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。

钇钡铜氧
IUPAC名 Yttrium barium copper oxide
别名	YBCO，钇钡铜氧化物
识别
CAS号	107539-20-8  Y
性质
化学式	YBa2Cu3O7
摩尔质量	666.19 g·mol⁻¹
外观	黑色固体
密度	4.4 ~ 5.3 g/cm3[1]
熔点	>600 °C
溶解性（水）	不可溶
结构
晶体结构	钙钛矿变形
配位几何	四方
危险性
欧盟分类	刺激性 (Xi)
相关物质
相关高温超导体	BaLaO3-x
相关化学品	氧化钇，氧化钡，氧化铜
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

历史

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，阿拉巴马大学亨茨维尔分校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（T_b = 20.28 K）。

合成

YBCO最早是通过在1000-1300K加热金属碳酸盐混合物制备的。^[2][3]

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

现在YBCO的制取以相应的硝酸盐和氧化物为原料。^[3]

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T_c温度下有超导性，当x~0时其转变温度最高，为95K。^[3]

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）^[2][3]、溶胶-凝胶^[4]以及气溶胶法^[5]。这些方法在烧结时仍然需要小心。

结构

YBCO结构

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。^[2] 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。${\displaystyle \delta }$ = 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^{[来源请求]}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。^[6]

钇钡铜氧的超导长度规表现出各向异性，穿透深度 ${\displaystyle \lambda _{ab}\approx 150~{\textrm {nm}}}$ ，${\displaystyle \lambda _{c}\approx 800~{\textrm {nm}}}$ ，相干长度 ${\displaystyle \xi _{ab}\approx 2~{\textrm {nm}}}$ ，${\displaystyle \xi _{c}\approx 0.4~{\textrm {nm}}}$ 。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（${\displaystyle \xi \approx 40~{\textrm {nm}}}$）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。

应用

钇钡铜氧

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：

• 第一，YBCO单晶有很高的临界电流密度，至于多晶则很低（保持超导态时仅能通过很小的电流）。这是由材料的晶粒界面造成：当晶界角大于约5°时，超导电流就无法越过界面。这个问题可由通过化学气相沉积制备薄膜或调准晶界得到改善。
• 第二，此类的氧化物材料很脆，以传统方法制成线状并不能很好地保留其超导性质。

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。

YBCO的表面特性

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。^[7]

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。

磁悬浮

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。^[2]

影片

钇钡铜氧的超导性质 钇钡铜氧磁悬浮录像（360KB，Ogg/Theora格式）。 无法正常观看视频？请参见媒体帮助

参考资料

注释

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.
2. C. E. Housecroft, A. G. Sharpe and C. E. Housecroft. Inorganic chemistry. Harlow ; Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. 2005. ISBN 0130399132.
3. N. N. Greenwood and A. Earnshaw. Chemistry of the elements. Boston, Mass.: Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 0750633654 (pbk.) 请检查|isbn=值 (帮助).
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]. （原始内容 (Ph.D. Thesis)存档于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)

参考文献

• http://www.aps.org/apsnews/0703/070312.cfm （页面存档备份，存于互联网档案馆）

外部链接

• http://www.ch.ic.ac.uk/otway/YBCO.html （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• 超导体应用
• MSDS资料页 （页面存档备份，存于互联网档案馆）