Base de connaissances

Benavides-Guerrero, J.A.; Gerlein, L.F.; Angel-Ospina, A.C.; Fourmont, P.; Bhattacharya, A.; Zirakjou, A.; Vaussenot, F.; Ross, C.A.; Cloutier, S.G. (2025). Room-temperature laser crystallization of oxygen vacancy-engineered zirconia for additive manufacturing. Additive Manufacturing, vol. 111, 2025, 104969.

Nous démontrons comment des lacunes d’oxygène conçues de manière stratégique permettent la cristallisation de la zircone (ZrO₂) par laser à température ambiante, en air. Notre synthèse sol-gel par chélation produit des nanoparticules de ZrO₂ amorphes présentant une forte concentration de lacunes d’oxygène, qui modifient fondamentalement le paysage énergétique du matériau. Ces défauts créent des états sous la bande interdite, facilitant l’absorption de la lumière visible et réduisant drastiquement la barrière énergétique de cristallisation. Sous irradiation laser de faible énergie (405–532 nm), les lacunes d’oxygène médiatisent un mécanisme rapide de transformation de phase dans lequel l’oxygène atmosphérique interagit avec les sites vacants, déclenchant des réarrangements ioniques et la cristallisation sans recourir à des procédés conventionnels à haute température. À des fins de comparaison, cette étude examine également la cristallisation thermique de la zircone noire en atmosphère oxydante, un procédé généralement réalisé sous vide ou en conditions inertes. Grâce à une caractérisation approfondie (FTIR, RPE, XPS, DRX, Raman), nous établissons que la cristallisation médiée par les lacunes conduit à de la ZrO₂ monoclinique avec conservation des structures défectueuses, donnant naissance à une phase noire distinctive présentant une concentration de lacunes d’oxygène de 25,6 %, nettement supérieure à celle des matériaux traités thermiquement (9,2 %). Cette cristallisation activée par les défauts évite le recours aux températures extrêmes (> 1170 °C) habituellement requises pour le traitement de la ZrO₂, la rendant compatible avec la fabrication additive. À l’aide d’une imprimante 3D modifiée équipée d’un laser de 405 nm, nous démontrons la cristallisation localisée d’architectures complexes, ouvrant de nouvelles perspectives pour la fabrication de dispositifs avancés à base de ZrO₂ destinés à la photocatalyse, aux piles à combustible et aux applications énergétiques. Ce travail apporte des connaissances fondamentales sur les transformations de phase médiées par les défauts et établit un nouveau paradigme pour le traitement des céramiques à température ambiante.

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