Yttrium-Barium-Kupferoxid ( YBCO ) ist eine Familie kristalliner chemischer Verbindungen , die Hochtemperatur-Supraleitung aufweisen ; dazu gehört das erste Material, das jemals entdeckt wurde und oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff [77 K (−196,2 °C; −321,1 °F)] bei etwa 93 K (−180,2 °C; −292,3 °F) supraleitend wird. [ 3 ]

Many YBCO compounds have the general formula YBa2Cu3O7−x (also known as Y123), although materials with other Y:Ba:Cu ratios exist, such as YBa2Cu4Oy (Y124) or Y2Ba4Cu7Oy (Y247). At present, there is no singularly recognised theory for high-temperature superconductivity.

It is part of the more general group of rare-earth barium copper oxides (ReBCO) in which, instead of yttrium, other rare earths are present.

History

In April 1986, Georg Bednorz and Karl Müller, working at IBM in Zurich, discovered that certain semiconducting oxides became superconducting at relatively high temperature, in particular, a lanthanum barium copper oxide becomes superconducting at 35 K. This oxide was an oxygen-deficientperovskite-related material that proved promising and stimulated the search for related compounds with higher superconducting transition temperatures. In 1987, Bednorz and Müller were jointly awarded the Nobel Prize in Physics for this work.

Following Bednorz and Müller's discovery, a team led by Paul Ching Wu Chu at the University of Alabama in Huntsville and University of Houston discovered that YBCO has a superconducting transition critical temperature (Tc) of 93 K.[3] The first samples were Y1.2Ba0.8CuO4, but this was an average composition for two phases, a black and a green one. Workers at Bell Laboratories identified the black phase as the superconductor, determined its composition YBa2Cu3O7−δ and synthesized it in single phase[4]

YBCO was the first material found to become superconducting above 77 K, the boiling point of liquid nitrogen, whereas the majority of other superconductors require more expensive cryogens. Nonetheless, YBCO and its many related materials have yet to displace superconductors requiring liquid helium for cooling.

Synthesis

Relatively pure YBCO was first synthesized by heating a mixture of the metal carbonates at temperatures between 1000 and 1300 K.[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

Moderne Synthesen von YBCO verwenden die entsprechenden Oxide und Nitrate. [ 6 ]

Die supraleitenden Eigenschaften von YBa₂Cu₃O₇₋ₓ hängen stark vom Sauerstoffgehalt x ab. Nur Materialien mit 0 ≤ x ≤ 0,65 sind unterhalb der kritischen Temperatur T <sub> c </sub> supraleitend , und bei x ~ 0,07 erreicht das Material seine höchste Supraleitungstemperatur.95 K , [ 6 ] oder in höchsten Magnetfeldern:120  T für B senkrecht und250 T für B parallel zu den CuO 2 -Ebenen. [ 7 ]

Neben der Abhängigkeit von der Sauerstoffstöchiometrie werden die Eigenschaften von YBCO auch durch die verwendeten Kristallisationsmethoden beeinflusst. Beim Sintern von YBCO ist besondere Sorgfalt geboten. YBCO ist ein kristallines Material, und die besten supraleitenden Eigenschaften werden erzielt, wenn die Korngrenzen durch präzise Steuerung der Glüh- und Abschreckgeschwindigkeit ausgerichtet werden .

Seit der Entdeckung von YBCO durch Wu und seine Mitarbeiter wurden zahlreiche weitere Synthesemethoden entwickelt, darunter die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) [ 5 , 6 ] , das Sol-Gel- Verfahren [ 8 ] und die Aerosolmethode [ 9 ] . Diese alternativen Verfahren erfordern jedoch weiterhin ein sorgfältiges Sintern , um ein qualitativ hochwertiges Produkt zu erhalten.

Seit der Entdeckung, dass Trifluoressigsäure ( TFA ), eine Fluorquelle, die Bildung des unerwünschten Bariumcarbonats (BaCO₃ ) verhindert , haben sich jedoch neue Möglichkeiten eröffnet. Verfahren wie die chemische Lösungsabscheidung (CSD) haben insbesondere bei der Herstellung langer YBCO-Bänder vielfältige Möglichkeiten eröffnet. [ 10 ] Dieses Verfahren senkt die für die gewünschte Phase notwendige Temperatur auf etwa 700 °C (973 K; 1292 °F). Dies und die Unabhängigkeit vom Vakuum machen diese Methode zu einem vielversprechenden Weg zur Herstellung skalierbarer YBCO-Bänder.

Struktur

Teil der Gitterstruktur von Yttrium-Barium-Kupferoxid

YBCO kristallisiert in einer Defekt-Perowskitstruktur . Diese kann als Schichtstruktur betrachtet werden: Die Grenzen der einzelnen Schichten werden durch Ebenen quadratischer CuO₄-Einheiten definiert, die vier Ecken gemeinsam haben. Die Ebenen können mitunter leicht gewellt sein. [ 5 ] Senkrecht zu diesen CuO₄ - Ebenen verlaufen CuO₂ - Bänder, die zwei Ecken gemeinsam haben. Die Yttriumatome befinden sich zwischen den CuO₄ - Ebenen, während die Bariumatome zwischen den CuO₂ -Bändern und den CuO₄ - Ebenen liegen . Dieses Strukturmerkmal ist in der Abbildung rechts dargestellt.

Koordinationsgeometrie der Metallzentren in YBCO [ 11 ] [ 6 ]
kubisch {YO 8 }{BaO 10 }quadratisch planar {CuO 4 }quadratisch-pyramidal {CuO 5 }YBa₂Cu₃O₇ - Elementarzelle​​​​
gewellte Cu-EbeneKupferbänder
Wie viele Supraleiter vom Typ II kann auch YBCO Flussverankerung aufweisen : Magnetische Feldlinien können in einem Kristall fixiert werden, wobei eine Kraft erforderlich ist, um ein Stück aus einer bestimmten Magnetfeldkonfiguration zu bewegen. Ein über einer Magnetbahn platziertes YBCO-Stück kann daher in einer festen Höhe schweben. [ 5 ]

Obwohl YBa₂Cu₃O₇ eine wohldefinierte chemische Verbindung mit spezifischer Struktur und Stöchiometrie ist, handelt es sich bei Materialien mit weniger als sieben Sauerstoffatomen pro Formeleinheit um nicht - stöchiometrische Verbindungen . Die Struktur dieser Materialien hängt vom Sauerstoffgehalt ab. Diese Nicht-Stöchiometrie wird durch das x in der chemischen Formel YBa₂Cu₃O₇−x gekennzeichnet . Bei x = 1 sind die O(1)-Positionen in der Cu(1)-Schicht (wie in der Elementarzelle markiert) unbesetzt , und die Struktur ist tetragonal . Die tetragonale Form von YBCO ist isolierend und nicht supraleitend. Eine geringfügige Erhöhung des Sauerstoffgehalts führt zu einer stärkeren Besetzung der O(1)-Positionen. Für x < 0,65 bilden sich Cu-O-Ketten entlang der b- Achse des Kristalls. Die Verlängerung der b- Achse führt zu einer orthorhombischen Struktur mit den Gitterparametern a = 3,82 Å, b = 3,89 Å und c = 11,68 Å. [ 12 ] Optimale supraleitende Eigenschaften treten bei x ~ 0,07 auf, d. h., wenn fast alle O(1)-Positionen besetzt sind und nur wenige Leerstellen vorhanden sind.

Experimente, bei denen andere Elemente die Cu- und Ba-Positionen substituiert haben, zeigten, dass die Leitfähigkeit in den Cu(2)O-Ebenen auftritt, während die Cu(1)O(1)-Ketten als Ladungsspeicher fungieren und Ladungsträger an die CuO-Ebenen liefern. Dieses Modell erklärt jedoch nicht die Supraleitung im Homologen Pr123 ( Praseodym statt Yttrium). [ 13 ] Die Leitfähigkeit (in den Kupferebenen) beschränkt sich auf die a - b- Ebenen, und es wird eine starke Anisotropie der Transporteigenschaften beobachtet. Entlang der c- Achse ist die normale Leitfähigkeit zehnmal geringer als in der a - b- Ebene. Bei anderen Cupraten derselben Klasse ist die Anisotropie noch ausgeprägter, und der Transport zwischen den Ebenen ist stark eingeschränkt.

Des Weiteren weisen die supraleitenden Längenskalen eine ähnliche Anisotropie auf, sowohl hinsichtlich der Eindringtiefe (λ <sub>ab </sub> ≈ 150 nm, λ <sub>c</sub> ≈ 800 nm) als auch der Kohärenzlänge (ξ<sub> ab </sub> ≈ 2 nm, ξ <sub> c </sub> ≈ 0,4 nm). Obwohl die Kohärenzlänge in der a - b- Ebene fünfmal größer ist als entlang der c- Achse, ist sie im Vergleich zu klassischen Supraleitern wie Niob (ξ ≈ 40 nm) recht klein. Diese geringe Kohärenzlänge führt dazu, dass der supraleitende Zustand anfälliger für lokale Störungen durch Grenzflächen oder Defekte in der Größenordnung einer einzelnen Elementarzelle ist, beispielsweise an der Grenze zwischen verzwillingten Kristalldomänen. Diese Empfindlichkeit gegenüber kleinen Defekten erschwert die Herstellung von Bauelementen mit YBCO, und das Material reagiert zudem empfindlich auf Feuchtigkeitseinwirkung.

Vorgeschlagene Anträge

Kritischer Strom (KA/cm 2 ) in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur (K) bei unterschiedlicher Magnetfeldstärke (T) in YBCO, hergestellt durch Infiltrationswachstum. [ 14 ]

Es wurden zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für dieses und verwandte Hochtemperatur-Supraleitermaterialien diskutiert. So finden Supraleiter beispielsweise Verwendung als Magnete in der Magnetresonanztomographie , in der Magnetschwebetechnik und in Josephson-Kontakten . (Das am häufigsten verwendete Material für Stromkabel und Magnete ist BSCCO .)

YBCO findet aus zwei Hauptgründen bisher in vielen Anwendungen mit Supraleitern keine Verwendung:

  • Erstens weisen YBCO-Einkristalle zwar eine sehr hohe kritische Stromdichte auf, Polykristalle hingegen eine sehr niedrige : Nur ein geringer Strom kann unter Beibehaltung der Supraleitung fließen. Dieses Problem ist auf die Korngrenzen im Material zurückzuführen. Ist der Korngrenzenwinkel größer als etwa 5°, kann der Suprastrom die Grenze nicht passieren. Das Korngrenzenproblem lässt sich bis zu einem gewissen Grad durch die Herstellung dünner Schichten mittels CVD oder durch Texturierung des Materials zur Ausrichtung der Korngrenzen beheben.
  • Ein zweites Problem, das den Einsatz dieses Materials in technologischen Anwendungen einschränkt, hängt mit seiner Verarbeitung zusammen. Oxidmaterialien wie dieses sind spröde, und die Herstellung supraleitender Drähte mit herkömmlichen Verfahren führt nicht zu einem brauchbaren Supraleiter. (Im Gegensatz zu BSCCO liefert das Pulver-in-Rohr -Verfahren bei YBCO keine guten Ergebnisse.)

Die vielversprechendste Methode zur Nutzung dieses Materials ist die Abscheidung von YBCO auf flexiblen Metallbändern mit puffernden Metalloxiden. Dieses Verfahren wird als beschichteter Leiter bezeichnet . Die Textur (Ausrichtung der Kristallflächen) kann in das Metallband eingebracht werden (RABiTS-Verfahren) oder eine texturierte Keramikpufferschicht kann mithilfe eines Ionenstrahls auf ein untexturiertes Legierungssubstrat abgeschieden werden ( IBAD- Verfahren). Nachfolgende Oxidschichten verhindern die Diffusion des Metalls aus dem Band in den Supraleiter und dienen gleichzeitig als Vorlage für die Texturierung der supraleitenden Schicht. Neuartige Varianten von CVD-, PVD- und Lösungsabscheidungsverfahren werden eingesetzt, um lange YBCO-Schichten in hoher Geschwindigkeit herzustellen. Zu den Unternehmen, die diese Verfahren anwenden, gehören American Superconductor , Superpower (ein Geschäftsbereich von Furukawa Electric ), Sumitomo , Fujikura , Nexans Superconductors, Commonwealth Fusion Systems und European Advanced Superconductors. Zahlreiche Forschungsinstitute haben ebenfalls YBCO-Bänder mit diesen Methoden hergestellt.

Das supraleitende Band wird für SPARC , einen Tokamak- Fusionsreaktor, verwendet. [ 15 ]

Oberflächenmodifikation

Die Oberflächenmodifizierung von Materialien hat häufig zu neuen und verbesserten Eigenschaften geführt. Korrosionshemmung, Polymeradhäsion und -nukleation, die Herstellung von organischen Supraleiter/Isolator/Hochtemperatur - Supraleiter -Dreischichtstrukturen sowie die Fertigung von Metall/Isolator/Supraleiter-Tunnelkontakten wurden mithilfe von oberflächenmodifiziertem YBCO entwickelt. [ 16 ]

Diese molekularen Schichtmaterialien werden mittels Cyclovoltammetrie synthetisiert . Bisher wurden YBCO-Schichten mit Alkylaminen, Arylaminen und Thiolen hergestellt, wobei die Stabilität der molekularen Schicht variiert. Es wird angenommen , dass Amine als Lewis - Basen fungieren und an Lewis-saure Cu-Oberflächenstellen in YBa₂Cu₃O₇ binden, um stabile Koordinationsbindungen zu bilden .

Massenproduktion

SuperOx konnte innerhalb von neun Monaten über 186 Meilen YBCO für den Einsatz in einem Fusionsmagneten herstellen.

1987, kurz nach seiner Entdeckung, veröffentlichte der Physiker und Wissenschaftsautor Paul Grant in der britischen Fachzeitschrift New Scientist eine leicht verständliche Anleitung zur Synthese von YBCO-Supraleitern mit gängiger Ausrüstung. [ 17 ] Auch dank dieses Artikels und ähnlicher Veröffentlichungen zu dieser Zeit hat sich YBCO zu einem beliebten Hochtemperatur-Supraleiter für Hobbyisten und in der Ausbildung entwickelt, da der Effekt der magnetischen Levitation mit flüssigem Stickstoff als Kühlmittel leicht demonstriert werden kann.

Im Jahr 2021 entwickelte das russisch-japanische Unternehmen SuperOx ein neues Herstellungsverfahren für YBCO-Draht für Fusionsreaktoren. Dieser neue Draht wies eine Leitfähigkeit zwischen 700 und 2000 Ampere pro Quadratmillimeter auf. Zwischen 2019 und 2021 konnte das Unternehmen innerhalb von neun Monaten 186 Meilen Draht produzieren und so seine Produktionskapazität deutlich steigern. Dabei nutzte SuperOx ein Plasma-Laser-Abscheidungsverfahren auf einem elektropolierten Substrat, um zunächst 12 mm breite Bänder herzustellen und diese anschließend in 3 mm breite Bänder zu schneiden. [ 18 ]

Referenzen

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