stringtranslate.com

Оксид иттрия-бария-меди

Оксид иттрия, бария и меди ( YBCO ) — это семейство кристаллических химических соединений , которые демонстрируют высокотемпературную сверхпроводимость ; оно включает в себя первый материал, когда-либо обнаруженный, который становится сверхпроводящим выше точки кипения жидкого азота [77 К (−196,2 °C; −321,1 °F)] при температуре около 93 К (−180,2 °C; −292,3 °F). [3]

Многие соединения YBCO имеют общую формулу Y Ba 2 Cu 3 O 7− x (также известную как Y123), хотя существуют материалы с другими соотношениями Y:Ba:Cu, такие как Y Ba 2 Cu 4 O y (Y124) или Y 2 Ba 4 Cu 7 O y (Y247). В настоящее время не существует единой признанной теории высокотемпературной сверхпроводимости.

Он входит в более общую группу оксидов редкоземельных металлов — бария и меди (ReBCO), в которых вместо иттрия присутствуют другие редкоземельные элементы.

История

В апреле 1986 года Георг Беднорц и Карл Мюллер , работая в IBM в Цюрихе , обнаружили, что некоторые полупроводниковые оксиды становятся сверхпроводящими при относительно высокой температуре, в частности, оксид лантана, бария и меди становится сверхпроводящим при 35 К. Этот оксид был кислороддефицитным перовскитным материалом, который оказался многообещающим и стимулировал поиск родственных соединений с более высокими температурами сверхпроводящего перехода. В 1987 году Беднорц и Мюллер были совместно удостоены Нобелевской премии по физике за эту работу.

После открытия Беднорца и Мюллера группа под руководством Пола Чинг Ву Чу из Университета Алабамы в Хантсвилле и Университета Хьюстона обнаружила, что YBCO имеет критическую температуру сверхпроводящего перехода ( T c ) 93 К. [3] Первые образцы были Y 1.2 Ba 0.8 Cu O 4 , но это был средний состав для двух фаз, черной и зеленой. Сотрудники Bell Laboratories идентифицировали черную фазу как сверхпроводник, определили ее состав YBa 2 Cu 3 O 7−δ и синтезировали ее в одной фазе [4]

YBCO был первым материалом, который стал сверхпроводящим при температуре выше 77 К, точки кипения жидкого азота , тогда как большинство других сверхпроводников требуют более дорогих криогенов. Тем не менее, YBCO и многие родственные ему материалы пока не вытеснили сверхпроводники, требующие для охлаждения жидкий гелий .

Синтез

Относительно чистый YBCO был впервые синтезирован путем нагревания смеси карбонатов металлов при температурах от 1000 до 1300 К. [5] [6]

4 BaCO 3 + Y 2 (CO 3 ) 3 + 6 CuCO 3 + ( 1 ⁄ 2 - x ) O 2 → 2 YBa 2 Cu 3 O 7− x + 13 CO 2

Современные синтезы YBCO используют соответствующие оксиды и нитраты. [6]

Сверхпроводящие свойства YBa 2 Cu 3 O 7− x чувствительны к значению x , содержанию кислорода. Только те материалы, у которых 0 ≤ x ≤ 0,65, являются сверхпроводящими ниже T c , а когда x ~ 0,07 , материал становится сверхпроводящим при самой высокой температуре95 К , [6] или в самых сильных магнитных полях:120  Т для перпендикуляра B и250 Тл для B , параллельного плоскостям CuO 2. [7]

Помимо чувствительности к стехиометрии кислорода, свойства YBCO зависят от используемых методов кристаллизации. Необходимо соблюдать осторожность при спекании YBCO. YBCO — кристаллический материал, и наилучшие сверхпроводящие свойства достигаются, когда границы кристаллических зерен выравниваются путем тщательного контроля температурных скоростей отжига и закалки .

Многочисленные другие методы синтеза YBCO были разработаны с момента его открытия Ву и его коллегами, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), [5] [6] золь-гель [ 8] и аэрозольные [9] методы. Однако эти альтернативные методы по-прежнему требуют тщательного спекания для получения качественного продукта.

Однако новые возможности были открыты с тех пор, как было обнаружено, что трифторуксусная кислота ( TFA ), источник фтора, предотвращает образование нежелательного карбоната бария (BaCO3 ) . Такие пути, как CSD (химическое осаждение из раствора), открыли широкий спектр возможностей, особенно при изготовлении длинных лент YBCO. [10] Этот путь снижает температуру, необходимую для получения правильной фазы, примерно до 700 °C (973 K; 1292 °F). Это, а также отсутствие зависимости от вакуума, делает этот метод очень многообещающим способом получения масштабируемых лент YBCO.

Структура

Часть структуры решетки оксида иттрия-бария-меди

YBCO кристаллизуется в дефектной перовскитной структуре, состоящей из слоев. Граница каждого слоя определяется плоскостями квадратных плоских единиц CuO 4 , имеющих 4 общие вершины. Плоскости иногда могут быть слегка сморщенными. [5] Перпендикулярно этим плоскостям CuO 4 расположены ленты CuO 2 , имеющие 2 общие вершины. Атомы иттрия находятся между плоскостями CuO 4 , в то время как атомы бария находятся между лентами CuO 2 и плоскостями CuO 4 . Эта структурная особенность проиллюстрирована на рисунке справа.

Как и многие сверхпроводники II типа , YBCO может демонстрировать закрепление потока : линии магнитного потока могут быть закреплены на месте в кристалле с силой, необходимой для перемещения части из определенной конфигурации магнитного поля. Таким образом, часть YBCO, помещенная над магнитной дорожкой, может левитировать на фиксированной высоте. [5]

Хотя YBa 2 Cu 3 O 7 является хорошо определенным химическим соединением с определенной структурой и стехиометрией, материалы с менее чем семью атомами кислорода на формульную единицу являются нестехиометрическими соединениями . Структура этих материалов зависит от содержания кислорода. Эта нестехиометрия обозначается как x в химической формуле YBa 2 Cu 3 O 7− x . Когда x = 1, позиции O(1) в слое Cu(1) (как обозначено в элементарной ячейке) являются вакантными, а структура является тетрагональной . Тетрагональная форма YBCO является изолирующей и не является сверхпроводящей. Небольшое увеличение содержания кислорода приводит к тому, что больше позиций O(1) становятся занятыми. При x < 0,65 образуются цепочки Cu-O вдоль оси b кристалла. Удлинение оси b изменяет структуру на орторомбическую с параметрами решетки a = 3,82, b = 3,89 и c = 11,68 Å. [12] Оптимальные сверхпроводящие свойства достигаются при x ~ 0,07, т. е. почти все позиции O(1) заняты, с небольшим количеством вакансий.

В экспериментах, где другие элементы замещаются на участках Cu и Ba [ почему? ] , данные показали, что проводимость происходит в плоскостях Cu(2)O, в то время как цепи Cu(1)O(1) действуют как резервуары заряда, которые обеспечивают носители для плоскостей CuO. Однако эта модель не учитывает сверхпроводимость в гомологе Pr123 ( празеодим вместо иттрия). [13] Это (проводимость в медных плоскостях) ограничивает проводимость плоскостями a - b , и наблюдается большая анизотропия в транспортных свойствах. Вдоль оси c нормальная проводимость в 10 раз меньше, чем в плоскости a - b . Для других купратов в том же общем классе анизотропия еще больше, и межплоскостной транспорт сильно ограничен.

Более того, шкалы сверхпроводящей длины показывают схожую анизотропию как по глубине проникновения (λ ab ≈ 150 нм, λ c ≈ 800 нм), так и по длине когерентности (ξ ab ≈ 2 нм, ξ c ≈ 0,4 нм). Хотя длина когерентности в плоскости a - b в 5 раз больше, чем вдоль оси c , она довольно мала по сравнению с классическими сверхпроводниками, такими как ниобий (где ξ ≈ 40 нм). Эта скромная длина когерентности означает, что сверхпроводящее состояние более восприимчиво к локальным нарушениям из-за интерфейсов или дефектов порядка одной элементарной ячейки, таких как граница между двойниковыми кристаллическими доменами. Эта чувствительность к небольшим дефектам усложняет изготовление устройств с YBCO, и материал также чувствителен к деградации из-за влажности.

Предлагаемые приложения

Критический ток (КА/см2 ) в зависимости от абсолютной температуры (К) при различной интенсивности магнитного поля (Т) в YBCO, полученном методом инфильтрации-выращивания. [14]

Обсуждалось множество возможных применений этого и родственных высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Например, сверхпроводящие материалы находят применение в качестве магнитов в магнитно-резонансной томографии , магнитной левитации и переходах Джозефсона . (Наиболее используемый материал для силовых кабелей и магнитов — BSCCO .) [ необходима цитата ]

YBCO еще не нашел широкого применения во многих областях, связанных со сверхпроводниками, по двум основным причинам:

Наиболее перспективный метод, разработанный для использования этого материала, включает осаждение YBCO на гибкие металлические ленты, покрытые буферными оксидами металлов. Это известно как покрытый проводник . Текстура (выравнивание кристаллической плоскости) может быть введена в металлическую ленту (процесс RABiTS) или текстурированный керамический буферный слой может быть осажден с помощью ионного пучка на нетекстурированную подложку из сплава ( процесс IBAD ). Последующие оксидные слои предотвращают диффузию металла из ленты в сверхпроводник, одновременно перенося шаблон для текстурирования сверхпроводящего слоя. Новые варианты методов CVD, PVD и осаждения из раствора используются для производства больших длин конечного слоя YBCO с высокой скоростью. Компании, занимающиеся этими процессами, включают American Superconductor , Superpower (подразделение Furukawa Electric ), Sumitomo , Fujikura , Nexans Superconductors, Commonwealth Fusion Systems и European Advanced Superconductors. Гораздо большее количество научно-исследовательских институтов также производили ленту YBCO этими методами. [ необходима ссылка ]

Сверхпроводящая лента может стать ключом к конструкции термоядерного реактора токамак , который может обеспечить безубыточное производство энергии. [15] YBCO часто классифицируется как редкоземельный оксид бария и меди (REBCO). [16]

Модификация поверхности

Поверхностная модификация материалов часто приводила к новым и улучшенным свойствам. Ингибирование коррозии, адгезия и зародышеобразование полимеров, приготовление органических сверхпроводниковых/изоляторных/высокотемпературных сверхпроводниковых трехслойных структур и изготовление туннельных переходов металл/изолятор/сверхпроводник были разработаны с использованием модифицированного поверхностью YBCO. [17]

Эти молекулярные слоистые материалы синтезируются с использованием циклической вольтамперометрии . До сих пор YBCO, слоистый с алкиламинами, ариламинами и тиолами , был получен с различной стабильностью молекулярного слоя. Было высказано предположение, что амины действуют как основания Льюиса и связываются с кислотными участками Cu поверхности Льюиса в YBa 2 Cu 3 O 7 с образованием стабильных координационных связей .

Массовое производство

Компания SuperOx смогла произвести более 186 миль YBCO за 9 месяцев для использования в термоядерном магните.

В 1987 году, вскоре после его открытия, физик и научный автор Пол Грант опубликовал в британском журнале New Scientist простое руководство по синтезу сверхпроводников YBCO с использованием широкодоступного оборудования. [18] Отчасти благодаря этой статье и аналогичным публикациям того времени, YBCO стал популярным высокотемпературным сверхпроводником для использования любителями и в образовании, поскольку эффект магнитной левитации можно легко продемонстрировать, используя жидкий азот в качестве хладагента.

В 2021 году российско-японская компания SuperOx разработала новый производственный процесс для изготовления провода YBCO для термоядерных реакторов. Было показано, что этот новый провод проводит от 700 до 2000 ампер на квадратный миллиметр. Компания смогла произвести 186 миль провода за 9 месяцев, с 2019 по 2021 год, что значительно увеличило производственные мощности. Компания использовала процесс плазменно-лазерного осаждения на электрополированном субстрате для изготовления ленты шириной 12 мм, а затем разрезала ее на ленту шириной 3 мм. [19]

Ссылки

  1. ^ Книжник, А (2003). «Взаимосвязь условий приготовления, морфологии, химической реактивности и однородности керамического YBCO». Physica C: Сверхпроводимость . 400 (1–2): 25. Bibcode :2003PhyC..400...25K. doi :10.1016/S0921-4534(03)01311-X.
  2. ^ Грехов, И (1999). "Исследование режима роста ультратонких пленок ВТСП YBCO на буфере YBaCuNbO". Physica C: Сверхпроводимость . 324 (1): 39. Bibcode :1999PhyC..324...39G. doi : 10.1016/S0921-4534(99)00423-2 .
  3. ^ ab Wu, MK; Ashburn, JR; Torng, CJ; Hor, PH; Meng, RL; Gao, L; Huang, ZJ; Wang, YQ; Chu, CW (1987). "Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной фазе Y-Ba-Cu-O Compound System при давлении окружающей среды". Physical Review Letters . 58 (9): 908–910. Bibcode :1987PhRvL..58..908W. doi : 10.1103/PhysRevLett.58.908 . PMID  10035069.
  4. ^ RJ Cava, B. Batlogg, RB van Dover, DW Murphy, S. Sunshine, T. Siegrist, JP Remeika, EA Rietman, S. Zahurak и GP Espinosa, Physical Review Letters 58, 1676 (1987), подано 5 марта 1987 г., «Объемная сверхпроводимость при 91 К в однофазном кислородно-дефицитном перовските Ba2YCu3O9−δ» / и патент США 6,6635,603 (BJ Batlogg, RJ Cava, RB van Dover), Macilwain, C. Bell Labs выиграла патент на сверхпроводимость. Nature 403, 121–122 (2000). https://doi.org/10.1038/35003008 |
  5. ^ abcd Housecroft, CE; Sharpe, AG (2004). Неорганическая химия (2-е изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-039913-7.
  6. ^ abcde Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  7. ^ Секитани, Т.; Миура, Н.; Икеда, С.; Мацуда, ЙХ; Шиохара, Й. (2004). «Верхнее критическое поле для оптимально легированного YBa 2 Cu 3 O 7−δ ». Physica B: Condensed Matter . 346–347: 319–324. Bibcode :2004PhyB..346..319S. doi :10.1016/j.physb.2004.01.098.
  8. ^ Сан, Янг-Кук и О, Ин-Хван (1996). «Приготовление сверхтонких порошков сверхпроводника YBa 2 Cu 3 O 7−x методом золь-гель с использованием поливинилового спирта». Ind. Eng. Chem. Res . 35 (11): 4296. doi :10.1021/ie950527y.
  9. ^ Чжоу, Деронг (1991). «Получение сверхпроводящего порошка оксида иттрия-бария-меди с помощью аэрозольного процесса». Университет Цинциннати: 28. Bibcode : 1991PhDT........28Z. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  10. ^ Casta o, O; Cavallaro, A; Palau, A; Gonz Lez, JC; Rossell, M; Puig, T; Sandiumenge, F; Mestres, N; Pi Ol, S; Pomar, A; Obradors, X (2003). "Высококачественные тонкие пленки YBa 2 Cu 3 O {7– x }, выращенные методом металлоорганического осаждения трифторацетатов". Supercond. Sci. Technol . 16 (1): 45–53. Bibcode :2003SuScT..16...45C. doi :10.1088/0953-2048/16/1/309. S2CID  250765145.
  11. ^ Уильямс, А.; Квей, ГХ; Фон Дреле, РБ; Райстрик, ИД; Биш, ДЛ (1988). «Совместное рентгеновское и нейтронное уточнение структуры сверхпроводящего YBa2Cu3O7 − x : прецизионная структура, анизотропные тепловые параметры, деформация и катионный беспорядок». Phys. Rev. B. 37 ( 13): 7960–7962. doi : 10.1103 /PhysRevB.37.7960. PMID  9944122.
  12. ^ Mook, HA (31 мая 1993 г.). "Определение магнитных возбуждений в YBa2Cu3O7 с помощью поляризованных нейтронов". Physical Review Letters . 70 (22): 3490–3493. doi :10.1103/PhysRevLett.70.3490. PMID  10053882.
  13. ^ Ока, К (1998). "Рост кристаллов сверхпроводящего PrBa 2 Cu 3 O 7−y ". Physica C. 300 ( 3–4): 200. Bibcode :1998PhyC..300..200O. doi :10.1016/S0921-4534(98)00130-0.
  14. ^ Koblischka-Veneva, Anjela; Koblischka, Michael R.; Berger, Kévin; Nouailhetas, Quentin; Douine, Bruno; Muralidhar, Miryala; Murakami, Masato (август 2019 г.). «Сравнение температурных и полевых зависимостей критических плотностей тока объемных сверхпроводников YBCO, MgB₂ и на основе железа». IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 29 (5): 1–5. Bibcode : 2019ITAS...2900932K. doi : 10.1109/TASC.2019.2900932. ISSN  1558-2515. S2CID  94789535.
  15. ^ Небольшая, модульная, эффективная термоядерная установка | Новости MIT. Newsoffice.mit.edu. Получено 09.12.2015.
  16. ^ Массачусетский технологический институт берет пример с Тони Старка и приближается к созданию термоядерного реактора ARC
  17. ^ Сюй, Ф.; и др. (1998). «Поверхностно-координационная химия YBa 2 Cu 3 O 7-δ ». Ленгмюр . 14 (22): 6505. дои : 10.1021/la980143n.
  18. ↑ Грант, Пол (30 июля 1987 г.). «Сделай сам сверхпроводники». New Scientist . 115 (1571). Reed Business Information: 36. Получено 12 января 2019 г.
  19. ^ Молодык, А.; и др. (2021). «Разработка и крупносерийное производство сверхпроводящих проводов YBa2Cu3O7 с чрезвычайно высокой плотностью тока для термоядерного синтеза». Scientific Reports . 11 (1) 2084: 2084. doi : 10.1038/s41598-021-81559-z . PMC 7822827 . PMID  33483553. 

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме оксид иттрия бария меди .