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| 名前 | |
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| IUPAC名
バリウム銅イットリウム酸化物
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| その他の名前
YBCO、Y123、イットリウムバリウム銅酸塩
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| 識別子 | |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.121.379 |
| EC番号 |
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パブケム CID
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| イットリウム2銅3O7 | |
| モル質量 | 666.19グラム/モル |
| 外観 | 黒無地 |
| 密度 | 6.4 g/cm3 [ 1] [2] |
| 融点 | >1000℃ |
| 不溶性 | |
| 構造 | |
| ペロブスカイト構造に基づいています。 | |
| 斜方晶系 | |
| 危険 | |
| GHSラベル: | |
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| 警告 | |
| H302、H315、H319、H335 | |
| P261、P264、P270、P271、P280、P301+P312 、P302+P352、P304 +P340、P305+P351+P338、P312、P321、P330、P332+P313、P337+P313、P362、P403+P233、P405、P501 | |
| 関連化合物 | |
関連する高温超伝導
体 |
銅酸化物超伝導体 |
関連化合物
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イットリウム(III)酸化物 バリウム酸化物 銅(II)酸化物 |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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 インフォボックス参照
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イットリウムバリウム銅酸化物（YBCO ）は、高温超伝導を示す結晶 性化合物のグループであり、液体窒素の沸点（77 K（-196.2 °C; -321.1 °F））を超える約93 K（-180.2 °C; -292.3 °F）で超伝導になることが初めて発見された物質が含まれています。 [3]
YBCO 化合物の多くは、一般式Y Ba 2 Cu 3 O 7− x (Y123 とも呼ばれる) で表されますが、Y Ba 2 Cu 4 O y (Y124) やY 2 Ba 4 Cu 7 O y (Y247) など、他の Y:Ba:Cu 比の物質も存在します。現在、高温超伝導に関する唯一認められた理論はありません。
これは、イットリウムの代わりに他の希土類元素が含まれる、 より一般的な希土類バリウム銅酸化物(ReBCO)グループの一部です。
歴史
1986年4月、チューリッヒのIBMで働いていたゲオルク・ベドノルツとカール・ミュラーは、特定の半導体酸化物が比較的高い温度で超伝導になることを発見しました。特に、ランタンバリウム銅酸化物は35 Kで超伝導になります。この酸化物は酸素不足のペロブスカイト関連物質で、有望であることが証明され、より高い超伝導転移温度を持つ関連化合物の探索を刺激しました。1987年、ベドノルツとミュラーはこの研究によりノーベル物理学賞を共同で受賞しました。
ベドノルツとミュラーの発見に続いて、アラバマ大学ハンツビル校とヒューストン大学のポール・チン・ウー・チュー率いる研究チームは、 YBCOの超伝導転移臨界温度（Tc ）が93 Kであることを発見した。[3]最初のサンプルはY 1.2 Ba 0.8 Cu O 4だったが、これは黒色相と緑色相の2つの相の平均組成であった。ベル研究所の研究者は 黒色相を超伝導体と特定し、その組成をYBa 2 Cu 3 O 7−δと決定し、単相で合成した[4]
YBCO は、液体窒素の沸点である 77 K を超える温度で超伝導になることが初めて発見された材料ですが、他のほとんどの超伝導体には、より高価な極低温冷媒が必要です。それでも、YBCO とその関連材料の多くは、冷却に 液体ヘリウムを必要とする超伝導体に取って代わるには至っていません。
合成
比較的純粋なYBCOは、金属炭酸塩の混合物を1000～1300 Kの温度で加熱することによって初めて合成されました。[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
YBCOの現代の合成では、対応する酸化物と硝酸塩が使用されています。[6]
YBa 2 Cu 3 O 7− xの超伝導特性は、酸素含有量xの値に敏感である。0 ≤ x ≤ 0.65の物質のみがT c以下で超伝導を示し、xが0.07のとき、物質は最高温度である95 K、[6]または最高磁場では：B垂直の場合は120 T、CuO2面に平行なBの場合は250Tである。[7]
YBCO の特性は、酸素の化学量論に敏感なだけでなく、使用される結晶化方法によっても影響を受けます。YBCOを焼結するには注意が必要です。YBCO は結晶性材料であり、アニーリングとクエンチの温度速度を慎重に制御して結晶粒界を整列させると、最高の超伝導特性が得られます。
ウーと彼の同僚によるYBCOの発見以来、化学気相成長法（CVD） [5]、[6] ゾルゲル法[8]、エアロゾル法[9]など、 YBCOを合成する他の多くの方法が開発されてきた。しかし、これらの代替方法では、高品質の製品を生産するためには依然として慎重な焼結が必要である。
しかし、フッ素源であるトリフルオロ酢酸（ TFA ）が、望ましくない炭酸バリウム（BaCO 3）の形成を防ぐことが発見されて以来、新たな可能性が開かれています。CSD（化学溶液堆積）などの方法は、特に長いYBCOテープの調製において、幅広い可能性を開きました。[10]この方法は、正しい位相を得るために必要な温度を約700℃（973 K、1,292 °F）まで下げます。この点と真空に依存しない点により、この方法はスケーラブルなYBCOテープを得るための非常に有望な方法となっています。
構造
YBCO は、層状の欠陥ペロブスカイト構造で結晶化します。各層の境界は、4 つの頂点を共有する正方形の平面 CuO 4ユニットの平面によって定義されます。平面はわずかにしわになっている場合があります。 [5]これらの CuO 4平面に垂直なのは、2 つの頂点を共有する CuO 2リボンです。イットリウム原子は CuO 4平面の間に存在し、バリウム原子は CuO 2リボンと CuO 4平面の間に存在します。この構造的特徴は、右の図に示されています。
YBa 2 Cu 3 O 7は特定の構造と化学量論を持つ明確に定義された化合物ですが、化学式単位あたりの酸素原子が 7 個未満の物質は非化学量論化合物です。これらの物質の構造は酸素含有量によって決まります。この非化学量論性は、化学式 YBa 2 Cu 3 O 7− xの x で表されます。x = 1の場合、Cu(1) 層 (単位胞にラベル付けされている) の O(1) サイトは空であり、構造は正方晶です。YBCO の正方晶形式は絶縁体であり、超伝導しません。酸素含有量をわずかに増やすと、より多くの O(1) サイトが占有されます。x < 0.65 の場合、結晶のb軸に沿って Cu-O チェーンが形成されます。 b軸を伸ばすと構造は斜方晶系に変化し、格子定数はa = 3.82、b = 3.89、c = 11.68Åとなる。[12]最適な超伝導特性はxが約0.07のとき、すなわちO(1)サイトのほぼすべてが占有され、空孔がほとんどない ときに生じる。
CuとBaの位置に他の元素を置換した実験では、Cu (2)O面で伝導が起こる一方で、Cu(1)O(1)鎖が電荷リザーバーとして機能し、CuO面にキャリアを供給することが証明されている。しかし、このモデルは同族体Pr123（イットリウムの代わりにプラセオジム）の超伝導には対応していない。 [ 13 ]これ（銅面での伝導）により、伝導はa - b面に限定され、輸送特性に大きな異方性が見られる。c軸に沿って、通常の伝導性はa - b面の10分の1に小さくなる。同じ一般クラスの他の銅酸化物では、異方性はさらに大きく、面間輸送は大きく制限される。
さらに、超伝導の長さスケールは、浸透深さ (λ ab ≈ 150 nm、λ c ≈ 800 nm) とコヒーレンス長 (ξ ab ≈ 2 nm、ξ c ≈ 0.4 nm) の両方で同様の異方性を示します。a - b面のコヒーレンス長はc軸に沿った長さの 5 倍ですが、ニオブ (ξ ≈ 40 nm) などの従来の超伝導体と比べるとかなり短いです。 この適度なコヒーレンス長は、超伝導状態が、双晶ドメイン間の境界など、単一ユニットセルのオーダーのインターフェースまたは欠陥による局所的な混乱の影響を受けやすいことを意味します。 この小さな欠陥に対する敏感さは、YBCO を使用したデバイスの製造を複雑にし、この材料は湿度による劣化にも敏感です。
提案されたアプリケーション
この材料や関連する高温超伝導材料の多くの応用可能性が議論されてきました。たとえば、超伝導材料は、磁気共鳴画像、磁気浮上、ジョセフソン接合における磁石として使用されています。(電力ケーブルや磁石に最も多く使用されている材料はBSCCOです。) [要出典]
YBCO は、主に次の 2 つの理由により、超伝導体に関わる多くのアプリケーションではまだ使用されていません。
- まず、YBCO の単結晶は臨界電流密度が非常に高いですが、多結晶は臨界電流密度が非常に低く、超伝導を維持しながら小さな電流しか流すことができません。この問題は、材料内の結晶粒界に起因します。粒界角度が約 5° を超えると、超伝導電流は粒界を越えることができません。粒界の問題は、 CVDで薄膜を作製するか、材料にテクスチャ加工を施して粒界を揃えることで、ある程度制御できます。 [引用が必要]
- この材料を技術的用途で利用することを制限する 2 番目の問題は、材料の処理に関連しています。このような酸化物材料は脆く、従来の方法で超伝導線に形成しても、有用な超伝導体は生成されません。( BSCCOとは異なり、粉末チューブ処理では YBCO では良い結果が得られません。) [引用が必要]
この材料を利用するために開発された最も有望な方法は、緩衝金属酸化物でコーティングされた柔軟な金属テープ上に YBCO を堆積することです。これは、コーティングされた導体として知られています。テクスチャ (結晶面の配列) を金属テープに導入するか (RABiTS プロセス)、テクスチャのない合金基板にイオン ビームを使用してテクスチャ付きセラミック バッファ層を堆積することができます ( IBADプロセス)。その後の酸化物層は、超伝導層をテクスチャ化するためのテンプレートを転送する間に、テープから超伝導体への金属の拡散を防ぎます。CVD、PVD、および溶液堆積技術の新しいバリエーションを使用して、最終的な YBCO 層の長い長さを高速で製造します。これらのプロセスを追求している企業には、American Superconductor 、Superpower (古河電工の一部門)、住友、フジクラ、Nexans Superconductors、Commonwealth Fusion Systems、および European Advanced Superconductors があります。はるかに多くの研究機関もこれらの方法で YBCO テープを製造しています。[要出典]
超伝導テープは、損益分岐点のエネルギー生産を達成できるトカマク核融合炉設計の鍵となる可能性がある。 [15] YBCOは、希土類バリウム銅酸化物（REBCO）として分類されることが多い。[16]
表面改質
材料の表面改質は、多くの場合、新しい特性や特性の改善につながります。腐食抑制、ポリマー接着と核形成、有機超伝導体/絶縁体/高温超伝導体の三層構造の作成、金属/絶縁体/超伝導体トンネル接合の製造は、表面改質YBCOを使用して開発されました。[17]
これらの分子層状材料は、サイクリックボルタンメトリーを使用して合成されます。これまでに、アルキルアミン、アリールアミン、チオールで層状化された YBCO が、さまざまな分子層の安定性で生成されています。アミンはルイス塩基として作用し、 YBa 2 Cu 3 O 7のルイス酸性Cu 表面部位に結合して、安定した配位結合を形成することが提案されています。
量産
1987年、YBCOが発見されて間もなく、物理学者で科学作家のポール・グラントは、英国のニューサイエンティスト誌に、広く入手可能な装置を使用してYBCO超伝導体を合成するためのわかりやすいガイドを発表しました。[18]この記事や当時の同様の出版物のおかげで、YBCOは、液体窒素を冷却剤として使用して磁気浮上効果を簡単に実証できるため、愛好家や教育で使用される人気の高温超伝導体になりました。
2021年、ロシアと日本の合弁企業であるスーパーオックスは、核融合炉用のYBCO線材を製造するための新しい製造プロセスを開発した。この新しい線材は、1平方ミリメートルあたり700〜2000アンペアの電流を伝導することが示された。同社は2019年から2021年までの9か月間で186マイルの線材を生産することができ、生産能力が劇的に向上した。同社はプラズマレーザー蒸着プロセスを使用して、電解研磨された基板上に12mm幅のテープを作成し、それを3mmのテープにスリットした。[19]
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、イットリウム・バリウム・銅酸化物に関連するメディアがあります。
- YBCO構造の図
- Djurovich, Peter I.; Watts, Richard J. (1993 年 6 月). 「YBa 2 Cu 3 O 7- x超伝導体のシンプルで信頼性の高い化学的調製」. Journal of Chemical Education . 70 (6): 497. doi :10.1021/ed070p497. ISSN 0021-9584.
- 一般的な実験装置を使用した YBCO の合成 - NileRed
- 超伝導磁石26.8Tの世界新記録 2007年4月
- YBCO の外部 MSDS データ シート (安全分類)。
- 日常生活における超伝導: インタラクティブ展示 - YBCO に特有のものはほとんどありません。2005-12-05 にWayback Machineでアーカイブされました。