Chapitre 1 : Matériau TiO2
1.1 Introduction
Le titane (Ti) est le dixième élément le
plus abondant de la croute terrestre (0.63 %) [a] et par conséquent ses
oxydes, dont le TiO2, sont présents dans beaucoup de minéraux,
dont de nombreux silicates. Plus d'une cinquantaine de minéraux
possèdent ainsi des teneurs en TiO2 (matériau transparent / bleu
pâle) supérieures à 1 % dont l'ilménite et le
rutile. Malgré cette richesse naturelle, le TiO2, abondamment
employé comme pigment blanc dans les peintures, les cosmétiques
ou la papeterie, est synthétisé industriellement ce qui permet de
l'obtenir à des coûts très bas. Le TiO2 peut être
synthétisé comme un cristal simple, poudre, céramique et
couche mince. Cette dernière forme cristalline est celle adoptée
dans notre recherche.
1.2 Structure cristalline
Contrairement aux autres oxydes, l'oxyde de titane compte
plusieurs polymorphes. Jusqu'à présent, huit sont
répertoriés, à savoir : rutile, anatase, brookite, bronze
(TiO2-B) [1], columbite (TiO2-II, srilankite ou bien TiO2 type ?-PbO2) [2],
hollandite (TiO2-H) [3], ramsdellite (TiO2-R) [4] et baddeleyite (TiO2-III)
[5].
Les trois premiers étant les principaux. Le rutile est
l'espèce la plus commune, formée typiquement dans une large gamme
de pressions et de températures ; l'anatase est le polymorphe de basse
température tandis que la brookite est plus rare.
Néanmoins, dans des conditions de pression et de
température particulières, les cinq autres formes ont
été observées. En effet, la présence de
l'espèce (TiO2-B), qui a été en premier
synthétisée et caractérisée au laboratoire par L.
Brohan en 1980 [6] a été rapportée récemment dans
le minerai de perovskite [7], dans les Tektites (débris de roches
vitrifiés formés après impact de météorites
ou de comètes avec le sol terrestre) [8] et sous forme de lamelle
associée à l'anatase dans des veines hydrothermales [9]. Les
quatre autres variétés qui restent : la ramsdellite (TiO2-R), la
columbite (TiO2-II), la hollandite (TiO2-H) et la baddeleyite (TiO2-III) ont
été obtenues soit par des réactions topotactiques
(hollandite et ramsdellite) ou par traitement à haute température
de l'anatase ou du rutile (columbite et baddeleyite) [10, 11, 12, 13].
Par exemple, à haute pression, i.e. plus que 10 Gpa, la
structure baddeleyite apparaît [14]. Alors que le srilankite a
été accru par épitaxie atomique de couche à partir
de TiCl4 et H2O [15].
Dans toutes ces variétés, à l'exception
de la baddeleyite, le titane est trouvé en coordinence
octaédrique (octaèdres TiO2) (voir Fig.1.1). Les réseaux
tridimensionnels de chaque variété ne diffèrent que par le
mode d'agencement des octaèdres TiO6 qui peuvent être
reliés entre eux par
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