Yttriumbariumkuparioksidi

YBCO eli yttriumbariumkuparioksidi 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

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 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
Jokseenkin puhdasta yttrium-barium-kupari­oksidia valmistettiin ensin kuumentamalla metallikarbonaattien seosta 1 000 ja 1 300 kelvinin välillä. 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, ja suprajohtavuus säilyy magneettikentän suunnasta riippuen 120 tai jopa 250 teslan kentässä.

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 valmistumenetelmiä kuten kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) sol-gel, ja aerosolimenetelmät. 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

YBCO kiteytyy kerroksittain samaan tapaan kuin perovskiitti. Jokaisen kerroksen rajoina on CuO4-yksiköt, joilla on neljä yhteistä särmää. 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
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

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

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

Aiheesta muualla 
YBCO:n rakenne, kaaviokuva
New World Record For Superconducting Magnet 26.8T April 2007
External MSDS Data Sheet (safety classifications) for YBCO.

Suprajohtavuus
Yttriumyhdisteet
Bariumyhdisteet
Kupariyhdisteet
Oksidit