Oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium

composé chimique

Les oxydes mixtes de baryum, de cuivre et d'yttrium, notés YBaCuO ou YBCO, sont des céramiques connues pour être des supraconducteurs à haute température et ont été les premiers matériaux identifiés présentant un phénomène de supraconductivité au-dessus de la température d'ébullition de l'azote liquide, soit 77,36 K (−195,79 °C). Ils ont été découverts en 1986 par Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller[5]. La plupart de ces oxydes ont pour formule générale YBa2Cu3O7–δ, souvent notée Y123, mais d'autres présentent des rapports Y:Ba:Cu différents, tels que YBa2Cu4Ox (Y124), Y2Ba4Cu7Ox (Y247), ou encore Y2Ba2Cu2Ox (Y222). Ils font partie de la famille plus générale des oxydes mixtes de baryum, de cuivre et de terre rare, notée REBCO.

Oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium
YBCO superconductor.JPG
Supraconducteur YBaCuO de la TTÜ
YBCO-unit-cell-CM-3D-balls.png
__ Y3+     __ Ba2+     __ Cu2+     __ O2–
Maille cristalline des matériaux YBaCuO
Identification
No CAS 107539-20-8
No ECHA 100.121.379
No CE 619-720-7
PubChem 21871996 (Y2Ba2Cu2O7)
SMILES
InChI
Propriétés chimiques
Formule Ba2Cu3O7YYBa2Cu3O7–δ
Masse molaire[1] 666,194 ± 0,025 g/mol
Ba 41,23 %, Cu 28,62 %, O 16,81 %, Y 13,35 %,
Propriétés physiques
Masse volumique 6,3 g/cm3[2],[3]
Précautions
SGH[4]
SGH07 : Toxique, irritant, sensibilisant, narcotique
Attention
H315, H319, H335, P302+P352 et P305+P351+P338

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

HistoriqueModifier

En , soit 75 ans après la découverte de la supraconductivité en 1911, Georg Bednorz et Karl Müller, travaillant chez IBM à Zurich, ont découvert que certains oxydes semi-conducteurs deviennent supraconducteurs à 35 kelvins (−238 °C), considérée comme une température relativement élevée. En particulier, l'oxyde mixte de baryum, de cuivre et de lanthane (LBCO), à structure pérovskite déficiente en oxygène, se sont révélés prometteurs. En 1987, Bednorz et Müller ont reçu le prix Nobel en physique pour ce travail.

À partir de là, Maw-Kuen Wu et ses élèves, Ashburn et Torng, à l'université d'Alabama à Huntsville en 1987, et Paul Chu (en) et ses élèves à l'université de Houston en 1987, ont découvert que l'YBCO avait une température critique de 93 K (le premier échantillon était Y1,2Ba0,8CuO4). Leurs travaux ont rapidement mené à un nouveau supraconducteur, inaugurant une nouvelle ère dans la science de la matière et de la chimie.

YBCO fut le premier matériau à être supraconducteur au-dessus de 77 K, point d’ébullition de l'azote liquide. Tous les matériaux développés avant 1986 devenant supraconducteurs seulement à la température de l’hélium liquide (4,2 K) ou de l’hydrogène liquide (20,28 K) - la plus haute était atteinte par le Nb3Ge à 23 K. Le principal intérêt de la découverte de l'YBCO est le coût très bas de la substance utilisée pour le refroidissement en dessous de la température critique.

SynthèseModifier

Un oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium à l'état relativement pur a été synthétisé pour la première fois par chauffage d'un mélange des carbonates des métaux le constituant sur une plage de températures s'étendant de 1 000 à 1 300 K[6],[7], suivant la réaction :

4 BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6 CuCO3 + (1/2δ) O2 ⟶ 2 YBa2Cu3O7–δ + 13 CO2.

Les préparations modernes d'YBCO reposent sur les oxydes et nitrates correspondants[7].

Les propriétés supraconductrices de YBa2Cu3O7–δ sont sensibles à la valeur de δ, qui représente l'écart à la stœchiométrie en oxygène. Seuls les matériaux pour lesquels on observe 0 ≤ δ ≤ 0,65 sont supraconducteurs en-dessous de la température critique Tc ; pour δ ≈ 0,07, la supraconductivité est observée jusqu'à une température de 95 K[7] et jusqu'à un champ magnétique de 120 T pour B orthogonal aux plans CuO2 et 250 T pour B parallèle aux plans CuO2[8].

Les propriétés de ces matériaux dépendent également de la méthode de cristallisation utilisée ainsi que de la qualité du frittage. La supraconductivité est d'autant meilleure que les joints de grains sont alignés par recuit et trempe étroitement contrôlés.

Il existe de nombreuses autres méthodes de synthèse des céramiques YBCO, comme le dépôt chimique en phase vapeur[6],[7] (CVD), les procédés sol-gel[9] et les procédés par aérosols[10]. Ces procédés alternatifs demandent également un frittage soigné pour produire un supraconducteur de qualité.

La découverte que l'acide trifluoroacétique CF3COOH empêche la formation de carbonate de baryum BaCO3 a ouvert la voie à d'autres procédés. Le dépôt chimique en solution permet notamment de produire de longs rubans de YBCO[11]. Cette approche réduit la température nécessaire à l'obtention de la phase souhaitée aux environs de 700 °C et ne requiert pas de travailler sous vide, ce qui la rend économiquement plus intéressante.

StructureModifier

 
(en) Maille cristalline de YBa2Cu3O7–δ indiquant la localisation des ions Y et Ba.

Les céramiques YBCO cristallisent en une structure pérovskite lamellaire riche en défauts cristallins. La limite de chaque couche est définie par des plans constitués d'unités CuO4 planes carrées partageant leurs quatre sommets. Ces plans peuvent parfois être légèrement plissés[6]. Des rubans formés d'unités CuO2 partageant deux sommets sont perpendiculaires aux plans CuO4. Les atomes d'yttrium se trouvent entre les plans CuO4, tandis que les atomes de baryum se trouvent entre les rubans CuO2 et les plans CuO4 (voir schéma). Dans la littérature, on parle égalemement de plans CuO2 et de chaînes CuO pour désigner les plans CuO4 et les rubans CuO2.

Polyèdres de coordination des centres métalliques dans YBCO[7],[12]
         
Unité YO8 cubique Unité BaO10 Unité CuO4
plane carrée
Unité CuO5
pyramidale à base carrée
Maille cristalline
YBa2Cu3O7–δ
   
Plan CuO4 plissé Rubans CuO2

Bien que YBa2Cu3O7 soit un composé chimique défini ayant une stœchiométrie et une structure spécifiques, les substances ayant moins de sept atomes d'oxygène par maille élémentaire sont des composés non stœchiométriques. Leur structure dépend de leur teneur en oxygène. Cet écart à la stœchiométrie est noté δ dans la formule chimique YBa2Cu3O7–δ. Lorsque δ = 1, les sites O(1) des couches Cu(1) sont vides et la structure cristalline est tétragonale avec le groupe d'espace P4mm (no 99)[13]. Cette structure est isolante et ne présente pas de supraconductivité. L'accroissement du taux d'oxygène dans le cristal permet de combler des lacunes O(1). Lorsque δ < 0,65 (donc lorsque les mailles élémentaires comptent au moins 6,35 atomes d'oxygène par atome d'yttrium), il se forme des chaînes CuO le long de l'axe b du cristal. Les variations d'amplitude le long de l'axe b modifient la structure cristalline pour la rendre orthorhombique, avec pour paramètres cristallins a = 382 pm, b = 389 pm et c = 1 168 pm lorsque δ = 0[14]. La supraconductivité est observée pour δ < 0,2, où le groupe d'espace est Pmmm (no 47)[13], avec un optimum pour δ = 0,07.

Les expériences avec d'autres éléments substitués sur les sites du cuivre et du baryum ont montré que la conduction intervient dans les plans Cu(2)O tandis que les chaînes Cu(1)O(1) agissent comme réservoirs de charges en fournissant des porteurs pour les plans. Ce modèle ne décrit cependant pas correctement la supraconductivité du Pr123[15], analogue du Y123 au praséodyme. La conduction dans les plans CuO4 rend la conductivité de ces matériaux fortement anistrope, avec une variation d'un ordre de grandeur entre l'axe c et le plan (a, b). Cette anisotropie est encore plus grande dans les autres cuprates de la même famille, avec un très faible transfert de charges entre les plans.

On retrouve cette anisotropie dans d'autres paramètres de la supraconduction, aussi bien pour la profondeur de pénétration λ, avec les valeurs λab150 nm contre λc800 nm, que pour la longueur de cohérence (en) ξ, avec les valeurs ξab2 nm contre ξc0,4 nm. Bien que la longueur de cohérence soit cinq fois plus élevée dans les plans (a, b) que le long de l'axe c, elle reste assez faible comparée à d'autres supraconducteurs tels que le niobium, où l'on a ξ40 nm. Cela signifie que la supraconductivité des céramiques Y123 est davantage susceptible d'être localement rompue par des défauts cristallins de la taille d'une maille cristalline ou par des interfaces telles qu'un joint de macle. Cette sensibilité rend la fabrication de supraconducteurs YBCO délicate et rend ces matériaux sensibles à la dégradation, notamment sous l'effet de l'humidité.

Traitements de surfaceModifier

Les traitements de surface des matériaux conduisent souvent à des propriétés améliorées, voire nouvelles. Des matériaux YBCO traités en surface ont permis d'en limiter la corrosion, d'y lier des polymères, de préparer des structures supraconducteur organique / isolant / supraconducteur à haute température, et de réaliser des jonctions tunnel stratifiées métal / isolant / supraconducteur[16]. Ces matériaux moléculaires en couches minces sont produits par voltampérométrie cyclique. On a pu produire des matériaux YBCO avec des couches d'alkylamines, d'arylamines et de thiols de stabilité variable. On a proposé que les groupes amine agissent comme des bases de Lewis et se lient aux sites Cu superficiels agissant comme des acides de Lewis à la surface de YBa2Cu3O7–δ pour former des liaisons covalentes de coordination stables.

ApplicationModifier

Notes et référencesModifier

  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. (en) A. Knizhnik, G. E. Shter, G. S. Grader, G. M. Reisner et Y. Eckstein, « Interrelation of preparation conditions, morphology, chemical reactivity and homogeneity of ceramic YBCO », Physica C: Superconductivity, vol. 400, nos 1-2,‎ , p. 25-35 (DOI 10.1016/S0921-4534(03)01311-X, Bibcode 2003PhyC..400...25K, lire en ligne)
  3. (en) I. Grekhov, L. Delimova, I. Liniichuk, A. Lyublinsky, I. Veselovsky, A. Titkov, M. Dunaevsky et V. Sakharov, « Growth mode study of ultrathin HTSC YBCO films on YBaCuNbO buffer », Physica C: Superconductivity, vol. 324, no 1,‎ , p. 39-46 (DOI 10.1016/S0921-4534(99)00423-2, Bibcode 1999PhyC..324...39G, lire en ligne)
  4. Fiche Sigma-Aldrich du composé Yttrium barium copper oxide powder, consultée le 11 novembre 2021.
  5. (en) J.G. Bednorz et K.A. Müller, « Possible high Tc superconductivity in the Ba−La−Cu−O system », Zeitschrift für Physik B, vol. 64, no 2,‎ , p. 189–193 (DOI 10.1007/BF01303701).
  6. a b et c (en) C. E. Housecroft et A. G. Sharpe, Inorganic Chemistry, Prentice Hall, , 2e éd., 949 p. (ISBN 978-0-13-039913-7, lire en ligne).
  7. a b c d et e (en) Norman N. Greenwood et Alan Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2e éd., Butterworth-Heinemann, 1997. (ISBN 978-0-08-037941-8)
  8. (en) T. Sekitani, N. Miura, S. Ikeda, Y. H. Matsuda et Y. Shiohara, « Upper critical field for optimally-doped YBa2Cu3O7−δ », Physica B: Condensed Matter, vol. 346-347,‎ , p. 319-324 (DOI 10.1016/j.physb.2004.01.098, Bibcode 2004PhyB..346..319S, lire en ligne)
  9. (en) Yang-Kook Sun et In-Hwan Oh, « Preparation of Ultrafine YBa2Cu3O7-x Superconductor Powders by the Poly(vinyl alcohol)-Assisted Sol−Gel Method », Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 35, no 11,‎ , p. 4296-4300 (DOI 10.1021/ie950527y, lire en ligne)
  10. (en) Derong Zhou, « Yttrium Barium Copper Oxide Superconducting Powder Generation by AN Aerosol Process (PhD Thesis) », Dissertation Abstracts International, vol. 52, no 03,‎ , p. 1671 (Bibcode 1991PhDT........28Z)
  11. (en) O. Castaño, A. Cavallaro, A. Palau, J. C. González, M. Rossell, T. Puig, F. Sandiumenge, N. Mestres, S. Piñol, A. Pomar et X. Obradors, « High quality YBa2Cu3O7 thin films grown by trifluoroacetates metalorganic deposition », Superconductor Science and Technology, vol. 16, no 1,‎ , p. 45-53 (DOI 10.1088/0953-2048/16/1/309, Bibcode 2003SuScT..16...45C, lire en ligne)
  12. (en) A. Williams, G. H. Kwei, R. B. Von Dreele, I. D. Raistrick et D. L. Bish, « Joint x-ray and neutron refinement of the structure of superconducting YBa2Cu3O7−x: Precision structure, anisotropic thermal parameters, strain, and cation disorder », Physical Review B, vol. 37, no 7960,‎ , p. 7960-7962 (PMID 9944122, DOI 10.1103/PhysRevB.37.7960, Bibcode 1988PhRvB..37.7960W, lire en ligne)
  13. a et b (en) Paweł Pęczkowski, Piotr Zachariasz, Marcin Kowalik, Ryszard Zalecki et Cezariusz Jastrzębski, « Characterization of the superconductor-multiferroic type materials based on YBa2Cu3O7-δ–YMnO3 composites », Ceramics International, vol. 45, no 15,‎ , p. 18189-18204 (DOI 10.1016/j.ceramint.2019.06.137, lire en ligne)
  14. (en) Paola Benzi, Elena Bottizzo et Nicoletta Rizzi, « Oxygen determination from cell dimensions in YBCO superconductors », Journal of Crystal Growth, vol. 269, nos 2-4,‎ , p. 625-629 (DOI 10.1016/j.jcrysgro.2004.05.082, Bibcode 2004JCrGr.269..625B, lire en ligne)
  15. (en) Kunihiko Oka, Zhigang Zou et Jinhua Ye, « Crystal growth of superconductive PrBa2Cu3O7−y », Physica C: Superconductivity, vol. 300, nos 3-4,‎ , p. 200-206 (DOI 10.1016/S0921-4534(98)00130-0, Bibcode 1998PhyC..300..200O, lire en ligne)
  16. (en) Feng Xu, Kaimin Chen, Richard D. Piner, Chad A. Mirkin, Jason E. Ritchie, John T. McDevitt, Michael O. Cannon et David Kanis, « Surface Coordination Chemistry of YBa2Cu3O7-δ », Langmuir, vol. 14, no 22,‎ , p. 6505-6511 (DOI 10.1021/la980143n, lire en ligne)