Yttrium baryum bakır oksit - Yttrium barium copper oxide

Yttrium baryum bakır oksit
Yttrium baryum bakır oksit yapısı
İtriyum baryum bakır oksit kristali
İsimler
IUPAC adı
baryum bakır itriyum oksit
Diğer isimler
YBCO, Y123, itriyum baryum kuprat
Tanımlayıcılar
ChemSpider
ECHA Bilgi Kartı100.121.379 Bunu Vikiveri'de düzenleyin
EC Numarası
  • 619-720-7
PubChem Müşteri Kimliği
Özellikleri
YBa2Cu3Ö7
Molar kütle666,19 g / mol
GörünümSiyah katı
Yoğunluk6,3 g / cm3[1][2]
Erime noktası> 1000 ° C
Çözünmez
Yapısı
Göre perovskit yapısı.
Ortorombik
Tehlikeler
GHS piktogramlarıGHS07: Zararlı
GHS Sinyal kelimesiUyarı
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
Cuprate süperiletkenler
Bağıntılı bileşikler
Yttrium (III) oksit
Baryum oksit
Bakır (II) oksit
Aksi belirtilmedikçe, veriler kendi içlerindeki malzemeler için verilmiştir. standart durum (25 ° C'de [77 ° F], 100 kPa).
KontrolY Doğrulayın (nedir KontrolY☒N ?)
Bilgi kutusu referansları

Yttrium baryum bakır oksit (YBCO) bir ailedir kristal kimyasal bileşikler, sergilemesiyle ünlü yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik. Şimdiye kadar keşfedilen ilk materyali içerir. süper iletken kaynama noktasının üstünde sıvı nitrojen (77 K ) yaklaşık 92 K'da. Birçok YBCO bileşiği genel formüle sahiptir YBa2Cu3Ö7−x (Y123 olarak da bilinir), diğer Y: Ba: Cu oranlarına sahip malzemeler olmasına rağmen, örneğin YBa2Cu4Öy (Y124) veya Y2Ba4Cu7Öy (Y247). Şu anda, yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik için tek başına tanınan bir teori yoktur.

Tarih

Nisan 1986'da, Georg Bednorz ve Karl Müller, çalışıyor Zürih'te IBM, bazı yarı iletken oksitlerin nispeten yüksek sıcaklıkta süper iletken hale geldiğini keşfetti, özellikle lantan baryum bakır oksit 35 K'da süper iletken hale gelir. Bu oksit bir oksijen yetersiz Perovskit ümit verici olduğunu kanıtlayan ve daha yüksek süperiletken geçiş sıcaklıklarına sahip ilgili bileşiklerin araştırılmasını teşvik eden ilgili malzeme. 1987'de Bednorz ve Müller, bu çalışma için birlikte Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.

Bednorz ve Müller'in çalışmalarını takiben, 1987'de Maw-Kuen Wu (de Huntsville'deki Alabama Üniversitesi ) ve Chu Ching-wu (de Houston Üniversitesi ) ve lisansüstü öğrencileri Ashburn ve Torng, YBCO'nun süper iletken bir geçiş kritik sıcaklığına (Tcile karıştırılmamalıdır Curie sıcaklığı ) 93 K.[3] İlk örnekler Y1.2Ba0.8CuÖ4; ancak bu, siyah ve yeşil olmak üzere iki faz için ortalama bir kompozisyondu. Aşamaları belirlemek için Chu döndü Dave Mao ve Robert Hazen Jeofizik Laboratuvarı'nda Washington Carnegie Enstitüsü. Siyah olanın (süperiletken olduğu ortaya çıktı) YBa bileşimine sahip olduğunu buldular.2Cu3Ö7 − δ.[4] Bu malzemeyi bildiren makale, malzeme bilimi ve kimyada yeni bir çağı başlatan birkaç yeni yüksek sıcaklık süper iletken malzemenin hızlı bir şekilde keşfedilmesine yol açtı.

YBCO, kaynama noktası olan 77 K'nın üzerinde süper iletken olduğu bulunan ilk malzemedir. sıvı nitrojen. 1986'dan önce geliştirilen tüm malzemeler, yalnızca kaynama noktalarına yakın sıcaklıklarda süper iletken hale geldi. sıvı helyum (Tb = 4,2 K) veya sıvı hidrojen (Tb = 20,3 K) - en yüksek varlık Nb3Ge 23 K'da YBCO'nun keşfedilmesinin önemi, malzemeyi soğutmak için kullanılan soğutucunun çok daha düşük maliyetidir. Kritik sıcaklık.

Sentez

Nispeten saf YBCO, ilk olarak metal karbonatların bir karışımının 1000 ila 1300 K arasındaki sıcaklıklarda ısıtılmasıyla sentezlendi.[5][6]

4 BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6 CuCO3 + (1/2−x) Ö2 → 2 YBa2Cu3Ö7−x + 13 CO2

Modern YBCO sentezleri, ilgili oksitleri ve nitratları kullanır.[6]

YBa'nın süper iletken özellikleri2Cu3Ö7−x değerine duyarlı xoksijen içeriği. Sadece 0 ≤ olan malzemeler x ≤ 0.65 aşağıda süper iletkendir Tc, ve ne zaman x ~ 0.07, malzeme en yüksek 95 K sıcaklıkta süper iletken,[6] veya en yüksek manyetik alanlarda: 120T için B dik ve 250 T için B CuO'ya paralel2 yüzeyleri.[7]

Oksijenin stokiyometrisine duyarlı olmasının yanı sıra, YBCO'nun özellikleri kullanılan kristalleştirme yöntemlerinden etkilenir. Dikkatli olunmalı sinter YBCO. YBCO, kristalin bir malzemedir ve en iyi süper iletken özellikler kristal olduğunda elde edilir. tane sınırları dikkatli bir şekilde kontrol edilerek hizalanır tavlama ve söndürme sıcaklık oranları.

Wu ve meslektaşları tarafından keşfedilmesinden bu yana YBCO sentezlemek için çok sayıda başka yöntem geliştirildi. kimyasal buhar birikimi (CVD),[5][6] sol-jel,[8] ve aerosol[9] yöntemler. Ancak bu alternatif yöntemler, kaliteli bir ürün üretmek için yine de dikkatli sinterlemeyi gerektirir.

Bununla birlikte, trifloroasetik asidin keşfinden bu yana yeni olanaklar açılmıştır (TFA ) bir flor kaynağıdır, istenmeyen maddelerin oluşumunu engeller. baryum karbonat (BaCO3). CSD (kimyasal çözelti biriktirme) gibi yollar, özellikle uzun YBCO bantlarının hazırlanmasında çok çeşitli olasılıklar açmıştır.[10] Bu rota, doğru fazı elde etmek için gerekli sıcaklığı yaklaşık 700 ° C'ye düşürür. Bu ve vakuma bağımlılığın olmaması, bu yöntemi ölçeklenebilir YBCO teypleri elde etmek için çok umut verici bir yöntem haline getiriyor.

Yapısı

İtriyum baryum bakır oksidin kafes yapısının bir kısmı

YBCO bir kusurda kristalleşir perovskit yapısı katmanlardan oluşur. Her katmanın sınırı kare düzlemsel CuO düzlemleri ile tanımlanır.4 4 köşeyi paylaşan birimler. Uçaklar bazen biraz büzüşebilir.[5] Bu CuO'ya dik4 uçaklar CuO2 2 köşeyi paylaşan şeritler. itriyum CuO arasında atomlar bulunur4 uçaklar baryum CuO arasında atomlar bulunur2 şeritler ve CuO4 yüzeyleri. Bu yapısal özellik, sağdaki şekilde gösterilmektedir.

Birçok gibi tip-II süperiletkenler, YBCO sergileyebilir akı sabitleme: Manyetik akı çizgileri, bir parçayı belirli bir manyetik alan konfigürasyonundan hareket ettirmek için gereken bir kuvvetle bir kristal içinde yerine sabitlenebilir. Manyetik bir rayın üzerine yerleştirilen bir YBCO parçası böylece sabit bir yükseklikte havaya kalkabilir.[5]

YBa olmasına rağmen2Cu3Ö7 belirli bir yapıya ve stokiyometriye sahip iyi tanımlanmış bir kimyasal bileşiktir, formül birimi başına yediden az oksijen atomuna sahip malzemeler stokiyometrik olmayan bileşikler. Bu malzemelerin yapısı oksijen içeriğine bağlıdır. Bu stokiyometri, YBa kimyasal formülündeki x ile gösterilir.2Cu3Ö7−x. Ne zaman x = 1, Cu (1) katmanındaki O (1) siteleri boş ve yapı dörtgen. YBCO'nun dörtgen formu yalıtıcıdır ve süper iletken değildir. Oksijen içeriğinin hafifçe arttırılması, daha fazla O (1) sahasının işgal edilmesine neden olur. İçin x <0.65, Cu-O zincirleri b kristalin ekseni oluşturulur. Uzaması b eksen yapıyı şu şekilde değiştirir: ortorombik kafes parametreleri ile a = 3.82, b = 3.89 ve c = 11.68 Å.[kaynak belirtilmeli ] Optimum süper iletken özellikler, x ~ 0.07, yani O (1) sitelerinin neredeyse tamamı dolu ve az sayıda boş yer var.

Cu ve Ba'da diğer elementlerin ikame edildiği deneylerde[neden? ] kanıtlar, Cu (2) O düzlemlerinde iletimin gerçekleştiğini, Cu (1) O (1) zincirlerinin ise CuO düzlemlerine taşıyıcılar sağlayan yük rezervuarları olarak görev yaptığını göstermiştir. Ancak bu model, Pr123 homologunda süperiletkenliği ele almakta başarısızdır (praseodim itriyum yerine).[11] Bu (bakır düzlemlerde iletim) iletkenliği a-b düzlemler ve taşıma özelliklerinde büyük bir anizotropi gözlenir. Boyunca c eksen, normal iletkenlik, normal iletkenlikten 10 kat daha küçüktür. a-b uçak. Diğeri için bakireler aynı genel sınıfta, anizotropi daha da büyüktür ve düzlemler arası ulaşım oldukça sınırlıdır.

Ayrıca, süperiletken uzunluk ölçekleri her iki penetrasyon derinliğinde (λ) benzer anizotropi gösterir.ab ≈ 150 nm, λc ≈ 800 nm) ve tutarlılık uzunluğu, (ξab ≈ 2 nm, ξc ≈ 0,4 nm). Tutarlılık uzunluğu olmasına rağmen a-b uçak, boyundaki uçaktan 5 kat daha büyüktür. c eksen, niyobyum gibi klasik süperiletkenlere kıyasla oldukça küçüktür (burada ξ ≈ 40 nm). Bu mütevazı tutarlılık uzunluğu, süperiletkenlik durumunun, ikiz kristal alanlar arasındaki sınır gibi tek bir birim hücrenin sırasındaki arayüzlerden kaynaklanan yerel kesintilere veya kusurlara daha duyarlı olduğu anlamına gelir. Küçük kusurlara karşı bu hassasiyet, YBCO ile cihazların üretilmesini zorlaştırır ve malzeme ayrıca nemden kaynaklanan bozulmaya karşı hassastır.

Önerilen uygulamalar

Şirketinde YBCO süper iletken TTÜ

Bunun ve ilgili yüksek sıcaklıklı süper iletken malzemelerin birçok olası uygulaması tartışılmıştır. Örneğin, süper iletken malzemeler kullanım alanı bulmaktadır. mıknatıslar içinde manyetik rezonans görüntüleme, manyetik kaldırma, ve Josephson kavşakları. (Güç kabloları ve mıknatıslar için en çok kullanılan malzeme BSCCO.)

YBCO, iki ana nedenden ötürü süper iletkenleri içeren birçok uygulamada henüz kullanılmamıştır:

  • Birincisi, YBCO'nun tek kristalleri çok yüksek bir kritik akım yoğunluğuna sahip olmasına rağmen, polikristaller çok düşük kritik akım yoğunluğu: Süperiletkenliği korurken yalnızca küçük bir akım geçirilebilir. Bu sorun kristalden kaynaklanıyor tane sınırları malzemede. Tane sınırı açısı yaklaşık 5 ° 'den büyük olduğunda, süper akım sınırı geçemez. Tane sınırı sorunu, ince filmler hazırlanarak bir dereceye kadar kontrol edilebilir. CVD veya tane sınırlarını hizalamak için malzemeyi tekstüre ederek.
  • Bu malzemenin teknolojik uygulamalarda kullanımını sınırlayan ikinci bir sorun, malzemenin işlenmesiyle ilişkilidir. Bunun gibi oksit maddeler kırılgandır ve bunları süper iletken teller herhangi bir geleneksel işlemle yararlı bir süperiletken üretmez. (Aksine BSCCO, tüp içinde toz süreç YBCO ile iyi sonuçlar vermiyor.)

Bu malzemeyi kullanmak için geliştirilen en umut verici yöntem, tampon metal oksitlerle kaplanmış esnek metal bantlar üzerinde YBCO'nun biriktirilmesini içerir. Bu olarak bilinir kaplamalı iletken. Doku (kristal düzlem hizalaması) metal banda (RABiTS işlemi) eklenebilir veya dokulu bir seramik tampon katmanı, bir iyon ışını yardımıyla, dokusuz bir alaşım substratı ( BEN KÖTÜ süreç). Sonraki oksit tabakaları, süper iletken tabakayı tekstüre etmek için şablonu aktarırken metalin banttan süper iletkene difüzyonunu önler. CVD, PVD ve çözelti biriktirme tekniklerindeki yeni varyantlar, yüksek oranlarda nihai YBCO katmanının uzun uzunluklarını üretmek için kullanılır. Bu süreçleri takip eden şirketler şunları içerir: Amerikan Süperiletken, Süper güç (bir bölümü Furukawa Electric ), Sumitomo, Fujikura, Nexans Süperiletkenler, Commonwealth Füzyon Sistemleri ve Avrupa Gelişmiş Süper İletkenler. Çok daha fazla sayıda araştırma enstitüsü de bu yöntemlerle YBCO bandı üretti.

Süper iletken bant, bir Tokamak elde edebilecek füzyon reaktör tasarımı başa baş enerji üretimi.[12] YBCO genellikle bir nadir toprak baryum bakır oksit (REBCO).[13]

Yüzey modifikasyonu

Malzemelerin yüzey modifikasyonu genellikle yeni ve geliştirilmiş özelliklere yol açmıştır. Korozyon inhibisyonu, polimer yapışması ve çekirdeklenmesi, organik süperiletken / yalıtkan / yüksek-Tc süperiletken üç katmanlı yapılar ve metal / yalıtkan / süperiletken tünel bağlantılarının imalatı, yüzey modifiye YBCO kullanılarak geliştirilmiştir.[14]

Bu moleküler katmanlı malzemeler kullanılarak sentezlenir dönüşümlü voltametri. Şimdiye kadar, YBCO alkilaminler, arilaminler ve tioller moleküler tabakanın değişen stabilitesi ile üretilmiştir. Aminlerin şu şekilde davranması önerilmiştir: Lewis üsleri ve bağlan Lewis asidik YBa'daki Cu yüzey siteleri2Cu3Ö7 istikrarlı oluşturmak koordinasyon bağları.

Hobi kullanımı

U.K. Journal, keşfedildikten kısa bir süre sonra Yeni Bilim Adamı Heidi Grant'in (yazar Paul Grant'in kızı ve yayın sırasında kendisi de bir lise öğrencisi) YBCO sentezlenmesi için "reçetesini" o zamanın bir lise fen laboratuvarında bulunan araç ve gereçlerle yayınladı.[15] 30 Temmuz 1987 baskısında. Bu ve diğer yayınlar sayesinde, manyetik kaldırma etkisi soğutucu olarak sıvı nitrojen kullanılarak kolayca gösterilebildiğinden, YBCO hobiler tarafından ve eğitimde kullanım için popüler bir yüksek sıcaklık süper iletken haline geldi.

Referanslar

  1. ^ Knizhnik, A (2003). "Seramik YBCO'nun hazırlama koşulları, morfolojisi, kimyasal reaktivitesi ve homojenliği arasındaki ilişki". Physica C: Süperiletkenlik. 400 (1–2): 25. Bibcode:2003PhyC. 400 ... 25K. doi:10.1016 / S0921-4534 (03) 01311-X.
  2. ^ Grekhov, I (1999). "YBaCuNbO tamponunda ultra ince HTSC YBCO filmlerinin büyüme modu çalışması". Physica C: Süperiletkenlik. 324 (1): 39. Bibcode:1999PhyC..324 ... 39G. doi:10.1016 / S0921-4534 (99) 00423-2.
  3. ^ Wu, M. K .; Ashburn, J. R .; Torng, C. J .; Hor, P. H .; Meng, R. L .; Gao, L; Huang, Z. J .; Wang, Y. Q .; Chu, C.W. (1987). "Ortam Basıncında Yeni Karışık Fazlı Y-Ba-Cu-O Bileşik Sisteminde 93 K'da Süperiletkenlik". Fiziksel İnceleme Mektupları. 58 (9): 908–910. Bibcode:1987PhRvL..58..908W. doi:10.1103 / PhysRevLett.58.908. PMID  10035069.
  4. ^ Chu, C.W. (2012). "4.4 Cuprates - T'li Süperiletkenlerc 164 K'ye kadar ". Rogalla, Horst; Kes, Peter H. (ed.). 100 yıllık süper iletkenlik. Boca Raton: CRC Press / Taylor & Francis Group. sayfa 244–254. ISBN  9781439849484.
  5. ^ a b c d Housecroft, C. E .; Sharpe, A.G. (2004). İnorganik kimya (2. baskı). Prentice Hall. ISBN  978-0-13-039913-7.
  6. ^ a b c d Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Elementlerin Kimyası (2. baskı). Butterworth-Heinemann. ISBN  978-0-08-037941-8.
  7. ^ Sekitani, T .; Miura, N .; Ikeda, S .; Matsuda, Y.H .; Shiohara, Y. (2004). "Optimum katkılı YBa için üst kritik alan2Cu3Ö7 − δ". Physica B: Yoğun Madde. 346–347: 319–324. Bibcode:2004PhyB..346..319S. doi:10.1016 / j.physb.2004.01.098.
  8. ^ Güneş, Yang-Kook ve Oh, In-Hwan (1996). "Ultra İnce YBa'nın Hazırlanması2Cu3Ö7 − x Poli (vinil alkol) Destekli Sol-Jel Yöntemi ile Süperiletken Tozları. San. Müh. Chem. Res. 35 (11): 4296. doi:10.1021 / ie950527y.
  9. ^ Zhou, Derong (1991). "Bir Aerosol İşlemiyle Yttrium Baryum Bakır Oksit Süperiletken Toz Üretimi". Cincinnati Üniversitesi: 28. Bibcode:1991PhDT ........ 28Z. Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  10. ^ Casta o, O; Cavallaro, A; Palau, A; Gonz Lez, J C; Rossell, M; Puig, T; Sandiumenge, F; Mestres, N; Pi Ol, S; Pomar, A; Obradors, X (2003). "Yüksek kaliteli YBa2Cu3Ö{7–x} trifloroasetatlar metal-organik biriktirme ile büyütülen ince filmler ". Süper ikinci. Sci. Technol. 16 (1): 45–53. Bibcode:2003 SuScT.16 ... 45C. doi:10.1088/0953-2048/16/1/309.
  11. ^ Oka, K (1998). "Süperiletken PrBa'nın kristal büyümesi2Cu3Ö7 − y". Physica C. 300 (3–4): 200. Bibcode:1998PhyC..300..200O. doi:10.1016 / S0921-4534 (98) 00130-0.
  12. ^ Küçük, modüler, verimli bir füzyon tesisi | MIT Haberleri. Newsoffice.mit.edu. Erişim tarihi: 2015-12-09.
  13. ^ MIT, bir ARC füzyon reaktörüne daha yakın olan Tony Stark'tan bir sayfa alıyor
  14. ^ Xu, F .; et al. (1998). "YBa'nın Yüzey Koordinasyon Kimyası2Cu3Ö7 − δ". Langmuir. 14 (22): 6505. doi:10.1021 / la980143n.
  15. ^ Grant, Paul (30 Temmuz 1987). "Kendin Yap Süper İletkenler". Yeni Bilim Adamı. Reed Business Information. 115 (1571): 36. Alındı 12 Ocak 2019.

Dış bağlantılar