Optique : des céramiques YAG synthétisées à partir d’un verre !

Résultats scientifiques
Matériaux

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 ont synthétisé une céramique nanostructurée YAG-alumine transparente par un procédé original, simple et économique : la cristallisation à pression ambiante d’un verre de même composition. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.

 

Plébiscité pour son utilisation dans les diodes électroluminescentes et les lasers solides, le grenat d’yttrium et d’aluminium, communément désigné par son acronyme anglais YAG (Yttrium Aluminium Garnet), est un matériau cristallin de choix dans le domaine de l’optique. Dopé 1 par des terres rares, il permet notamment d’amplifier la lumière qui le traverse. Des chercheurs du laboratoire CEMHTI (Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation - 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 à haute température. Cependant, la forme et le taux de dopage du cristal 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 à haute pression et haute température, procédé sensible et complexe, difficilement transposable en production industrielle de masse.

Les chercheurs ont contourné cette technique de frittage très contraignante et mis au point un procédé de cristallisation nanométrique et contrôlée d’un verre, sous pression atmosphérique. La céramique ainsi obtenue, de même composition que le verre de départ, présente une structuration organisée autour de cristaux de YAG d’environ 30 nm et séparés par de l’alumine nanocristalline. Cette nanostructuration lui confère la transparence ainsi qu’une dureté de 10 % supérieure à celle des monocristaux de YAG, pour un rendement de luminescence comparable. La combinaison 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, des lentilles optiques et des diodes électroluminescentes (LED) à lumière blanche.

 

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 blanche de cette céramique dopée au cérium après intégration dans un dispositif de diodes électroluminescentes (droite). ©Mathieu Allix
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 blanche de cette céramique dopée au cérium après intégration dans un dispositif de diodes électroluminescentes (droite).

©Mathieu Allix

 

 

 

Référence

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.

  • 1. Le dopage consiste à ajouter certains éléments chimiques en petites quantités à un matériau, afin d’en améliorer les propriétés.

Contact

Mathieu Allix
Chercheur (UPR3079 CEMHTI)
Sophie Félix
Chargée de communication
Stéphanie Younès
Responsable Communication
Christophe Cartier dit Moulin
INC & Institut parisien de chimie moléculaire