İtriyum baryum bakır oksit - Yttrium barium copper oxide
|
|
|
|
| İsimler | |
|---|---|
|
IUPAC adı
baryum bakır itriyum oksit
|
|
| Diğer isimler
YBCO, Y123, itriyum baryum cuprat
|
|
| tanımlayıcılar | |
| Kimyasal Örümcek | |
| ECHA Bilgi Kartı |
100.121.379 
|
| AT Numarası | |
|
PubChem Müşteri Kimliği
|
|
|
CompTox Panosu ( EPA )
|
|
| Özellikler | |
| YBa 2 Cu 3 O 7 | |
| Molar kütle | 666.19 g/mol |
| Dış görünüş | siyah katı |
| Yoğunluk | 6.3 g / cm ' 3 |
| Erime noktası | >1000 °C |
| çözünmez | |
| Yapı | |
| Göre perovskit yapı . | |
| ortorombik | |
| Tehlikeler | |
| GHS piktogramları |
|
| GHS Sinyal kelimesi | Uyarı |
| H302 , H315 , H319 , H335 | |
| 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 | |
| Bağıntılı bileşikler | |
|
İlgili yüksek T c
süper iletkenler |
Cuprate süperiletkenler |
|
Bağıntılı bileşikler
|
İtriyum(III) oksit Baryum oksit Bakır(II) oksit |
|
Aksi belirtilmedikçe, veriler standart durumdaki malzemeler için verilmiştir (25 °C [77 °F], 100 kPa'da). |
|
 doğrulamak ( nedir ?)
  |
|
| Bilgi kutusu referansları | |
İtriyum baryum bakır oksit ( YBCO ), yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik sergilemesiyle ünlü bir kristal kimyasal bileşikler ailesidir . Yaklaşık 92 K'da sıvı nitrojenin (77 K ) kaynama noktasının üzerinde süper iletken olduğu keşfedilen ilk malzemeyi içerir. Birçok YBCO bileşiği, Y Ba 2 Cu 3 O 7− x (Y123 olarak da bilinir) genel formülüne sahiptir. Y Ba 2 Cu 4 O y (Y124) veya Y 2 Ba 4 Cu 7 O y (Y247) gibi diğer Y:Ba:Cu oranlarına sahip malzemeler mevcuttur . Şu anda, yüksek sıcaklık süperiletkenliği için tek başına tanınan bir teori yoktur.
İtriyum yerine diğer nadir toprak elementlerinin bulunduğu daha genel nadir toprak baryum bakır oksitleri (ReBCO) grubunun bir parçasıdır .
Tarih
Nisan 1986'da, Zürih'te IBM'de çalışan Georg Bednorz ve Karl Müller , belirli yarı iletken oksitlerin nispeten yüksek sıcaklıkta süper iletken hale geldiğini, özellikle bir lantan baryum bakır oksitin 35 K'da süper iletken hale geldiğini keşfettiler . Bu oksit, oksijen eksikliği olan bir perovskit idi. umut verici olduğunu kanıtlayan ve daha yüksek süper iletken geçiş sıcaklıklarına sahip ilgili bileşiklerin araştırılmasını teşvik eden ilgili malzeme. 1987'de Bednorz ve Müller, bu çalışma için ortaklaşa Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Bednorz ve Müller disovery, bir takım sonra Huntsville, Alabama Üniversitesi ve University of Houston YBCO bir süper-iletken geçiş kritik sıcaklığı (sahip olduğu keşfedilmiştir , T C ilk numuneler 93 K.) , Y 1.2 Ba 0.8 Cu O 4 , ancak bu siyah ve yeşil olmak üzere iki faz için ortalama bir kompozisyondu. Washington Carnegie Enstitüsü'ndeki işçiler (süper iletken olduğu ortaya çıkan) siyah fazın YBa 2 Cu 3 O 7−δ bileşimine sahip olduğunu buldular .
YBCO, sıvı nitrojenin kaynama noktası olan 77 K'nin üzerinde süper iletken olduğu bulunan ilk malzemeyken , diğer süper iletkenlerin çoğu daha pahalı kriyojenler gerektirir. Bununla birlikte, YBCO ve ilgili birçok malzemesi, soğutma için sıvı helyum gerektiren süper iletkenlerin yerini henüz almış değil .
sentez
Nispeten saf YBCO, ilk önce metal karbonatların bir karışımının 1000 ila 1300 K arasındaki sıcaklıklarda ısıtılmasıyla sentezlendi.
- 4 BaCO 3 + Y 2 (CO 3 ) 3 + 6 CuCO 3 + (1/2− x ) O 2 → 2 YBa 2 Cu 3 O 7− x + 13 CO 2
YBCO'nun modern sentezleri, karşılık gelen oksitleri ve nitratları kullanır.
YBA arasında süper-iletken özellikleri 2 Cu 3 O 7 x değerine duyarlı x , oksijen içeriği. Yalnızca 0 ≤ x ≤ 0.65 olan malzemeler T c'nin altında süper iletkendir ve x ~ 0.07 olduğunda, malzeme en yüksek 95 K sıcaklıkta veya en yüksek manyetik alanlarda süper iletkendir: B dik için 120 T ve paralel B için 250 T CuO 2 düzlemleri.
Oksijen stokiyometrisine duyarlı olmasının yanı sıra, YBCO'nun özellikleri kullanılan kristalizasyon yöntemlerinden etkilenir. Bakım için alınması gereken sinter YBCO. YBCO kristal bir malzemedir ve en iyi süperiletken özellikler, kristal tane sınırları , tavlama ve söndürme sıcaklık oranlarının dikkatli kontrolü ile hizalandığında elde edilir .
YBCO'yu sentezlemek için Wu ve çalışma arkadaşları tarafından keşfinden bu yana kimyasal buhar biriktirme (CVD), sol-jel ve aerosol yöntemleri gibi çok sayıda başka yöntem geliştirilmiştir . Ancak bu alternatif yöntemler, kaliteli bir ürün üretmek için yine de dikkatli sinterleme gerektirir.
Bununla birlikte, yeni olanaklar trifloroasetik asit (yani, keşfinden bu yana açılmış TFA ), bir flor kaynağı, istenmeyen oluşumunu önler baryum karbonat (BaCOs 3 ). CSD (kimyasal çözelti biriktirme) gibi yollar, özellikle uzun YBCO bantlarının hazırlanmasında çok çeşitli olasılıklar açmıştır. Bu rota, doğru fazı elde etmek için gerekli sıcaklığı 700 °C civarına düşürür. Bu ve vakuma bağımlılığın olmaması, bu yöntemi ölçeklenebilir YBCO bantları elde etmek için çok umut verici bir yol haline getiriyor.
Yapı
YBCO , katmanlardan oluşan kusurlu bir perovskit yapıda kristalleşir . Her katmanın sınırı, 4 köşeyi paylaşan kare düzlemsel CuO 4 birimlerinin düzlemleriyle tanımlanır . Uçaklar bazen hafifçe büzülebilir. Bu CuO 4 düzlemlerine dik, 2 köşeyi paylaşan CuO 2 şeritleridir. İtriyum atomuna CuO arasında bulunan 4 ise, düzlem baryum atomuna CuO arasında bulunan 2 şeritler ve CuO 4 düzlemde. Bu yapısal özellik sağdaki şekilde gösterilmektedir.
 |
 |
 |
 |
|
| kübik {YO 8 } | {BaO 10 } | kare düzlemsel {CuO 4 } | kare piramidal {CuO 5 } | YBa 2 Cu 3 O 7- birim hücre |
 |
|
| büzülmüş Cu uçağı | Cu şeritler |
YBa 2 Cu 3 O 7 , belirli bir yapıya ve stokiyometriye sahip iyi tanımlanmış bir kimyasal bileşik olmasına rağmen , formül birimi başına yediden az oksijen atomuna sahip malzemeler, stokiyometrik olmayan bileşiklerdir . Bu malzemelerin yapısı oksijen içeriğine bağlıdır. Bu stokiyometri olmayan YBa 2 Cu 3 O 7− x kimyasal formülünde x ile gösterilir . x = 1 olduğunda , Cu(1) katmanındaki O(1) yerleri boştur ve yapı dörtgendir . YBCO'nun tetragonal formu yalıtkandır ve süper iletken değildir. Oksijen içeriğinin biraz arttırılması, daha fazla O(1) bölgesinin işgal edilmesine neden olur. İçin , x <0.65, birlikte Cu-O zincirleri b kristal ekseni oluşturulmaktadır. b ekseninin uzaması , yapıyı ortorombik olarak değiştirir , kafes parametreleri a = 3.82, b = 3.89 ve c = 11.68 Å'dir. Optimum süperiletkenlik özellikleri, x ~ 0.07 olduğunda meydana gelir , yani, neredeyse tüm O(1) bölgeleri, az sayıda boş yer ile işgal edildiğinde.
Cu ve Ba bölgelerinde diğer elementlerin ikame edildiği deneylerde, kanıtlar iletimin Cu(2)O düzlemlerinde gerçekleştiğini ve Cu(1)O(1) zincirlerinin CuO'ya taşıyıcılar sağlayan yük rezervuarları olarak hareket ettiğini göstermiştir. yüzeyleri. Bununla birlikte, bu model homolog Pr123'te ( itriyum yerine praseodimyum ) süperiletkenliği ele almakta başarısız olur . Bu (bakır düzlemlerdeki iletim) iletkenliği a - b düzlemleriyle sınırlar ve taşıma özelliklerinde büyük bir anizotropi gözlenir. c ekseni boyunca normal iletkenlik, a - b düzlemindekinden 10 kat daha küçüktür . Aynı genel sınıftaki diğer cupratlar için, anizotropi daha da büyüktür ve düzlemler arası taşıma oldukça sınırlıdır.
Ayrıca, süper iletken uzunluk ölçekleri, hem penetrasyon derinliğinde (λ ab ≈ 150 nm, λ c ≈ 800 nm) hem de tutarlılık uzunluğunda (ξ ab ≈ 2 nm, ξ c ≈ 0.4 nm) benzer anizotropi gösterir . a - b düzlemindeki tutarlılık uzunluğu c ekseni boyunca olandan 5 kat daha büyük olmasına rağmen, niyobyum (burada ξ ≈ 40 nm) gibi klasik süperiletkenlere kıyasla oldukça küçüktür. Bu mütevazı tutarlılık uzunluğu, süperiletken durumun, ikiz kristal alanları arasındaki sınır gibi tek bir birim hücre düzeyindeki arayüzlerden veya kusurlardan kaynaklanan yerel bozulmalara daha duyarlı olduğu anlamına gelir. Küçük kusurlara karşı bu hassasiyet, aygıtların YBCO ile üretilmesini zorlaştırır ve malzeme aynı zamanda nemden kaynaklanan bozulmaya karşı da hassastır.
Önerilen uygulamalar
Bu ve ilgili yüksek sıcaklık süperiletken malzemelerin birçok olası uygulaması tartışılmıştır. Örneğin, süper-iletken malzemeler olarak kullanım bulmaktadır mıknatıslar olarak manyetik rezonans görüntüleme , manyetik kaldırma ve Josephson eklemlerinin . (Güç kabloları ve mıknatıslar için en çok kullanılan malzeme BSCCO'dur .)
YBCO, iki ana nedenden dolayı süper iletkenleri içeren birçok uygulamada henüz kullanılmamıştır:
- Birincisi, YBCO'nun tek kristalleri çok yüksek bir kritik akım yoğunluğuna sahip olsa da , polikristaller çok düşük bir kritik akım yoğunluğuna sahiptir : süperiletkenlik korunurken sadece küçük bir akım geçirilebilir. Bu sorun, malzemedeki kristal tane sınırlarından kaynaklanmaktadır. Tane sınır açısı yaklaşık 5°'den büyük olduğunda, aşırı akım sınırı geçemez. Tane sınırı sorunu, CVD yoluyla ince filmler hazırlanarak veya malzemeyi tane sınırlarını hizalamak için tekstüre ederek bir dereceye kadar kontrol edilebilir .
- Bu malzemenin teknolojik uygulamalarda kullanımını sınırlayan ikinci bir sorun, malzemenin işlenmesi ile ilişkilidir. Bunun gibi oksit malzemeleri kırılgandır ve bunları herhangi bir geleneksel işlemle süper iletken tellere dönüştürmek yararlı bir süper iletken üretmez. ( BSCCO'dan farklı olarak , tüp içinde toz işlemi YBCO ile iyi sonuçlar vermez.)
Bu materyali kullanmak için geliştirilen en umut verici yöntem, tampon metal oksitlerle kaplanmış esnek metal bantlar üzerinde YBCO'nun biriktirilmesini içerir. Bu kaplanmış iletken olarak bilinir . Doku (kristal düzlem hizalaması) metal bant içine yerleştirilebilir (RABiTS işlemi) veya dokulu bir seramik tampon katman, bir iyon ışını yardımıyla dokusuz bir alaşım alt tabakası ( IBAD işlemi) üzerine biriktirilebilir . Müteakip oksit katmanları, süper iletken katmanı tekstüre etmek için şablonu aktarırken metalin banttan süper iletkene difüzyonunu önler. Son YBCO katmanının uzun uzunluklarını yüksek oranlarda üretmek için CVD, PVD ve çözelti biriktirme teknikleri üzerine yeni varyantlar kullanılır. Bu süreçleri takip eden şirketler arasında American Superconductor , Superpower ( Furukawa Electric'in bir bölümü ), Sumitomo , Fujikura , Nexans Superconductors, Commonwealth Fusion Systems ve European Advanced Superconductors bulunmaktadır. Çok daha fazla sayıda araştırma enstitüsü de bu yöntemlerle YBCO bant üretti.
Süper iletken bant anahtarı olabilir Tokamak elde edebilirsiniz füzyon reaktörü tasarımı başabaş enerji üretimi. YBCO genellikle nadir toprak baryum bakır oksit (REBCO) olarak sınıflandırılır .
Yüzey modifikasyonu
Malzemelerin yüzey modifikasyonu genellikle yeni ve geliştirilmiş özelliklere yol açmıştır. Korozyon önlenmesi, polimer yapışması ve çekirdeklenme organik süperiletken / izolatör / yüksek hazırlanması T C süper-iletken üç katmanlı yapılar ve metal / yalıtkan / süper iletken tünel eklemler üretim yüzeyi modifiye edilmiş YBCO kullanılarak geliştirilmiştir.
Bu moleküler katmanlı malzemeler, döngüsel voltametri kullanılarak sentezlenir . Şimdiye kadar, alkilaminler, arilaminler ve tiyollerle katmanlı YBCO , moleküler katmanın değişen stabilitesiyle üretildi. Aminler olarak hareket önerilmiştir Lewis bazları ve bağlama Lewis asitli YBA Cu yüzey sitelerinin 2 Cu 3 O 7 stabil oluşturmak üzere koordinasyon bağları .
Hobi kullanımı
Keşfedildikten kısa bir süre sonra, fizikçi ve bilim yazarı Paul Grant , UK Journal New Scientist'te yaygın olarak bulunan ekipmanları kullanarak YBCO süper iletkenlerini sentezlemek için basit bir kılavuz yayınladı. Kısmen bu makale ve o zamanki benzer yayınlar sayesinde, YBCO, manyetik kaldırma etkisi soğutucu olarak sıvı nitrojen kullanılarak kolayca gösterilebildiğinden, hobiler ve eğitimde kullanım için popüler bir yüksek sıcaklık süper iletkeni haline geldi.