39 钇激光晶体的元素

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2018/11/29
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Author:Peng Li

本文投稿作者漂泊

钇元素的最重要用途是生产LED和磷光体，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 / m³
熔点	1522°C
升华点	3338°C
色・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、激光器和超导体中，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%）可以降低铬、钼、钛和锆的晶粒度。它也可以增强铝合金和镁合金的材料强度。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，钇也可用于还原钒和其他有色金属。^[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、铁、铝和钆石榴石（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）。掺铈的钇铝石榴石（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，可用的掺杂剂包括钕、铒和镱。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，阿拉巴马大学和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YBa₂Cu₃O_7–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。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。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）。然而镨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

[1]van der Krogt, Peter (2005-05-05).“39 Yttrium”. Elementymology & Elements Multidict. Retrieved2008-08-06.
[2]Mosander, Carl Gustaf(1843). “Ueber die das Cerium begleitenden neuen Metalle Lathanium und Didymium, so wie über die mit der Yttererde vorkommen-den neuen Metalle Erbium und Terbium”. Annalen der Physik und Chemie (in German).60(2): 297–315.Bibcode:1843AnP…136..297M.doi:10.1002/andp.18431361008
[3]Cotton, Simon A. (2006-03-15). “Scandium, Yttrium & the Lanthanides: Inorganic & Coordination Chemistry”.Encyclopedia of Inorganic Chemistry.doi:10.1002/0470862106.ia211.ISBN 978-0-470-86078-6
[4]CRC contributors (2007–2008). “Yttrium”. In Lide, David R.CRC Handbook of Chemistryand Physics.4. New York:CRC Press. p. 41.ISBN 978-0-8493-0488-0.
[5]http://www.docin.com/p-1695716046.html
[6]Cotton, Simon A. (2006-03-15). “Scandium, Yttrium & the Lanthanides: Inorganic & Coordination Chemistry”.Encyclopedia of Inorganic Chemistry.doi:10.1002/0470862106.ia211.ISBN 978-0-470-86078-6.
[7]Jaffe, H. W. (1951).“The role of yttrium and other minor elements in the garnet group”(pdf).American Mineralogist: 133–155. Retrieved 2008-08-26.
[8]Kong, J.; Tang, D. Y.; Zhao, B.; Lu, J.; Ueda, K.; Yagi, H. & Yanagitani, T. (2005). “9.2-W diode-pumped Yb:Y₂O₃ceramic laser”.Applied Physics Letters.86(16): 116.Bibcode:2005ApPhL..86p1116K.doi:10.1063/1.1914958
[9]Wu, M. K.; et al. (1987). “Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure”.Physical Review Letters.58(9): 908–910.Bibcode:1987PhRvL..58..908W.doi:10.1103/PhysRevLett.58.908.PMID 10035069
[10]“Yttrium Barium Copper Oxide – YBCO”. Imperial College. Retrieved 2009-12-20.