釔鋇銅氧

釔鋇銅氧

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。

基本介紹

  • 中文名:釔鋇銅氧
  • 英文名:Yttrium barium copper oxide(YBCO)
  • 化學式:YBa2Cu3O7
  • 分子量:666.19
  • CAS登錄號:107539-20-8
  • 密度:6.3g/cm^3
  • 外觀:黑色固體
  • 套用:高溫超導材料
  • 儲藏方法:保持貯藏器密封、儲存在陰涼
歷史,合成,套用,YBCO的表面改性,磁懸浮,

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·貝德諾爾茨和卡爾·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,亨茨維爾阿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。
  • 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。
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。
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)、溶膠-凝膠以及氣溶膠法。這些方法在燒結時仍然需要小心。

套用

高溫超導體有很多實際中的套用,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在超導方面的套用:
  • 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。
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。

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