stringtranslate.com

Оксид иттрия, бария, меди

Оксид иттрия, бария, меди ( YBCO ) представляет собой семейство кристаллических химических соединений , обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью ; он включает в себя первый когда-либо обнаруженный материал, который становится сверхпроводящим при температуре выше температуры 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, например Y Ba 2 Cu 4 O y (Y124) или Y 2. Ba 4 Cu 7 O y (Y247). В настоящее время не существует однозначно признанной теории высокотемпературной сверхпроводимости.

Он является частью более общей группы 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 , работавшие в IBM в Цюрихе , обнаружили, что некоторые полупроводниковые оксиды становятся сверхпроводящими при относительно высокой температуре, в частности, оксид лантана, бария, меди становится сверхпроводящим при 35 К. Этот оксид представлял собой перовскит с дефицитом кислорода. -родственный материал, который оказался многообещающим и стимулировал поиск родственных соединений с более высокими температурами сверхпроводящего перехода. В 1987 году за эту работу Беднорц и Мюллер были совместно удостоены Нобелевской премии по физике.

После открытия Беднорца и Мюллера группа под руководством Пола Чинга Ву Чу из Университета Алабамы в Хантсвилле и Университета Хьюстона обнаружила, что YBCO имеет критическую температуру сверхпроводящего перехода ( T c ) 93 К. [3] Первыми образцами были Y 1,2 Ba 0,8 Cu O 4 , но это был средний состав для двух фаз – черной и зеленой. Работники Bell Laboratories идентифицировали черную фазу как сверхпроводник, определили ее состав YBa 2 Cu 3 O 7−δ и синтезировали ее в однофазном виде [4]

YBCO был первым материалом, который, как было обнаружено, стал сверхпроводящим при температуре выше 77 К, температуры кипения жидкого азота , тогда как для большинства других сверхпроводников требуются более дорогие криогены. Тем не менее, YBCO и многие родственные ему материалы еще 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

В современных синтезах YBCO используются соответствующие оксиды и нитраты. [6]

Сверхпроводящие свойства YBa 2 Cu 3 O 7− x чувствительны к значению x , содержанию в нем кислорода. Только те материалы с 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  T для перпендикуляра B и250 Тл для B параллельно плоскостям CuO 2 . [7]

Помимо чувствительности к стехиометрии кислорода, на свойства YBCO влияют используемые методы кристаллизации. При спекании YBCO необходимо соблюдать осторожность . YBCO представляет собой кристаллический материал, и наилучшие сверхпроводящие свойства достигаются, когда границы кристаллических зерен выравниваются путем тщательного контроля температур отжига и закалки .

С момента его открытия Ву и его коллегами было разработано множество других методов синтеза YBCO, таких 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 открылись после открытия того, что трифторуксусная кислота ( ТФУ ), источник фтора, предотвращает образование нежелательного карбоната бария (BaCO 3 ). Такие методы, как CSD (химическое осаждение 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 перспективным способом получения масштабируемых лент YBCO.

Состав

Часть решетки оксида иттрия, бария, меди.

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

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

Хотя YBa 2 Cu 3 O 7 представляет собой четко определенное химическое соединение со специфической 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 буквой x в химической формуле YBa 2 Cu 3 O 7- x . Когда x = 1, позиции O(1) в слое Cu(1) (как отмечено в элементарной ячейке) вакантны и структура является тетрагональной . Тетрагональная форма YBCO является изолирующей и не является сверхпроводящей. Небольшое увеличение содержания кислорода приводит к занятию большего количества мест O (1). При x < 0,65 образуются цепочки Cu-O вдоль оси b кристалла. Удлинение оси b изменяет структуру на ромбическую с параметрами решетки a = 3,82, b = 3,89 и c = 11,68 Å. [12] Оптимальные сверхпроводящие свойства наблюдаются при x ~ 0,07, т. е. почти все позиции O(1) заняты и имеется мало вакансий.

В экспериментах, где Cu и Ba замещаются другими элементами [ почему? ] -сайты, данные показали, что проводимость происходит в плоскостях Cu(2)O, в то время как цепочки Cu(1)O(1) действуют как резервуары заряда, которые обеспечивают переносчики к плоскостям CuO. Однако эта модель не учитывает сверхпроводимость гомолога Pr123 ( празеодима вместо иттрия). [13] Это (проводимость в медных плоскостях) ограничивает проводимость плоскостями a - b , и наблюдается большая анизотропия транспортных свойств. Вдоль оси с нормальная проводимость в 10 раз меньше, чем в плоскости а — b . Для других купратов того же общего класса анизотропия еще больше, а перенос между плоскостями сильно ограничен.

Кроме того, сверхпроводящие шкалы длины демонстрируют аналогичную 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 с , она весьма мала по сравнению с классическими сверхпроводниками, такими как ниобий (где ξ ≈ 40 нм). Эта умеренная длина когерентности означает, что сверхпроводящее состояние более восприимчиво к локальным разрушениям 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, а материал также чувствителен к разложению из-за влажности.

Предлагаемые приложения

Критический ток (КА/см 2 ) в зависимости от абсолютной температуры (К) при различной напряженности магнитного поля (Т) в YBCO, полученном методом инфильтрационного выращивания. [14]

Обсуждались многие возможные применения этого и родственных ему высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Например, сверхпроводящие материалы находят применение в качестве магнитов в магнитно-резонансной томографии , магнитной левитации и джозефсоновских переходах . ( Наиболее используемый материал для силовых кабелей и магнитов — BSCCO . )

YBCO еще не использовался во многих приложениях, связанных со сверхпроводниками, по двум основным причинам:

Наиболее перспективный метод, разработанный для использования этого материала, включает нанесение YBCO на гибкие металлические ленты, покрытые буферными оксидами металлов. Это известно как проводник с покрытием . Текстура (выравнивание плоскости кристалла) может быть нанесена на металлическую ленту (процесс RABiTS) или текстурированный керамический буферный слой может быть нанесен с помощью ионного луча на подложку из нетекстурированного сплава (процесс IBAD ). Последующие оксидные слои предотвращают диффузию металла из ленты в сверхпроводник при переносе шаблона для текстурирования сверхпроводящего слоя. Новые варианты методов CVD, PVD и осаждения из раствора используются для получения конечного слоя YBCO большой длины с высокой скоростью. В число компаний, реализующих эти процессы, входят American Superconductor , Superpower (подразделение Furukawa Electric ), Sumitomo , Fujikura , Nexans Superconductors, Commonwealth Fusion Systems и European Advanced Superconductors. Гораздо большее количество исследовательских институтов также произвело ленту YBCO этими методами. [ нужна цитата ]

Сверхпроводящая лента может стать ключом к конструкции термоядерного реактора токамака , который сможет обеспечить безубыточное производство энергии. [15] YBCO часто относят к категории редкоземельных оксидов бария и меди (REBCO). [16]

Модификация поверхности

Модификация поверхности материалов часто приводила к получению новых и улучшенных свойств. Ингибирование коррозии, адгезия и зародышеобразование полимеров, получение трехслойных структур органический сверхпроводник/изолятор/высокотемпературный сверхпроводник , а также изготовление туннельных переходов металл/изолятор/сверхпроводник были разработаны с использованием поверхностно-модифицированного YBCO. [17]

Эти молекулярные слоистые материалы синтезируются с помощью циклической вольтамперометрии . К настоящему времени получены YBCO со слоями алкиламинов, ариламинов и тиолов с различной стабильностью молекулярного слоя. Было высказано предположение, что амины действуют как основания Льюиса и связываются с кислотными участками поверхности Льюиса Cu в YBa 2 Cu 3 O 7 с образованием стабильных координационных связей .

Массовое производство

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 писатель Пол Грант опубликовал в британском журнале New Scientist простое руководство по синтезу сверхпроводников YBCO с использованием широко доступного оборудования. [18] Частично 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 охлаждающей жидкости.

В 2021 году российско-японская компания SuperOx разработала новый технологический процесс изготовления проволоки YBCO для термоядерных реакторов. Было показано, что этот новый провод проводит ток от 700 до 2000 ампер на квадратный миллиметр. Компания смогла произвести 186 миль проволоки за 9 месяцев, в период с 2019 по 2021 год, что значительно улучшило производственные мощности. Компания использовала процесс плазменно-лазерного осаждения на электрополированную подложку, чтобы изготовить ленту шириной 12 мм, а затем разрезать ее на ленту шириной 3 мм. [19]

Рекомендации

  1. ^ Книжник, А (2003). «Взаимосвязь условий получения, морфологии, химической активности и однородности керамики YBCO». Физика C: Сверхпроводимость . 400 (1–2): 25. Бибкод : 2003PhyC..400...25K. doi : 10.1016/S0921-4534(03)01311-X.
  2. ^ Грехов, И (1999). «Исследование режима роста ультратонких ВТСП-пленок YBCO на буфере YBaCuNbO». Физика C: Сверхпроводимость . 324 (1): 39. Бибкод : 1999PhyC..324...39G. дои : 10.1016/S0921-4534(99)00423-2 .
  3. ^ Аб Ву, МК; Эшберн, младший; Торнг, CJ; Хор, PH; Мэн, РЛ; Гао, Л; Хуанг, ZJ; Ван, YQ; Чу, CW (1987). «Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной системе соединений Y-Ba-Cu-O при внешнем давлении». Письма о физических отзывах . 58 (9): 908–910. Бибкод : 1987PhRvL..58..908W. doi : 10.1103/PhysRevLett.58.908 . ПМИД  10035069.
  4. ^ Р. Дж. Кава, Б. Батлогг, Р.Б. ван Довер, Д. В. Мерфи, С. Саншайн, Т. Зигрист, Дж. П. Ремейка, Э. А. Ритман, С. Захурак и Г. П. Эспиноза, Physical Review Letters 58, 1676 (1987), субм. 5 марта 1987 г., «Объемная сверхпроводимость при 91 К в однофазном перовските с дефицитом кислорода Ba2YCu3O9-δ» и патент США 66635603 (Б.Дж. Батлогг, Р.Дж. Кава, Р.Б. ван Довер), Макилвейн, C. Bell Labs. выиграть патент на сверхпроводимость. Природа 403, 121–122 (2000). https://doi.org/10.1038/35003008 |
  5. ^ abcd Хаускрофт, CE; Шарп, АГ (2004). Неорганическая химия (2-е изд.). Прентис Холл. 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, Ю.Х.; Сиохара, Ю. (2004). «Верхнее критическое поле для оптимально легированного YBa 2 Cu 3 O 7−δ ». Физика Б: Конденсированное вещество . 346–347: 319–324. Бибкод : 2004PhyB..346..319S. doi :10.1016/j.physb.2004.01.098.
  8. ^ Сун, Ян Кук и О, Ин Хван (1996). «Получение сверхдисперсных порошков сверхпроводников YBa 2 Cu 3 O 7-x золь-гель-методом с использованием поливинилового спирта». Индийский англ. хим. Рез . 35 (11): 4296. doi : 10.1021/ie950527y.
  9. ^ Чжоу, Деронг (1991). «Получение сверхпроводящего порошка оксида иттрия, бария, меди аэрозольным способом». Университет Цинциннати: 28. Бибкод : 1991PhDT.......28Z. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  10. ^ Каста о, о; Кавалларо, А; Палау, А; Гонз Лез, JC; Росселл, М; Пуиг, Т; Сандиуменге, Ф; Местрес, Н.; Пи Ол, С; Помар, А; Обрадорс, X (2003). «Высококачественные тонкие пленки YBa 2 Cu 3 O {7– x } , выращенные методом осаждения металлоорганических соединений трифторацетатами». Суперконд. наук. Технол . 16 (1): 45–53. Бибкод : 2003SuScT..16...45C. дои : 10.1088/0953-2048/16/1/309. S2CID  250765145.
  11. ^ Уильямс, А.; Квей, GH; Фон Дриле, РБ; Рейстрик, ID; Биш, Д.Л. (1988). «Совместное рентгеновское и нейтронное уточнение структуры сверхпроводящего YBa 2 Cu 3 O 7-x : прецизионная структура, анизотропные тепловые параметры, деформации и катионный беспорядок». Физ. Преподобный Б. 37 (13): 7960–7962. doi : 10.1103/PhysRevB.37.7960. ПМИД  9944122.
  12. ↑ Мук, HA (31 мая 1993 г.). «Определение поляризованных нейтронов магнитных возбуждений в YBa2Cu3O7». Письма о физических отзывах . 70 (22): 3490–3493. doi : 10.1103/PhysRevLett.70.3490.
  13. ^ Ока, К. (1998). «Рост кристаллов сверхпроводящего PrBa 2 Cu 3 O 7−y ». Физика С. 300 (3–4): 200. Бибкод : 1998PhyC..300..200O. дои : 10.1016/S0921-4534(98)00130-0.
  14. ^ Коблишка-Венева, Анжела; Коблишка, Майкл Р.; Бергер, Кевин; Нуайетас, Квентин; Дуин, Бруно; Муралидхар, Мирьяла; Мураками, Масато (август 2019 г.). «Сравнение температурных и полевых зависимостей критических плотностей тока объемных YBCO, MgB₂ и сверхпроводников на основе железа». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 29 (5): 1–5. Бибкод : 2019ITAS...2900932K. дои : 10.1109/TASC.2019.2900932. ISSN  1558-2515. S2CID  94789535.
  15. ^ Небольшая модульная эффективная термоядерная установка | Новости Массачусетского технологического института. Newsoffice.mit.edu. Проверено 9 декабря 2015 г.
  16. ↑ Массачусетский технологический институт берет страницу у Тони Старка и приближается к термоядерному реактору ARC.
  17. ^ Сюй, Ф.; и другие. (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.). «Сверхпроводники своими руками». Новый учёный . 115 (1571). Деловая информация Рида: 36 . Проверено 12 января 2019 г. .
  19. ^ Молодик, А.; и другие. (2021). «Разработка и крупносерийное производство сверхпроводящих проводов YBa2Cu3O7 с чрезвычайно высокой плотностью тока для сварки». Научные отчеты . 11 (1) 2084: 2084. doi : 10.1038/s41598-021-81559-z . ПМЦ 7822827 . ПМИД  33483553. 

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть СМИ, связанные с оксидом иттрия, бария, меди .