YBCO

YBCO, auch YBaCuO, ist die Abkürzung für eine Gruppe von Supraleitern mit einer ungewöhnlich hohen Sprungtemperatur bei 90 K.

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Die Entwicklung der Hochtemperatursupraleiter

Hochtemperatursupraleitung (HTSL) wurde 1986 durch die Entdeckung supraleitfähiger Oxocuprate im System La–Ba–Cu–O von Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller eingeläutet. Untersuchungen an Jahn-Teller-verzerrten Metalloxiden zeigten, dass Oxocuprate im Vergleich zu den bisher bekannten Supraleitern deutlich höhere Übergangstemperaturen haben.

Dieser Befund löste eine Forschungswelle aus, die mit der Entdeckung von YBa₂Cu₃O_7–x (auch als Y123, YBCO oder YBaCuO bezeichnet) einen vorläufigen Höhepunkt erreichte. YBa₂Cu₃O_7–x war die erste Verbindung, für die mit T_c = 90 K eine Sprungtemperatur oberhalb des Siedepunktes von flüssigem Stickstoff nachgewiesen wurde. In den folgenden Jahren wurden zahlreiche weitere Oxocuprate mit größerer struktureller und chemischer Komplexität entdeckt. Das erstaunliche an diesen Verbindungen und der Hochtemperatursupraleitung ist, dass zum einen nach der BCS-Theorie eine Sprungtemperatur von über 40 Kelvin nicht zu erklären ist (da bei diesen Temperaturen die thermische Energie der Gitterschwingungen die Bildung von Cooper-Paaren eigentlich verhindern würde) und zum anderen, dass es sich bei dem gefundenen Material nicht um einen metallischen Leiter, sondern um eine Keramik handelt. Keramiken sind ja eigentlich als gute Isolatoren bekannt.

Das wohl am genauesten charakterisierte und intensivsten untersuchte Oxocuprat ist YBa₂Cu₃O_7–x, das vielfach als 123-Oxid bezeichnet wird. Die Struktur von YBa₂Cu₃O₇ kann als eine Defektvariante vom Perowskit-Typ (AMO3) aufgefasst werden, in der ²⁄₉ der Sauerstoffpositionen unbesetzt bleiben.

Supraleitfähig ist nur die orthorhombische Modifikation mit x < 0,5.

Synthese von YBa₂Cu₃O_7–x

Variante 1

Ansatz

Beschreibung der Synthese

In einem 250 ml Einhalskolben werden in 100 ml destilliertem Wasser 6,4 g Oxalsäure und 64 g Harnstoff gelöst, sodass eine Lösung entsteht, die 10,8 M an Harnstoff ist und 0,5 M an Oxalsäure ist. Zu dieser Lösung wird nun eine Mischung aus 2,7 g Y(NO₃)₃·5H₂O, 3,86 g Ba(NO₃)₂ und 3,78 g Cu(NO₃)·2,5H₂O gegeben. Die nun blaue Lösung wird für ca. 5 Stunden unter Rückfluss gekocht. Zu beachten ist, dass mittels einer Schliffolive der Rückflusskühler mit zwei Gaswaschflaschen, von denen eine mit Schwefelsäure gefüllt wird, verbunden wird, um entstehendes CO₂ und NH₃ abzufangen. Zwischendurch kann der pH-Wert der Lösung geprüft werden. Dieser sollte nach Beendigung der Reaktion bei pH = 7 sein. Sobald der pH-Wert 7 erreicht hat, wird die Lösung abgekühlt. Es werden dann weitere 100 ml destilliertes Wasser hinzugegeben und für weitere 10 Minuten gerührt. Zur Aufarbeitung wird die Lösung dann durch einen Büchner-Trichter filtriert und der blaue Rückstand mit 100 ml destilliertem Wasser nachgespült. Es wird dann abschließend mit Ethanol gespült und das Pulver bei 140 °C im Trockenschrank getrocknet.

Anschließend wird das Pulver für 16 Stunden bei 900 °C erhitzt, um überschüssigen Kohlenstoff auszubrennen. Nach dem Abkühlen erhält man ein schwarzes Pulver. Dieses wird dann zu einer Tablette gepresst und dann für 4 Stunden bei 900 °C erhitzt. Zum Abschluss wird noch 24 Stunden bei 500 °C geheizt.

Variante 2

Ansatz

Beschreibung der Synthese

Die Substanzen werden sorgfältig abgewogen. Anschließend werden die Substanzen im Mörser zerstoßen und gut durchmischt. Das schwarzgraue Pulver wird in Tiegel gefüllt und in einem Ofen erst 9 Stunden auf 900 °C erhitzt, dann innerhalb von 6 Stunden auf 400 °C gekühlt. Dabei wird CO₂ freigesetzt und O₂ eingebaut, die supraleitende Struktur beginnt sich zu bilden. Ist diese erste Glühphase abgeschlossen, wird das Pulver abermals im Mörser zerstoßen und gut durchmischt und ebenfalls 9 Stunden auf 900 °C erhitzt. Nach diesem zweiten Glühprozess wird das Pulver im Mörser nochmals zerstoßen und durchmischt. In einer hydraulischen Presse werden aus je 1,5 g Substanz scheibenförmige Presslinge hergestellt (Durchmesser ca. 12 mm). Die Proben sollen dabei mit einer Kraft zwischen 20 und 40 kN gepresst werden. Beim abschließenden Sintern werden die Proben bei einer möglichst hohen, aber unter dem Schmelzpunkt liegenden Temperatur gesintert. Die hohe Temperatur ist notwendig, um die gewünschte Ordnungsstruktur zu erzielen. Ein unvollständiges Schmelzen führt aber zu unterschiedlichen Zusammensetzungen von fester und flüssiger Phase, Supraleitung ist dann nicht mehr zu erreichen. Der Wärmeofen muss eine Temperatur von 950 °C während 12 Stunden haben, danach wird die Temperatur in 10 Stunden langsam auf 500 °C gesenkt. Eine kritische Größe ist der Sauerstoffgehalt der Proben. Der Sauerstoffgehalt der Luft reicht im Allgemeinen aus, um die benötigte Menge bereitzustellen.

Kristallstruktur

orthorhombische Elementarzelle von YBCO

Literatur

• F. Schwaigerer, B. Sailer, J. Glaser, H. J. Meyer: Strom eiskalt serviert: Supraleitfähigkeit; Chemie in unserer Zeit. 2002, 36, S. 108-124 [1]
• P. I. Djurovich, R. J. J. Watts: A simple and reliable chemical preparation of YBa2Cu3O7-x superconductors: An experiment in high temperature superconductivity for an advanced undergraduate laboratory; Journal of Chemical Education (JCE). 1993, 70, S. 497-498

Medien

    Video von YBCO, über einer Magnetschiene schwebend ^?/i