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钇钡铜氧
✍ dations ◷ 2025-04-03 10:44:45 #钇钡铜氧
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。在发现超导性后的第75年,在苏黎世IBM工作的约翰内斯·贝德诺尔茨和卡尔·米勒发现特定的半导体氧化物可以在低于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,亨茨维尔亚拉巴马大学的吴茂昆及其研究生(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)。YBCO最早是通过在1000-1300K加热金属碳酸盐混合物制备的。现在YBCO的制取以相应的硝酸盐和氧化物为原料。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。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)、溶胶-凝胶以及气溶胶法。这些方法在烧结时仍然需要小心。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。
钇原子存在于CuO2和CuO2层中,BaO层则在CuO与CuO2两层之间。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
{displaystyle delta }
= 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。钇钡铜氧的超导长度规表现出各向异性,穿透深度
λ
a
b
≈
150
nm
{displaystyle lambda _{ab}approx 150~{textrm {nm}}}
,
λ
c
≈
800
nm
{displaystyle lambda _{c}approx 800~{textrm {nm}}}
,相干长度
ξ
a
b
≈
2
nm
{displaystyle xi _{ab}approx 2~{textrm {nm}}}
,
ξ
c
≈
0.4
nm
{displaystyle xi _{c}approx 0.4~{textrm {nm}}}
。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(
ξ
≈
40
nm
{displaystyle xi approx 40~{textrm {nm}}}
)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。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森结中的磁体。主要有两个问题限制了YBCO在超导方面的应用: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。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。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。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变为抗磁性,内部磁通量为零,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,见下方的影片。Y(OH)3
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