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39 钇 激光晶体的元素

本文投稿作者 漂泊

钇元素的最重要用途是生产LED磷光体,特别是电视机阴极射线管(CRT)显示器中的红色磷光体。钇的化合物还用于生产电子滤波器激光器,超导材料以及医用激光手术刀。

钇的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪非金属
原子序号原子量 39(88.91)
电子配置 4d15s2
密度 4689kg / m 
熔点 1522°C
升华点 3338°C
形状 灰色金属
丰度 30ppm(地壳)
发现者 加德林
主要的同位素 89Y
用途例 超导材料,医用激光手术刀,激光晶体,LED
前后的元素 锶-钇-锆

钇的发现及其性质

钇是人类发现的第一种稀土元素。1787年,瑞典矿物学家Karl Arrhenius在斯德哥尔摩附近一个叫Ytterby的小村庄附近的老采石场碰到了一块像沥青一样的黑色矿石,他以村庄的名字将该矿石命名为Yteerby(实际为硅铍钇矿)。他以为自己发现了一种新的钨矿石,然后把样本交到了住在芬兰的Johan Gadolin。在1794年,Gadolin宣布它包含一种新的“钇土”,构成了其重量的38%,即氧化钇(Y2O3),在将其用木炭加热后也没能进一步还原。Anders Gustaf Ekeberg把这一氧化物命名为“Yttria”。Friedrich Wöhler在1828年首次通过氯化钇和钾反应制得并分离出钇的单质。1843年,Carl Mosander更加彻底的研究了已发现的“钇土”,发现它是混合物,由三种氧化物组成:氧化钇,是白色的;氧化铽,是黄色的;还有氧化铒,是玫瑰红色的。铽和铒都是稀土元素,尽管钇不是镧系元素,但钇元素由于离子半径与稀土元素相近,其化学性质也类似于稀土元素,故总是和稀土元素共生在一起。钇在稀土元素家族中丰度较高,是重稀土家族中用途最广泛的一员。[1-2]

钇的最大用途在于磷光体的生产,特别是红色LED和电视机阴极射线管(CRT)显示屏的红色磷光体。钇元素也被用于电极电解质电子滤波器激光器超导体中,也有多项医学和材料科学上的应用。钇没有已知的生物用途,人类接触钇元素可导致肺病[3]

硅铍钇矿单质钇

 

钇合金

金属钇是镁、铝、钛等有色金属的优良净化剂和改性添加剂。添加少量的钇(0.1%至0.2%)可以降低的晶粒度。它也可以增强合金和合金的材料强度。在合金中加入钇,可以降低加工程序的难度,使材料能抵抗高温再结晶,大大提高合金对高温氧化的抵御能力。钇镁合金拥有良好的高温机械性能和优异的高温抗氧化性能,可用作航空航天、家用电器以及机器人等方面的的结构材料。稀土硅铁镁中间合金是生产球磨铸铁的球化剂,如果采用钇作为球化剂,钇能使石墨形成紧凑的结核而不是薄片,从而增加延展性和抗疲劳性,如此生产出来的铸铁具有较高的延展性,特别适合生产水轮机主轴的等大断面球铁铸件。

除此之外,钇也可用于还原和其他有色金属[4]

 

石榴石

钇可以用来生产各种合成石榴石钇铁石榴石Yttrium iron garnet)(Y3Fe5O12,简称YIG)是十分有效的微波电子滤波器,生产就需用到氧化钇。钇、石榴石(如Y3(Fe,Al)5O12和Y3(Fe,Ga)5O12)。石榴石具有重要的磁性质。钇铁石榴石是一种高效声能发射器和传感器。

钇铝石榴石(Y3Al5O12,简称YAG)是用途非常广泛的一类晶体材料。它的莫氏硬度为8.5,能当宝石作首饰之用(人造钻石)。掺的钇铝石榴石(YAG:Ce)晶体可用在白色发光二极管的磷光体中。掺钕的钇铝石榴石具有良好的光学均匀性,机械强度高,导热系数高,激光性能良好及生长工艺成熟,在室温下可实现连续脉冲运转,是目前固体激光材料中用量最大的激光晶体。它广泛用于激光打孔与焊接、激光测距以及医用激光手术刀等。曾有实验在犬类身上用掺钕的钇铝石榴石激光来进行前列腺切除术,手术由机器人协助,能够降低对周边神经等组织的损伤。掺铒的钇铝石榴石则开始被用在磨皮整容手术上。钇铝石榴石、氧化钇、氟化钇锂(LiYF4)和正钒酸钇(YVO4)可以用在近红外线激光器中,可用的掺杂剂包括。钇铝石榴石激光器能够在大功率下运作,可应用在金属钻孔和切割上。单个钇铝石榴石晶体一般是经由柴可拉斯基法生产出来的。除此之外,钇铝石榴石也被用作荧光材料,如以铽为激活剂,以钇铝镓石榴石为主要基质的绿色荧光粉就被用于投影电视。[5-8]

钇石榴石

超导材料

1987年,阿拉巴马大学休斯顿大学研发了钇钡铜氧(YBa2Cu3O7,又称YBCO或1-2-3)超导体,这是第二种被发现的超导体。它具有较高的临界温度,临界温度为93 K,比液氮的沸点(77.1 K)要高。其他超导体都必须使用价格更高的液氦降温,所以这项发现能极大的降低成本。实际超导材料的化学式为YBa2Cu3O7–d,其中d必须低于0.7才会使材料成为超导体。具体原因未知,但目前科学家知道在晶体内只有某些位置会出现空缺,即位于氧化铜平面和链上。这造成铜原子拥有奇特的氧化态,这再因某种原因引致了超导性质。

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。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。δ = 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)。然而取代钇后形成化合物的超导性与此相矛盾。

BCS理论在1957年被发布之后,人们对低温超导的认知已经非常详尽了。这种现象与两颗电子在一个晶格当中的特殊交互作用相关。然而高温超导却在这一理论的解释范围外,其确切原理仍是未知的。实验所得出的结果指出,材料中氧化铜分量必须十分准确才能带出超导性质。

钇钡铜氧 这一物质通常呈黑绿色,为一多晶、多相态矿物。[9-10]

钇钡铜氧的结构示意图

 

参考文献

 

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Peng Li

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