El boruro de itrio se refiere a un material cristalino compuesto de diferentes proporciones de itrio y boro , como YB 2 , YB 4 , YB 6 , YB 12 , YB 25 , YB 50 e YB 66 . Todos ellos son sólidos duros de color gris que tienen altas temperaturas de fusión. La forma más común es el hexaboruro de itrio YB 6 . Presenta superconductividad a una temperatura relativamente alta de 8,4 K y, similar al LaB 6 , es un cátodo de electrones . Otro boruro de itrio notable es el YB 66 . Tiene una gran constante de red (2,344 nm), alta estabilidad térmica y mecánica y, por lo tanto, se utiliza como rejilla de difracción para radiación sincrotrón de baja energía (1-2 keV).
El diboruro de itrio tiene la misma estructura cristalina hexagonal que el diboruro de aluminio y el diboruro de magnesio , un importante material superconductor. Su símbolo de Pearson es hP3 , grupo espacial P6/mmm (No 191), a = 0,33041 nm, c = 0,38465 nm y la densidad calculada es 5,05 g/cm 3 . [3] En esta estructura, los átomos de boro forman láminas similares a grafito con átomos de itrio entre ellas. Los cristales YB 2 son inestables al calentamiento moderado en el aire: comienzan a oxidarse a 400 °C y se oxidan completamente a 800 °C. [4] YB 2 se funde a ~2100 °C. [5]
YB 4 tiene una estructura cristalina tetragonal con grupo espacial P4/mbm (No. 127), símbolo de Pearson tP20 , a = 0,711 nm, c = 0,4019 nm, densidad calculada 4,32 g/cm 3 . [6] Se pueden cultivar cristales YB 4 de alta calidad de unos pocos centímetros de tamaño mediante la técnica de zona flotante de múltiples pasadas . [7]
YB6 es un polvo negro inodoro que tiene una densidad de 3,67 g / cm3 ; tiene la misma estructura cristalina cúbica que otros hexaboruros ( CaB 6 , LaB 6 , etc., ver cuadro de información). [2] Se pueden cultivar cristales YB 6 de alta calidad de unos pocos centímetros de tamaño mediante la técnica de zona flotante de múltiples pasadas . [7] [8] YB 6 es un superconductor con una temperatura de transición (inicio) relativamente alta de 8,4 K. [8] [9]
Los cristales de YB 12 tienen una estructura cúbica con una densidad de 3,44 g/cm 3 , símbolo de Pearson cF52 , grupo espacial Fm 3 m (No. 225), a = 0,7468 nm. [10] Su unidad estructural es 12 cuboctaedro . La temperatura de Debye de YB 12 es ~1040 K y no es superconductor a temperaturas superiores a 2,5 K. [11]
La estructura de los boruros de itrio con una relación B/Y de 25 y superior consiste en una red de icosaedros B 12 . La estructura de boro de YB 25 es una de las más simples entre los boruros basados en icosaedros: consta de un solo tipo de icosaedro y un sitio de boro puente. El sitio de boro puente está coordinado tetraédricamente por cuatro átomos de boro. Esos átomos son otro átomo de boro en el sitio del contrapuente y tres átomos de boro ecuatoriales de uno de los tres icosaedros B 12 . Los sitios de itrio tienen ocupaciones parciales de ca. 60–70%, y la fórmula YB 25 simplemente refleja la relación atómica promedio [B]/[Y] = 25. Tanto los átomos Y como los icosaedros B 12 forman zigzags a lo largo del eje x . Los átomos de boro puente conectan tres átomos de boro ecuatoriales de tres icosaedros y esos icosaedros forman una red paralela al plano cristalino (101) ( plano x - z en la figura). La distancia de enlace entre los átomos de boro puente y los átomos de boro ecuatoriales es de 0,1755 nm, lo que es típico del enlace BB covalente fuerte (longitud del enlace de 0,17 a 0,18 nm); De este modo, los átomos de boro puente fortalecen los planos de red individuales . Por otro lado, la gran distancia entre los átomos de boro dentro del puente (0,2041 nm) revela una interacción más débil y, por lo tanto, los sitios del puente contribuyen poco a la unión entre los planos de la red. [12] [13]
Los cristales de YB 25 se pueden cultivar calentando una pastilla comprimida de itria (Y 2 O 3 ) y polvo de boro a ~1700 °C. La fase YB 25 es estable hasta 1850 °C. Por encima de esta temperatura se descompone en YB 12 e YB 66 sin fundirse. Esto dificulta el crecimiento de un monocristal de YB 25 mediante el método de crecimiento en estado fundido. [12]
Los cristales de YB 50 tienen estructura ortorrómbica con grupo espacial P2 1 2 1 2 (No. 18), a = 1,66251 nm, b = 1,76198 nm, c = 0,94797 nm. Se pueden cultivar calentando una bolita comprimida de itria (Y 2 O 3 ) y boro en polvo a ~1700 0 C. Por encima de esta temperatura, YB 50 se descompone en YB 12 e YB 66 sin fundirse. Esto dificulta el crecimiento de un monocristal de YB 50 mediante el método de crecimiento en estado fundido. Los elementos de tierras raras, desde Tb hasta Lu, también pueden cristalizar en la forma M 50 . [14]
YB 66 fue descubierto en 1960 [17] y su estructura se resolvió en 1969. [16] La estructura es cúbica centrada en las caras , con grupo espacial Fm 3 c (No. 226), símbolo de Pearson cF1936 y constante de red a = 2,3440( 6) nm. Hay 13 sitios de boro B1 a B13 y un sitio de itrio. Los sitios B1 forman un icosaedro B 12 y los sitios B2-B9 forman otro icosaedro. Estos icosaedros se organizan en una unidad de trece icosaedros (B 12 ) 12 B 12 que se llama supericosaedro. El icosaedro formado por los átomos del sitio B1 se encuentra en el centro del supericosaedro. El supericosaedro es una de las unidades básicas de la estructura de boro de YB 66 . Hay dos tipos de supericosaedros: uno ocupa los centros de las caras cúbicas y otro, que está girado 90°, se ubica en el centro de la celda y en los bordes de la celda. Por tanto, hay ocho supericosaedros (1248 átomos de boro) en la celda unitaria. [15]
Otra unidad estructural de YB 66 es el grupo B 80 de 80 sitios de boro formado por los sitios B10 a B13. [15] Todos esos 80 sitios están parcialmente ocupados y en total contienen sólo ca. 42 átomos de boro. El grupo B 80 está situado en el centro del cuerpo del octante de la celda unitaria, es decir, en la posición 8 a (1/4, 1/4, 1/4); por tanto, hay ocho de estos grupos (336 átomos de boro) por celda unitaria. Dos análisis estructurales independientes [15] [16] llegaron a la misma conclusión de que el número total de átomos de boro en la celda unitaria es 1584. La estructura estructural de boro de YB 66 se muestra en la figura de la derecha. Un dibujo esquemático debajo indica las orientaciones relativas de los supericosaedros, y los grupos B 80 están representados por esferas de color verde claro y verde oscuro, respectivamente; en la superficie superior de la celda unitaria, las orientaciones relativas de los supericosaedros se indican mediante flechas. Hay 48 sitios de itrio ((0,0563, 1/4, 1/4) para YB 62 [15] ) en la celda unitaria. Fijar la ocupación del sitio Y en 0,5 da como resultado 24 átomos de Y en la celda unitaria y la composición química de YB 66 ; esta ocupación de 0,5 implica que el par de itrio siempre tiene un átomo de Y con un sitio vacío. [dieciséis]
YB 66 tiene una densidad de 2,52 g/cm 3 , una baja conductividad térmica de 0,02 W/(cm·K), constantes elásticas c 11 = 3,8×10 9 y c 44 = 1,6×10 9 Newton/m 2 y una temperatura de Debye de 1300 K. [18] Como todos los boruros de itrio, el YB 66 es un material duro y presenta una dureza Knoop de 26 GPa. [19] Los cristales YB 66 de alta calidad , de unos pocos centímetros de tamaño, pueden cultivarse mediante la técnica de zona flotante de múltiples pasos y usarse como monocromadores de rayos X. [20]
La gran celda unitaria de YB 66 da como resultado una gran constante de red de 2,344 nm. [18] Esta propiedad, junto con una alta estabilidad térmica y mecánica, dio como resultado la aplicación de YB 66 como elementos dispersivos de monocromadores de rayos X para radiación de baja energía (1–2 keV). [21] [22]