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 y 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 . Exhibe 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 de 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 (n.° 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 al grafito con átomos de itrio entre ellos. Los cristales de YB 2 son inestables al calentamiento moderado en el aire: comienzan a oxidarse a 400 °C y se oxidan completamente a 800 °C. [4] El YB 2 se funde a ~2100 °C. [5]
El YB 4 tiene una estructura cristalina tetragonal con un grupo espacial P4/mbm (n.º 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 de YB 4 de alta calidad de unos pocos centímetros de tamaño mediante la técnica de zona flotante de múltiples pasadas . [7]
El YB 6 es un polvo negro inodoro que tiene una densidad de 3,67 g/cm 3 ; tiene la misma estructura cristalina cúbica que otros hexaboruros ( CaB 6 , LaB 6 , etc., véase el cuadro de información). [2] Se pueden cultivar cristales de YB 6 de alta calidad de unos pocos centímetros de tamaño mediante la técnica de zona flotante de múltiples pasadas . [7] [8] El 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 (n.º 225), a = 0,7468 nm. [10] Su unidad estructural es el cuboctaedro de 12 . La temperatura de Debye de YB 12 es de ~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: consiste en un solo tipo de icosaedro y un sitio de puente de boro. El sitio de puente de boro 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 de YB 25 simplemente refleja la relación atómica promedio [B]/[Y] = 25. Tanto los átomos de Y como los icosaedros B 12 forman zigzags a lo largo del eje x . Los átomos de boro puente conectan tres átomos de boro ecuatorial 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 el boro puente y los átomos de boro ecuatorial es de 0,1755 nm, lo que es típico para el fuerte enlace covalente BB (longitud de enlace 0,17-0,18 nm); por lo tanto, 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 de puente contribuyen poco a la unión entre los planos de la red. [12] [13]
Los cristales de YB 25 se pueden cultivar calentando un gránulo comprimido de itria (Y 2 O 3 ) y polvo de boro a ~1700 °C. La fase de YB 25 es estable hasta 1850 °C. Por encima de esta temperatura se descompone en YB 12 y YB 66 sin fundirse. Esto dificulta el cultivo de un solo cristal de YB 25 mediante el método de crecimiento por fusión. [12]
Los cristales de YB 50 tienen una estructura ortorrómbica con un grupo espacial P2 1 2 1 2 (n.º 18), a = 1,66251 nm, b = 1,76198 nm, c = 0,94797 nm. Se pueden cultivar calentando un gránulo comprimido de itria (Y 2 O 3 ) y polvo de boro a ~1700 0 C. Por encima de esta temperatura, el YB 50 se descompone en YB 12 y YB 66 sin fundirse. Esto dificulta el cultivo de un monocristal de YB 50 mediante el método de crecimiento en fusión. Los elementos de tierras raras desde Tb hasta Lu también pueden cristalizar en la forma M 50. [14]
El YB 66 fue descubierto en 1960 [17] y su estructura fue resuelta 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 reticular a = 2,3440(6) nm. Hay 13 sitios de boro B1–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 del marco de boro del YB 66 . Existen dos tipos de supericosaedros: uno ocupa los centros de las caras cúbicas y otro, que está rotado 90°, se ubica en el centro de la celda y en los bordes de la misma. Por lo 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 solo ca. 42 átomos de boro. El grupo B 80 está ubicado 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 lo tanto, hay ocho grupos de este tipo (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 del marco 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 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. Fijando la ocupación del sitio Y a 0,5 se obtienen 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. [16]
El YB 66 tiene una densidad de 2,52 g/cm 3 , una conductividad térmica baja 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] Se pueden cultivar cristales de YB 66 de alta calidad de unos pocos centímetros de tamaño mediante la técnica de zona flotante de múltiples pasadas y se pueden utilizar como monocromadores de rayos X. [20]
La gran celda unitaria de YB 66 da como resultado una constante de red grande 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]