
(additif).
Le TiO2 a aussi un pouvoir dispersant très important
pour les pigments. Par exemple, avec de l'oxyde de titane, on disperse 60% de
TiO2 dans de l'huile de ricin. Cette propriété peut aussi bien
s'appliquer aux filtres UV physiques dans les produits solaires.
Il est donc abondamment utilisé dans le domaine des
cosmétiques : écrans solaires (utilisation de particules
très fines : de 15 à 50 nm), crèmes de soins, laits
corporels, produits capillaires, huiles pour le corps, huiles pour cheveux,
produits de maquillage, rouge à lèvres etc) [c]. La poudre de
TiO2 est aussi utilisée en dentifrice et savons.
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