Yttriumbariumkuparioksidi
| Yttriumbariumkuparioksidi | |
|---|---|
 |
|
| Tunnisteet | |
| Muut nimet | YBCO |
| CAS-numero | |
| PubChem CID | |
| Ominaisuudet | |
| Molekyylikaava | YBa2Cu3O7 |
| Moolimassa | 666,19 g/mol |
| Ulkomuoto | musta, kiinteä aine |
| Sulamispiste | yli 1 000 °C |
| Tiheys | 6,3 g/cm3 |
| Liukoisuus veteen | ei liukene veteen |
Yttriumbariumkuparioksidi eli lyhennettynä YBCO on kiteinen kemiallinen yhdiste, jonka kaava on YBa2Cu3O7. Aine on tunnettu korkean lämpötilan suprajohde ja samalla ensimmäinen aine, joka saatiin suprajohtavaksi typen kiehumispistettä (77 K) korkeammassa lämpötilassa.
Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Huhtikuussa 1986, 75 vuotta suprajohtavuuden keksimisen jälkeen, IBM:llä Zürichissä työskennelleet Johannes Bednorz ja Karl Müller havaitsivat, että jotkut puolijohtavat metallioksidit tulivat suprajohtaviksi jo noin 35 kelvinissä, muihin aineisiin verrattuna melko korkeassa lämpötilassa. Tässä suhteessa lupaavilta vaikuttivat varsinkin lantaanibariumkuparioksidit. Vuonna 1987 he saivat havainnoistaan Nobelin fysiikanpalkinnon.
Heidän havaintoonsa perustuen Maw-Kuen Wu ja hänen oppilaansa Ashburn ja Torng[1] Alabaman yliopistossa Huntvillessä sekä Paul Chu ja hänen oppilaansa Houstonin yliopistossa totesivat vuonna 1987, että jos tässä aineessa lantaani korvataan yttriumilla, saadaan vielä korkeammassa lämpötilassa suprajohtavaksi tuleva aine, YBCO, jonka kriittinen lämpötila on 93 K. Ensimmäisen valmisteen koostumus oli tosin Y1.2Ba0.8CuO4.) Havainto johti pian monien uusien aikaisempaa korkeammassa lämpötilassa suprajohtaviksi tulevien aineiden löytämiseen.
YBCO oli ensimmäinen tunnettu aine, joka tulee suprajohtavaksi nestetypen kiehumispisteen (77 K) yläpuolella. Ennen sitä suprajohtavuus tunnettiin vain lämpötiloissa, jotka ovat lähellä nestemäisen vedyn (20,28 K) tai heliumin kiehumispistettä (4,2 K); korkein tunnettu kriittinen lämpötila, 23 K, oli niobiumin ja germaniumin yhdisteellä Nb3Ge. Paljon korkeamman kriittisen lämpötilansa vuoksi YBCO voidaankin jäähdyttää suprajohtavaksi paljon pienemmin kustannuksin.
Valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Jokseenkin puhdasta yttriumbariumkuparioksidia valmistettiin ensin kuumentamalla metallikarbonaattien seosta 1 000 ja 1 300 kelvinin välillä.[2][3] Tällöin tapahtunut reaktio oli:
- 4 BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6 CuCO3 + (1/2−x) O2 → 2 YBa2Cu3O7−x + 13 CO2
Nykyisin YBCO:n valmistukseen käytetään samojen metallien oksideja ja nitraatteja.
YBCO:n (YBa2Cu3O7−x) suprajohdeominaisuudet riippuvat vahvasti kaavassa esiintyvästä parametrista x, yhdisteen happipitoisuudesta. Vain jos x on välillä 0...0,65, aine tulee kriittisen lämpötilan alapuolella suprajohtavaksi, ja jos x on noin 0,07, se tulee suprajohtavaksi jo 95 kelvinin lämpötilassa,[3] ja suprajohtavuus säilyy magneettikentän suunnasta riippuen 120 tai jopa 250 teslan kentässä.[4]
Paitsi yhdisteen happipitoisuudesta, YBCO:n ominaisuudet riippuvat myös siitä, miten se on kiteytetty. Varsinkin sen sintrauksella on suuri vaikutus. YBCO on kiteinen aine, ja parhaat suprajohdeominaisuudet saadaan, jos kiteiden rajapinnat on lämpökäsittelyn avulla saatu tarkoin säädetyiksi tietyssä lämpötilassa.
Myöhemmin YBCO:lle on keksitty useita muitakin valmistusmenetelmiä kuten kemiallinen höyrypinnoitus (CVD)[2][3] sol-gel,[5] ja aerosolimenetelmät.[6] Näitäkin menetelmiä käytettäessä tuote on parhaan laadun aikaansaamiseksi lopuksi sintrattava.
Jos valmistuksessa kuitenkin käytetään fluorin lähteenä trifluorietikkahappoa (TFA), vältytään bariumkarbonaatin (BaCO3) syntymiseltä haitallisena sivutuotteena.
Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
YBCO kiteytyy kerroksittain samaan tapaan kuin perovskiitti. Jokaisen kerroksen rajoina on CuO4-yksiköt, joilla on neljä yhteistä särmää.[2] Näitä vastaan kohtisuorassa ovat CuO2-nauhat, joilla on kaksi yhteistä särmää. Yttriumatomit ovat CuO4-tasojen välissä, bariumatomit taas näiden ja CuO2-nauhojen välissä, kuten oikealla oleva kaavio osoittaa.
Tarkennuksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Vaikka YBa2Cu3O7 on tarkoin määritelty kemiallinen yhdiste, jolla on tietty rakenne ja stoikiometria, on olemassa myös materiaaleja, joissa on vähemmän kuin seitsemän happiatomia yksikköä kohti. Sellaiset ovat ei-stoikiometrisiä yhdisteitä, ja niiden rakenne riippuu niiden happipitoisuudesta. Tämä ei-stoikiometrisyys ilmaistaan kaavalla YBa2Cu3O7-x. Jos x = 1, happiatomien kohdat Cu(1) -tasolla ovat tyhjiä ja rakenne on tetragonaalinen. Tällöin aine on eriste eikä tule matalissakaan lämpötiloissa suprajohteeksi. Happipitoisuuden kasvaessa yhä suurempi osa näistä aukkokohdista tulee täytetyiksi. Kun x < 0,65, kiteen b-akselin suunnassa syntyy Cu–O-ketjuja. Akselin b pidetessä rakenne tulee ortorombiseksi, ja hilavakioiden arvot ovat a = 3,82, b = 3,89, and c = 11,68 Å. Parhaat suprajohdeominaisuudet saadaan, kun x ≈ 0,07, jolloin useimmat happiatomien kohdat ovat täytettyjä, mutta aukkoja on jonkin verran.
Suprajohdeominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
YBCO on tyypin II suprajohde. Sen kriittinen lämpötila on 93 K, kriittinen magneettikenttä 250 T CuO2-tasojen suunnassa ja 120 T niihin nähden kohtisuorassa suunnassa.
Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Korkean lämpötilan suprajohteilla on useita kaupallisia käyttötarkoituksia. Niitä käytetään enenevässä määrin magneetteina, magneettikuvauksessa, magneettisen levitaation aikaansaamiseen sekä Josephsonin liitoksissa.
YBCO:n käyttö on kuitenkin jäänyt toistaiseksi vähäiseksi lähinnä kahdesta syystä:
- Ensinnäkin, vaikka YBCO-kiteillä onkin hyvin suuri kriittinen virrantiheys, monesta kiteestä koostuvan kappaleen kriittinen virrantiheys on alhainen; niiden läpi voi kulkea vain pieni virta ilman, että suprajohtavuus häviää. Tämä johtuu kiteiden välisistä rajapinnoista. Kun eri kiteissä olevien hilatasojen välinen kulma on yli 5°, supravirta ei voi kulkea rajapinnan läpi. Jossakin määrin tämä ongelma on voitu ratkaista valmistamalla kemiallisella höyrypinnoituksella hyvin ohuita YBCO-kalvoja tai käsittelemällä ainetta siten, että rajapintojen molemmilla puolilla hilatasot ovat samansuuntaiset.
- Toiseksi tällaiset metallioksidit ovat hauraita, eikä niistä voida tavanomaisilla keinoilla valmistaa pitkiä ja ohuita lankoja. Toisin kuin vismuttistrontiumkalsiumkuparioksidissa (BSCCO), YBCO:sta ei saada kunnollista pitkää suprajohdinta myöskään powder-in-tube-menetelmällä (PID) eli täyttämällä sillä ohut putki.
Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
- ↑ M. K. Wu, J. R. Ashburn, C. J. Torng, P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Huang, Y. Q. Wang, and C. W. Chu (1987). "Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure". Physical Review Letters 58 (9): 908–910. doi:. PMID 10035069. Bibcode: 1987PhRvL..58..908W.
- ↑ a b c C. E. Housecrodt, A. G. Sharpe: Inorganic Chemistry. Prentice Hall, 2004. ISBN 978-0130399137.
- ↑ a b c Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemistry of the Elements. 2. painos. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997. ISBN 0080379419.
- ↑ T. Sekitania, N. Miura, S. Ikedaa, Y. H. Matsudaa, Y. Shioharab: Upper critical field for optimally-doped YBa2Cu3O7−δ. Physica B: Condensed Matter, 2004. Elsevier Science B.V.. Artikkelin verkkoversio.
- ↑ Yang-Kook Sun, In-Hwan Oh: Preparation of Ultrafine YBa2Cu3O7-x Superconductor Powders by the Poly(vinyl alcohol)-Assisted Sol−Gel Method. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1996, 35. vsk. doi:10.1021/ie950527y.
- ↑ Zhou, Derong: Yttrium Barium Copper Oxide Superconducting Powder Generation by An Aerosol Process, s. 28. väitöskirja. University of Cincinnati, 1991.
