钇钡铜氧
维基百科，自由的百科全书
| 钇钡铜氧 | |
|---|---|
 |
|
| IUPAC英文名 | Yttrium barium copper oxide |
| 其它名稱 | YBCO，钇钡铜氧化物 |
| 識別 | |
| CAS號 | |
| 性質 | |
| 化學式 | YBa2Cu3O7 |
| 摩爾質量 | 666.19 g mol-1 |
| 外觀 | 黑色固体 |
| 密度 | 4.4 ~ 5.3 g/cm3[1] |
| 熔點 | >600 °C |
| 在水中的溶解度 | 不可溶 |
| 結構 | |
| 晶體結構 | 钙钛矿变形 |
| 配位幾何 | 四方 |
| 危險性 | |
| EU分类 | 刺激性 (Xi) |
| 相關化學品 | |
| 相關高温超导体 | BaLaO3-x |
| 相關化學品 | 氧化钇，氧化钡，氧化铜 |
| 若非注明，所有数据都依從国际单位制，以及来自标准状况（25 °C, 100 kPa）的条件。 化學品框的說明和參考文獻 |
|
钇钡铜氧，或称钇钡铜氧化物、YBCO，是化学式为YBa2Cu3O7的化合物。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。
目录 |
[编辑] 历史
在发现超导性后的第75年，在苏黎世IBM工作的约翰内斯·格奥尔格·贝德诺尔茨和卡尔·亚历山大·米勒发现特定的半导体氧化物可以在高于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，亨茨维尔亚拉巴马州大学的吴茂昆及其毕业生（Ashburn和Torng），与休斯顿大学的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或液氢冷却（Tb = 20.28 K）。
[编辑] 合成
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，只有小心控制退火和淬火的温度和速度，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]以及气溶胶法[5]。这些方法在烧结时仍然需要小心。
[编辑] 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]钇原子存在于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]和[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。δ = 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）。然而镨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(
,
)，相干长度(
,
)。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，如铌(
)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。
[编辑] 应用
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逊结中的磁体。
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。
[编辑] YBCO的表面改性
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中路易斯酸性的Cu位点结合生成稳定的配位键。
[编辑] 磁悬浮
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变为反磁性，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]
[编辑] 视频
 |
|
[编辑] 参考资料
- ^ R. Swarup, A. K. Gupta and M. C. Bansal（1995年）． “Effect of sample density on magnetic penetration depth in YBaCuO ceramic superconductors”．Journal of Superconductivity．8（3）：361-364．DOI:10.1007/BF00728172．
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 C. E. Housecroft, A. G. Sharpe and C. E. Housecroft（2005）．Inorganic chemistry．Pearson Prentice Hall．ISBN 0130399132．
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 N. N. Greenwood and A. Earnshaw（1997）．Chemistry of the elements．Butterworth-Heinemann．ISBN 0750633654 (pbk.)．
- ^ Yang-Kook Sun, In-Hwan Oh Ind. Eng. Chem. Res. 1996, 35, 4296
- ^ Zhou, Derong（1991年6月25日）．Yttrium Barium Copper Oxide Superconducting Powder Generation by An Aerosol Process（Ph.D. Thesis）．University of Cincinnati．
- ^ Oka, et al. Physica C, v 300, n 3-4, 10 May 1998, 200-6
- ^ Xu et al. Langmuir, 1998, 14 (22)
