釔鋇銅氧

釔鋇銅氧
	IUPAC名; Yttrium barium copper oxide
別名	YBCO，釔鋇銅氧化物
識別
CAS號	107539-20-8
性質
化學式	YBa2Cu3O7
莫耳質量	666.19 g·mol⁻¹
外觀	黑色固體
密度	4.4 ~ 5.3 g/cm3
熔點	>600 °C
溶解性（水）	不可溶
結構
晶體結構	鈣鈦礦變形
配位幾何	四方
危險性
歐盟分類	刺激性 (Xi)
相關物質
相關高溫超導體	BaLaO3-x
相關化學品	氧化釔，氧化鋇，氧化銅
	若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

釔鋇銅氧，或稱釔鋇銅氧化物、YBCO，是化學式為Y Ba₂Cu₃O₇的化合物。它是著名的高溫超導體，屬於第二類超導體，並且是第一個製得轉變溫度在液氮沸點以上的材料。

歷史

在發現超導性後的第75年，在蘇黎世IBM工作的約翰內斯·貝德諾爾茨和卡爾·米勒發現特定的半導體氧化物可以在低於35K的溫度下顯示出超導性，特別是鑭鋇銅氧化物，一種缺氧鈣鈦礦型的潛在材料。

在此基礎上，1987年，阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的吳茂昆及其研究生（Ashburn和Torng），與休斯頓大學的朱經武和他的學生共同發現了釔鋇銅氧，也因此引發了對新高溫超導材料的研究熱潮。

YBCO是首個超導溫度在77K以上的材料，也就是說它的轉變溫度高於液氮的沸點，用相對便宜的液氮就可以冷卻。之前發現的超導體都必須用液氦或液氫冷卻（T_b = 20.28 K）。

合成

YBCO最早是通過在1000-1300K加熱金屬碳酸鹽混合物製備的。^[2]^[3]

4BaCO₃ + Y₂(CO₃)₃ + 6 CuCO₃ → 2 YBa₂Cu₃O_{7-x} + 13 CO₂ + (3+x)O₂

現在YBCO的製取以相應的硝酸鹽和氧化物為原料。^[3]

YBa₂Cu₃O_{7-x}的超導性質與x值（氧含量）很有關係，只有滿足0≤x≤0.5的材料在T_c溫度下有超導性，當x~0時其轉變溫度最高，為95K。^[3]

除了氧的計量比外，YBCO的性質也由結晶方式決定。在燒結YBCO時必須小心，因為YBCO是晶體材料，只有小心控制退火和淬火的溫度和速度，校準晶界，才可以使其超導性達到最佳。

吳茂昆和同事提出了其他合成YBCO的方法，比如化學氣相沉積（CVD）^[2]^[3]、溶膠-凝膠^[4]以及氣膠法^[5]。這些方法在燒結時仍然需要小心。

結構

YBCO為鈣鈦礦缺陷型層狀結構，含有CuO-CuO₂-CuO₂-CuO交替的層，CuO₂層可以有變形和皺褶。^[2] 釔原子存在於CuO₂和CuO₂層中，BaO層則在CuO與CuO₂兩層之間。

當YBa₂Cu₃O₇中氧原子計量小於7時，根據具體數值的不同，這些非計量化合物結構可以有差異，可以化學式中的δ來表示。 $\delta$ = 1時為四方結構，CuO層（Cu(1)）的O(1)為空，不顯示超導性。略微增加氧的含量會增加O(1)的占有率。δ< 0.65時b軸形成Cu-O鏈，結構變為正交，晶格參數分別為a=3.82、b=3.89及其c=11.68Å。當δ ~0.07時超導性最佳，O(1)中只有少數幾個為空。

有證據顯示，當其它原子取代Cu和Ba^{[來源請求]}時，超導性發生在Cu(2)O層，Cu(1)O(1)鏈只用作儲存電荷（charge reservoirs）。然而鐠取代釔後形成化合物的超導性與此相矛盾。^[6]

釔鋇銅氧的超導長度規表現出各向異性，穿透深度 $\lambda _{ab}\approx 150~{\textrm {nm}}$ ， $\lambda _{c}\approx 800~{\textrm {nm}}$ ，相干長度 $\xi _{ab}\approx 2~{\textrm {nm}}$ ， $\xi _{c}\approx 0.4~{\textrm {nm}}$ 。雖然a-b平面的相干長度是c軸的6倍之多，但與傳統的超導體，如鈮（ $\xi \approx 40~{\textrm {nm}}$ ）相比仍顯得較小。這意味著其超導態易受到界面或晶胞缺陷的影響，因此對製作YBCO時的儀器要求增高，並且YBCO對潮濕環境相當敏感。

應用

高溫超導體有很多實際中的應用，例如可用作核磁共振成像、磁懸浮設施以及約瑟夫森結中的磁體。

主要有兩個問題限制了YBCO在超導方面的應用：

第一，YBCO單晶有很高的臨界電流密度，至於多晶則很低（保持超導態時僅能通過很小的電流）。這是由材料的晶粒界面造成：當晶界角大於約5°時，超導電流就無法越過界面。這個問題可由通過化學氣相沉積製備薄膜或調準晶界得到改善。
第二，此類的氧化物材料很脆，以傳統方法製成線狀並不能很好地保留其超導性質。

另外，很多情況下大規模冷卻物體至液氮的溫度並不十分實際。

YBCO的表面特性

表面改性常會導致材料的新性質。表面改性的YBCO可衍生出許多性質，如抑制腐蝕、黏合聚合物、成核，製備有機超導體/絕緣體/高溫超導體以及製備金屬/絕緣體/超導體隧道結。^[7]

這些分子層狀材料可用循環伏安法製備。目前已製得烷基胺、芳香胺和硫醇與YBCO形成的材料，它們穩定性不一。有理論認為在這其中胺扮演路易斯鹼，與YBa₂Cu₃O₇中路易斯酸性的Cu位點結合生成穩定的配位鍵。

磁懸浮

YBCO和其他超導體一樣，在轉變溫度會發生邁斯納效應。在該溫度或低於該溫度時，YBCO變為抗磁性，內部磁通量為零，磁力線無法進入超導體，超導體排斥體內的磁場。因此這時超導體表面的任何磁鐵都會懸浮起來，見下方的影片。^[2]

影片

釔鋇銅氧的超導性質

釔鋇銅氧磁懸浮錄影（360KB，Ogg/Theora格式）。

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參考資料

註釋

^ R. Swarup, A. K. Gupta and M. C. Bansal. Effect of sample density on magnetic penetration depth in YBaCuO ceramic superconductors. Journal of Superconductivity. 1995, 8 (3): 361–364. doi:10.1007/BF00728172.
^ ^2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 C. E. Housecroft, A. G. Sharpe and C. E. Housecroft. Inorganic chemistry. Harlow ; Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. 2005. ISBN 0130399132.
^ ^3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 N. N. Greenwood and A. Earnshaw. Chemistry of the elements. Boston, Mass.: Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 0750633654 (pbk.) 請檢查|isbn=值 (幫助).
^ Yang-Kook Sun, In-Hwan Oh Ind. Eng. Chem. Res. 1996, 35, 4296
^ Zhou, Derong. Yttrium Barium Copper Oxide Superconducting Powder Generation by An Aerosol Process. University of Cincinnati. 1991 [2008-05-07]. （原始內容 (Ph.D. Thesis)存檔於2007-12-20）.
^ Oka, et al. Physica C, v 300, n 3-4, 10 May 1998, 200-6
^ Xu et al. Langmuir, 1998, 14 (22)

參考文獻

http://www.aps.org/apsnews/0703/070312.cfm （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

外部連結

http://www.ch.ic.ac.uk/otway/YBCO.html （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
超導體應用
MSDS資料頁（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

[1] R. Swarup, A. K. Gupta and M. C. Bansal. Effect of sample density on magnetic penetration depth in YBaCuO ceramic superconductors. Journal of Superconductivity. 1995, 8 (3): 361–364. doi:10.1007/BF00728172.

[hous-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 C. E. Housecroft, A. G. Sharpe and C. E. Housecroft. Inorganic chemistry. Harlow ; Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. 2005. ISBN 0130399132.

[earnshaw-3] 3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 N. N. Greenwood and A. Earnshaw. Chemistry of the elements. Boston, Mass.: Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 0750633654 (pbk.) 請檢查|isbn=值 (幫助).

[4] Yang-Kook Sun, In-Hwan Oh Ind. Eng. Chem. Res. 1996, 35, 4296

[5] Zhou, Derong. Yttrium Barium Copper Oxide Superconducting Powder Generation by An Aerosol Process. University of Cincinnati. 1991 [2008-05-07]. （原始內容 (Ph.D. Thesis)存檔於2007-12-20）.

[6] Oka, et al. Physica C, v 300, n 3-4, 10 May 1998, 200-6

[7] Xu et al. Langmuir, 1998, 14 (22)

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