钇钡铜氧

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钇钡铜氧
IUPAC名
Yttrium barium copper oxide
别名 YBCO,钇钡铜氧化物
识别
CAS号 107539-20-8
性质
化学式 YBa2Cu3O7
摩尔质量 666.19 g·mol⁻¹
外观 黑色固体
密度 4.4 ~ 5.3 g/cm3[1]
熔点 >600 °C
溶解性 不可溶
结构
晶体结构 钙钛矿变形
配位几何 四方
危险性
欧盟分类 刺激性 (Xi)
相关物质
相关高温超导体 BaLaO3-x
相关化学品 氧化钇氧化钡氧化铜
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

钇钡铜氧,或称钇钡铜氧化物YBCO,是化学式YBa2Cu3O7化合物。它是著名的高温超导体,属于第二类超导体,并且是第一个制得转变温度在液氮沸点以上的材料。

历史[编辑]

在发现超导性后的第75年,在苏黎世IBM工作的约翰内斯·贝德诺尔茨卡尔·米勒发现特定的半导体氧化物可以在低于35K的温度下显示出超导性,特别是镧钡铜氧化物,一种缺氧钙钛矿型的潜在材料。

在此基础上,1987年,亨茨维尔亚拉巴马大学吴茂昆及其研究生(Ashburn和Torng),与休斯顿大学朱经武和他的学生共同发现了钇钡铜氧,也因此引发了对新高温超导材料的研究热潮。

YBCO是首个超导温度在77K以上的材料,也就是说它的转变温度高于液氮的沸点,用相对便宜的液氮就可以冷却。之前发现的超导体都必须用液氦液氢冷却(Tb = 20.28 K)。

合成[编辑]

YBCO最早是通过在1000-1300K加热金属碳酸盐混合物制备的。[2][3]

4BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6 CuCO3 → 2 YBa2Cu3O{7-x} + 13 CO2 + (3+x)O2

现在YBCO的制取以相应的硝酸盐和氧化物为原料。[3]

YBa2Cu3O{7-x}的超导性质与x值(氧含量)很有关系,只有满足0≤x≤0.5的材料在Tc温度下有超导性,当x~0时其转变温度最高,为95K。[3]

除了氧的计量比外,YBCO的性质也由结晶方式决定。在烧结YBCO时必须小心,因为YBCO是晶体材料,只有小心控制退火淬火的温度和速度,校准晶界,才可以使其超导性达到最佳。

吴茂昆和同事提出了其他合成YBCO的方法,比如化学气相沉积(CVD)[2][3]溶胶-凝胶[4]以及气溶胶[5]。这些方法在烧结时仍然需要小心。

结构[编辑]

YBCO结构

YBCO为钙钛矿缺陷型层状结构,含有CuO-CuO2-CuO2-CuO交替的层,CuO2层可以有变形和皱褶。[2]原子存在于CuO2和CuO2层中,BaO层则在CuO与CuO2两层之间。详细的结构图可以参见[1][2]

当YBa2Cu3O7中氧原子计量小于7时,根据具体数值的不同,这些非计量化合物结构可以有差异,可以化学式中的δ来表示。\delta = 1时为四方结构,CuO层(Cu(1))的O(1)为空,不显示超导性。略微增加氧的含量会增加O(1)的占有率。δ< 0.65时b轴形成Cu-O链,结构变为正交,晶格参数分别为a=3.82、b=3.89及其c=11.68Å。当δ ~0.07时超导性最佳,O(1)中只有少数几个为空。

有证据显示,当其它原子取代Cu和Ba时,超导性发生在Cu(2)O层,Cu(1)O(1)链只用作储存电荷(charge reservoirs)。然而取代钇后形成化合物的超导性与此相矛盾。[6]

钇钡铜氧的超导长度规表现出各向异性,穿透深度(\lambda_{ab}\approx150~\textrm{nm},\lambda_{c}\approx800~\textrm{nm}),相干长度(\xi_{ab}\approx2~\textrm{nm},\xi_{c}\approx0.4~\textrm{nm})。虽然a-b平面的相干长度是c轴的6倍之多,但与传统的超导体,如(\xi \approx40~\textrm{nm})相比仍显得较小。这意味着其超导态易受到界面或晶胞缺陷的影响,因此对制作YBCO时的仪器要求增高,并且YBCO对潮湿环境相当敏感。

应用[编辑]

钇钡铜氧

高温超导体有很多实际中的应用,例如可用作核磁共振成像磁悬浮设施以及约瑟夫森结中的磁体。

主要有两个问题限制了YBCO在超导方面的应用:

  • 第一,YBCO单晶有很高的临界电流密度,至于多晶则很低(保持超导态时仅能通过很小的电流)。这是由材料的晶粒界面造成:当晶界角大于约5°时,超导电流就无法越过界面。这个问题可由通过化学气相沉积制备薄膜或调准晶界得到改善。
  • 第二,此类的氧化物材料很脆,以传统方法制成线状并不能很好地保留其超导性质。

另外,很多情况下大规模冷却物体至液氮的温度并不十分实际。

YBCO的表面改性[编辑]

表面改性常会导致材料的新性质。表面改性的YBCO可衍生出许多性质,如抑制腐蚀、黏合聚合物、成核,制备有机超导体/绝缘体/高温超导体以及制备金属/绝缘体/超导体隧道结。[7]

这些分子层状材料可用循环伏安法制备。目前已制得烷基胺、芳香胺和硫醇与YBCO形成的材料,它们稳定性不一。有理论认为在这其中胺扮演路易斯碱,与YBa2Cu3O7路易斯酸性的Cu位点结合生成稳定的配位键。

磁悬浮[编辑]

YBCO和其他超导体一样,在转变温度会发生迈斯纳效应。在该温度或低于该温度时,YBCO变为抗磁性,內部磁通量为零,磁力线无法进入超导体,超导体排斥体内的磁场。因此这时超导体表面的任何磁铁都会悬浮起来,见下方的视频。[2]

视频[编辑]

视频圖示
钇钡铜氧的超导性质

钇钡铜氧磁悬浮录像(360KBOgg/Theora格式)。



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参考资料[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ R. Swarup, A. K. Gupta and M. C. Bansal. Effect of sample density on magnetic penetration depth in YBaCuO ceramic superconductors. Journal of Superconductivity. 1995, 8 (3): 361–364. doi:10.1007/BF00728172. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 C. E. Housecroft, A. G. Sharpe and C. E. Housecroft. Inorganic chemistry. Harlow ; Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. 2005. ISBN 0130399132. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 N. N. Greenwood and A. Earnshaw. Chemistry of the elements. Boston, Mass.: Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 0750633654 (pbk.). 
  4. ^ Yang-Kook Sun, In-Hwan Oh Ind. Eng. Chem. Res. 1996, 35, 4296
  5. ^ Zhou, Derong. Yttrium Barium Copper Oxide Superconducting Powder Generation by An Aerosol Process (Ph.D. Thesis). University of Cincinnati. 1991. 
  6. ^ Oka, et al. Physica C, v 300, n 3-4, 10 May 1998, 200-6
  7. ^ Xu et al. Langmuir, 1998, 14 (22)

參考文獻[编辑]

外部链接[编辑]