Иттрий-барий-медный оксид

редактировать
Оксид иттрия, бария, меди
Структура оксида иттрия-бария-меди
Кристалл оксида иттрия-бария-меди
Имена
Название IUPAC оксид бария, меди, иттрия
Другие названия YBCO, Y123, купрат иттрия-бария
Идентификаторы
Номер CAS
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.121.379 Изменить это в Викиданных
Номер EC
  • 619-720-7
PubChem CID
CompTox Dashboard (EPA )
Свойства
Химическая формула YBa 2Cu3O7
Молярная масса 666,19 г / моль
Внешний видЧерное твердое вещество
Плотность 6,3 г / см
Температура плавления >1000 ° C
Растворимость в воде Нерастворимая
Структура
Кристаллическая структура На основе структуры перовскита.
Координационная геометрия Орторомбическая
Опасности
Пиктограммы GHS GHS07: Вредно
Сигнал GHS word Предупреждение
Формулировки опасности GHS H302, H315, H319, H335
Меры предосторожности GHS P261, P264, P270, P271, P280, P301 + 312, P302 + 352, P304 + 340, P305 + 351 + 338, P312, P321, P330, P332 + 313, P337 + 313, P362, P403 + 233, P405, P501
Родственные соединения
Родственные высокотемпературные c. сверхпроводники Купратные сверхпроводники
Родственные соединенияОксид иттрия (III). Оксид бария. Медь (II) оксид
Если не указано иное, данные приведены для материала ls в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☑Y (что такое ?)
Ссылки ink

Иттрий оксид бария-меди (YBCO ) представляет собой семейство кристаллических химических соединений, известных тем, что демонстрирует высокотемпературную сверхпроводимость. Он включает в себя первый из когда-либо обнаруженных материалов, которые становятся сверхпроводящими выше точки кипения жидкого азота (77 K ) примерно при 92 К. Многие соединения YBCO имеют общую формула Y Ba 2Cu 3O 7 − x (также известная как Y123), хотя существуют материалы с другими отношениями Y: Ba: Cu, такими как Y Ba 2Cu 4O y(Y124) или Y 2Ba 4Cu 7O y(Y247). В настоящее время не существует общепризнанной теории высокотемпературной сверхпроводимости.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Синтез
  • 3 Структура
  • 4 Предлагаемые приложения
  • 5 Модификация поверхности
  • 6 Использование любителями
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

История

В апреле 1986 года Георг Беднорц и Карл Мюллер, работавшие в IBM в Цюрихе, обнаружили, что некоторые полупроводниковые оксиды стали сверхпроводящими. относительно высокой температуры, в частности, оксид лантана, бария, меди становится сверхпроводящим при 35 К. Этот оксид был материалом, связанным с перовскитом, который оказался многообещающим и стимулировал поиск родственных соединений с более высокой температуры сверхпроводящего перехода. В 1987 году Беднорц и Мюллер были совместно удостоены Нобелевской премии по физике за эту работу.

После работ Беднорза и Мюллера в 1987 г. Мо-Куен ВуУниверситете Алабамы в Хантсвилле ) и Чу Чинг-уУниверситете Хьюстона ) и их аспиранты Эшберн и Торнг обнаружили, что YBCO имеет критическую температуру сверхпроводящего перехода (T c, которую не следует путать с Температура Кюри ) 93 К. Первые образцы были Y 1,2 Ba 0,8 Cu O 4; но это был средний состав для двух фаз, черной и зеленой. Чтобы определить фазы, Чу обратился к Дэйву Мао и Роберту Хазену из геофизической лаборатории в Институте Карнеги в Вашингтоне. Они обнаружили, что черный (который оказался сверхпроводником) имел состав YBa 2Cu3O7 − δ. Статья об этом материале привела к быстрому открытию нескольких новых высокотемпературных сверхпроводящих материалов, открыв новую эру в материаловедении и химии.

YBCO был первым материалом, который стал сверхпроводящим при температуре выше 77 К, точки кипения жидкого азота. Все материалы, разработанные до 1986 года, становились сверхпроводящими только при температурах, близких к температурам кипения жидкого гелия (Tb= 4,2 K) или жидкого водорода (Tb= 20,3 K) - самая высокая из которых Nb3Ge при 23 K. Значение открытия YBCO заключается в гораздо более низкой стоимости хладагента, используемого для охлаждения материала до температуры ниже критической температуры.

Синтез

Относительно чистый YBCO был сначала синтезирован путем нагревания смеси карбонаты металлов при температурах от 1000 до 1300 К.

4 BaCO 3 + Y 2 (CO 3)3+ 6 CuCO 3 + (1 / 2-x) O 2 → 2 YBa 2Cu3O7-x + 13 CO 2

В современных синтезах YBCO используются соответствующие оксиды и нитраты.

Сверхпроводящий свойства YBa 2Cu3O7 − x чувствительны к значению x, его содержанию кислорода. Только материалы с 0 ≤ x ≤ 0,65 являются сверхпроводящими ниже T c, а когда x ~ 0,07 материал сверхпроводит при максимальной температуре 95 К или в самых сильных магнитных полях: 120 Тл для B перпендикулярно и 250 Тл для B, параллельных плоскостям CuO 2.

Помимо чувствительности к стехиометрии кислорода, свойства YBCO зависят от используемых методов кристаллизации. Необходимо соблюдать осторожность при спекании YBCO. YBCO является кристаллическим материалом, и наилучшие сверхпроводящие свойства достигаются, когда границы зерен кристалла выровнены путем тщательного контроля температурных скоростей отжига и закалки.

Многие другие методы синтеза YBCO были разработаны с момента его открытия Ву и его сотрудниками, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), золь-гель, и аэрозольные методы. Однако эти альтернативные методы по-прежнему требуют тщательного спекания для получения качественного продукта.

Однако новые возможности открылись после открытия того, что трифторуксусная кислота (TFA ), источник фтора, предотвращает образование нежелательного карбоната бария (BaCO 3). Такие способы, как CSD (осаждение из химического раствора), открыли широкий спектр возможностей, особенно при изготовлении длинных лент YBCO. Этот способ снижает температуру, необходимую для получения правильной фазы, примерно до 700 ° C. Это, а также отсутствие зависимости от вакуума делают этот метод очень многообещающим способом получения масштабируемых лент YBCO.

Структура

Часть кристаллической структуры оксида иттрия-бария-меди

YBCO кристаллизуется в дефектную перовскитную структуру, состоящую из слоев. Граница каждого слоя определяется плоскостями квадратных плоских единиц CuO 4, имеющих 4 вершины. Самолеты иногда могут быть слегка сморщенными. Перпендикулярно этим плоскостям CuO 4 расположены ленты CuO 2, имеющие 2 вершины. Атомы иттрия находятся между плоскостями CuO 4, а атомы бария находятся между лентами CuO 2 и CuO 4 самолетов. Эта конструктивная особенность показана на рисунке справа.

File:Flyingsuperconductor.ogvВоспроизвести медиа Как и многие сверхпроводники типа II, YBCO может демонстрировать закрепление потока : линии магнитного потока могут быть закреплены на месте в кристалле с необходимой силой чтобы переместить кусок из определенной конфигурации магнитного поля. Таким образом, кусок YBCO, помещенный над магнитной дорожкой, может левитировать на фиксированной высоте.

Хотя YBa 2Cu3O7представляет собой четко определенное химическое соединение с определенной структурой и стехиометрией, материалы с менее чем семью атомами кислорода на формульную единицу являются нестехиометрические соединения. Структура этих материалов зависит от содержания кислорода. Эта нестехиометрия обозначается x в химической формуле YBa 2Cu3O7-x. Когда x = 1, позиции O (1) в слое Cu (1) пусты и структура является тетрагональной. Тетрагональная форма YBCO изолирует и не обладает сверхпроводимостью. Небольшое увеличение содержания кислорода приводит к тому, что больше сайтов O (1) становятся занятыми. При x <0,65 образуются цепочки Cu-O вдоль оси b кристалла. Удлинение оси b изменяет структуру на орторомбическую с параметрами решетки a = 3,82, b = 3,89 и c = 11,68 Å. Оптимальные сверхпроводящие свойства проявляются, когда x ~ 0,07, т. Е. Почти все позиции O (1) заняты с небольшим количеством вакансий.

В экспериментах, в которых другие элементы замещаются в позициях Cu и Ba, данные показали, что проводимость происходит в плоскостях Cu (2) O, в то время как цепи Cu (1) O (1) действуют как резервуары заряда, которые обеспечивают переносчиками плоскостей CuO. Однако в этой модели не учитывается сверхпроводимость у гомолога Pr123 (празеодим вместо иттрия). Это (проводимость в медных плоскостях) ограничивает проводимость плоскостями a-b, и наблюдается большая анизотропия транспортных свойств. Вдоль оси c нормальная проводимость в 10 раз меньше, чем в плоскости a-b. Для других купратов в том же общем классе анизотропия еще больше, а межплоскостной перенос сильно ограничен.

Кроме того, шкала сверхпроводящей длины показывает аналогичную анизотропию как по глубине проникновения (λ ab ≈ 150 нм, λ c ≈ 800 нм), так и по длине когерентности ( ξ ab ≈ 2 нм, ξ c ≈ 0,4 нм). Хотя длина когерентности в плоскости a-b в 5 раз больше, чем вдоль оси c, она довольно мала по сравнению с классическими сверхпроводниками, такими как ниобий (где ξ ≈ 40 нм). Эта небольшая длина когерентности означает, что сверхпроводящее состояние более восприимчиво к локальным сбоям из-за границ раздела или дефектов порядка одной элементарной ячейки, таких как граница между двойниковыми кристаллическими доменами. Эта чувствительность к мелким дефектам усложняет изготовление устройств с YBCO, а материал также чувствителен к деградации из-за влажности.

Предлагаемые области применения

сверхпроводник YBCO в TT †

Обсуждались многие возможные применения этого и родственных ему высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Например, сверхпроводящие материалы находят применение в качестве магнитов в магнитно-резонансной томографии, магнитной левитации и переходах Джозефсона. (Наиболее часто используемый материал для силовых кабелей и магнитов - BSCCO.)

YBCO еще не использовался во многих приложениях, связанных со сверхпроводниками, по двум основным причинам:

Наиболее многообещающий метод, разработанный для использования этого материала, включает нанесение YBCO на гибкий металлические ленты, покрытые буферными оксидами металлов. Это известно как проводник с покрытием. Текстура (выравнивание кристаллической плоскости) может быть введена в металлическую ленту (процесс RABiTS) или текстурированный керамический буферный слой может быть нанесен с помощью ионного пучка на нетекстурированную подложку из сплава (IBAD процесс). Последующие оксидные слои предотвращают диффузию металла с ленты в сверхпроводник при переносе шаблона для текстурирования сверхпроводящего слоя. Новые варианты методов CVD, PVD и осаждения из раствора используются для получения конечных слоев YBCO большой длины с высокими скоростями. Эти процессы реализуются в следующих компаниях: American Superconductor, Superpower (подразделение Furukawa Electric ), Sumitomo, Fujikura, Nexans Сверхпроводники, Commonwealth Fusion Systems и European Advanced Superconductors. Значительно большее количество исследовательских институтов также производили ленту YBCO этими методами.

Сверхпроводящая лента может быть ключом к конструкции термоядерного реактора токамак, который может обеспечить безубыточное производство энергии. YBCO часто классифицируют как редкоземельный оксид бария-меди (REBCO).

Модификация поверхности

Модификация поверхности материалов часто приводит к новым и улучшенным свойствам. Подавление коррозии, адгезия и зародышеобразование полимеров, изготовление трехслойных структур органический сверхпроводник / диэлектрик / высокотемпературный сверхпроводник c и изготовление туннельных переходов металл / диэлектрик / сверхпроводник были разработаны с использованием поверхностно-модифицированного YBCO. 187>

Эти молекулярные слоистые материалы синтезированы с использованием циклической вольтамперометрии. К настоящему времени YBCO, содержащий алкиламины, ариламины и тиолы, были получены с различной стабильностью молекулярного слоя. Было высказано предположение, что амины действуют как основания Льюиса и связываются с кислотными льюисовскими участками поверхности Cu в YBa 2Cu3O7с образованием стабильных координационных связей.

Использование любителями

Вскоре после того, как это было обнаружено, UK Journal New Scientist опубликовал «рецепт» синтеза YBCO, разработанный Хайди Грант (дочерью писателя Пола Гранта, которая училась в старшей школе во время публикации) с инструментами и оборудованием, доступными в научной лаборатории средней школы того времени, в их издании от 30 июля 1987 года. Благодаря этой и другим публикациям того времени, YBCO стал популярным высокотемпературным сверхпроводником для использования любителями и в образовании, поскольку эффект магнитной левитации можно легко продемонстрировать с использованием жидкого азота в качестве хладагента.

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с оксидом иттрия, бария, меди.
Последняя правка сделана 2021-06-22 04:28:24
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте