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釔鋇銅氧

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釔鋇銅氧
IUPAC名
Yttrium barium copper oxide
別名 YBCO,釔鋇銅氧化物
識別
CAS號 107539-20-8  ✓
性質
化學式 YBa2Cu3O7
摩爾質量 666.19 g·mol⁻¹
外觀 黑色固體
密度 4.4 ~ 5.3 g/cm3[1]
熔點 >600 °C
溶解性 不可溶
結構
晶體結構 鈣鈦礦變形
配位幾何 四方
危險性
歐盟分類 刺激性 (Xi)
相關物質
相關高溫超導體 BaLaO3-x
相關化學品 氧化釔氧化鋇氧化銅
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

釔鋇銅氧,或稱釔鋇銅氧化物YBCO,是化學式YBa2Cu3O7化合物。它是著名的高溫超導體,屬於第二類超導體,並且是第一個製得轉變溫度在液氮沸點以上的材料。

歷史

在發現超導性後的第75年,在蘇黎世IBM工作的約翰內斯·貝德諾爾茨卡爾·米勒發現特定的半導體氧化物可以在低於35K的溫度下顯示出超導性,特別是鑭鋇銅氧化物,一種缺氧鈣鈦礦型的潛在材料。

在此基礎上,1987年,亨茨維爾亞拉巴馬大學的吳茂昆及其研究生(Ashburn和Torng),與休斯頓大學朱經武和他的學生共同發現了釔鋇銅氧,也因此引發了對新高溫超導材料的研究熱潮。

YBCO是首個超導溫度在77K以上的材料,也就是說它的轉變溫度高於液氮的沸點,用相對便宜的液氮就可以冷卻。之前發現的超導體都必須用液氦液氫冷卻(Tb = 20.28 K)。

合成

YBCO最早是通過在1000-1300K加熱金屬碳酸鹽混合物製備的。[2][3]

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

現在YBCO的製取以相應的硝酸鹽和氧化物為原料。[3]

YBa2Cu3O{7-x}的超導性質與x值(氧含量)很有關係,只有滿足0≤x≤0.5的材料在Tc溫度下有超導性,當x~0時其轉變溫度最高,為95K。[3]

除了氧的計量比外,YBCO的性質也由結晶方式決定。在燒結YBCO時必須小心,因為YBCO是晶體材料,只有小心控制退火淬火的溫度和速度,校準晶界,才可以使其超導性達到最佳。

吳茂昆和同事提出了其他合成YBCO的方法,比如化學氣相沉積(CVD)[2][3]、溶膠-凝膠[4]以及氣溶膠[5]。這些方法在燒結時仍然需要小心。

結構

YBCO結構
YBCO結構

YBCO為鈣鈦礦缺陷型層狀結構,含有CuO-CuO2-CuO2-CuO交替的層,CuO2層可以有變形和皺褶。[2] 原子存在於CuO2和CuO2層中,BaO層則在CuO與CuO2兩層之間。

當YBa2Cu3O7中氧原子計量小於7時,根據具體數值的不同,這些非計量化合物結構可以有差異,可以化學式中的δ來表示。 = 1時為四方結構,CuO層(Cu(1))的O(1)為空,不顯示超導性。略微增加氧的含量會增加O(1)的佔有率。δ< 0.65時b軸形成Cu-O鏈,結構變為正交,晶格參數分別為a=3.82、b=3.89及其c=11.68Å。當δ ~0.07時超導性最佳,O(1)中只有少數幾個為空。

有證據顯示,當其它原子取代Cu和Ba[來源請求]時,超導性發生在Cu(2)O層,Cu(1)O(1)鏈只用作儲存電荷(charge reservoirs)。然而取代釔後形成化合物的超導性與此相矛盾。[6]

釔鋇銅氧的超導長度規表現出各向異性,穿透深度 ,相干長度 。雖然a-b平面的相干長度是c軸的6倍之多,但與傳統的超導體,如)相比仍顯得較小。這意味着其超導態易受到界面或晶胞缺陷的影響,因此對製作YBCO時的儀器要求增高,並且YBCO對潮濕環境相當敏感。

應用

釔鋇銅氧
釔鋇銅氧

高溫超導體有很多實際中的應用,例如可用作核磁共振成像磁懸浮設施以及約瑟夫森結中的磁體。

主要有兩個問題限制了YBCO在超導方面的應用:

  • 第一,YBCO單晶有很高的臨界電流密度,至於多晶則很低(保持超導態時僅能通過很小的電流)。這是由材料的晶粒界面造成:當晶界角大於約5°時,超導電流就無法越過界面。這個問題可由通過化學氣相沉積製備薄膜或調準晶界得到改善。
  • 第二,此類的氧化物材料很脆,以傳統方法製成線狀並不能很好地保留其超導性質。

另外,很多情況下大規模冷卻物體至液氮的溫度並不十分實際。

YBCO的表面改性

表面改性常會導致材料的新性質。表面改性的YBCO可衍生出許多性質,如抑制腐蝕、黏合聚合物、成核,製備有機超導體/絕緣體/高溫超導體以及製備金屬/絕緣體/超導體隧道結。[7]

這些分子層狀材料可用循環伏安法製備。目前已製得烷基胺、芳香胺和硫醇與YBCO形成的材料,它們穩定性不一。有理論認為在這其中胺扮演路易斯鹼,與YBa2Cu3O7路易斯酸性的Cu位點結合生成穩定的配位鍵。

磁懸浮

YBCO和其他超導體一樣,在轉變溫度會發生邁斯納效應。在該溫度或低於該溫度時,YBCO變為抗磁性,內部磁通量為零,磁力線無法進入超導體,超導體排斥體內的磁場。因此這時超導體表面的任何磁鐵都會懸浮起來,見下方的影片。[2]

影片

釔鋇銅氧的超導性質

釔鋇銅氧磁懸浮錄像(360KBOgg/Theora格式)。



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參考資料

註釋

  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.) 請檢查|isbn=值 (幫助). 
  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

外部連結

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