Optique: des céramiques YAG synthétisées à partir d'un verre !
Publié par Redbran le 02/05/2018 à 12:00
Source: CNRS-INC
Couramment utilisés pour leurs excellentes propriétés optiques, les matériaux à base de grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG) nécessitent cependant des procédés d'élaboration complexes, peu flexibles et souvent très coûteux. Des chercheurs du laboratoire CEMHTI (CNRS/Université d'Orléans) et de l'Institute of Process Engineering de Pékin (Pékin (ou Beijing) (?? ; pinyin : B?ij?ng   Écouter la prononciation en mandarin , « la capitale du nord ») est la capitale...) ont synthétisé une céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une transformation physico-chimique irréversible au...) nanostructurée YAG-alumine transparente par un procédé original, simple et économique: la cristallisation à pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) ambiante d'un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium...) de même composition. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.


Image par microscopie électronique en transmission de la nanostructure de la céramique transparente Y2O3-Al2O3: nanocristaux de YAG entourés d'alumine cristalline (gauche). Photographie de la céramique (diamètre 4,5 mm) placée 2 cm au-dessus du texte et émission de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) blanche de cette céramique dopée au cérium après intégration dans un dispositif de diodes électroluminescentes (droite).
©Mathieu Allix

Plébiscité pour son utilisation dans les diodes électroluminescentes et les lasers solides, le grenat d'yttrium et d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec...), communément désigné par son acronyme anglais YAG (Yttrium Aluminium Garnet), est un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) cristallin de choix dans le domaine de l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Dopé(1) par des terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.), il permet notamment d'amplifier la lumière qui le traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et...). Des chercheurs du laboratoire CEMHTI (Conditions Extrêmes et Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.): Haute Température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) et Irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha,...) - CNRS/Université d'Orléans), associés à leurs collègues de l'Institute of Process Engineering de Pékin, ont développé une méthode simple d'élaboration d'une céramique transparente nanostructurée à base de YAG. Cette méthode originale pourrait concurrencer les techniques industrielles actuelles, peu flexibles et coûteuses.

Le YAG disponible sur le marché est généralement de type monocristal, élaboré par croissance cristalline à partir d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) à haute température. Cependant, la forme et le taux de dopage du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de...) ainsi obtenu sont peu flexibles et ce mode de synthèse est onéreux. Pour pallier ces contraintes, des céramiques transparentes de YAG ont été synthétisées à partir de précurseurs nanométriques. Cette approche nécessite néanmoins un frittage (Bien qu'il n'existe pas de définition du frittage faisant l’unanimité, il peut être décrit comme une consolidation d'un matériau (par exemple une poudre), obtenue en...) à haute pression et haute température, procédé sensible et complexe, difficilement transposable en production industrielle de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...).

Les chercheurs ont contourné cette technique de frittage très contraignante et mis au point (Graphie) un procédé de cristallisation nanométrique et contrôlée d'un verre, sous pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.). La céramique ainsi obtenue, de même composition que le verre de départ, présente une structuration organisée autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les...) de cristaux de YAG d'environ 30 nm et séparés par de l'alumine nanocristalline. Cette nanostructuration lui confère la transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière :...) ainsi qu'une dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) de 10 % supérieure à celle des monocristaux de YAG, pour un rendement de luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui elle est chaude.) comparable. La combinaison (Une combinaison peut être :) de ces performances optiques et mécaniques, couplée à une méthode d'élaboration innovante, simple et économique, ouvre des perspectives très prometteuses à cette céramique transparente, en particulier un fort potentiel d'application dans les domaines de la joaillerie (La joaillerie est étymologiquement l'art de fabriquer des joyaux, et plus largement des objets de parure mettant en valeur principalement les pierres précieuses, les pierres fines, les pierres ornementales et les perles, en utilisant...), des lentilles optiques et des diodes électroluminescentes (LED) à lumière blanche.

Note:
(1) Le dopage consiste à ajouter certains éléments chimiques en petites quantités à un matériau, afin d'en améliorer les propriétés.


Référence publication:
Xiaoguang Ma, Xiaoyu Li, Jianqiang Li, Cécile Genevois, Bingqian Ma, Auriane Etienne, Chunlei Wan, Emmanuel Véron, Zhijian Peng, Mathieu Allix
Pressureless glass crystallization of transparent yttrium aluminum garnet-based nanoceramics
Nature Communications – Mars 2018
DOI: 10.1038/s41467-018-03467-7.

Contact chercheur:
Mathieu Allix, CEMHTI UPR3079, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) d'Orléans
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