Nguyên tố đất hiếm kỳ diệu: Ytterbium

Ytterbi: số nguyên tử 70, trọng lượng nguyên tử 173,04, tên nguyên tố bắt nguồn từ vị trí phát hiện ra nó. Hàm lượng ytterbium trong lớp vỏ là 0,000266%, chủ yếu hiện diện trong các mỏ photphorit và vàng hiếm đen. Hàm lượng trong monazite là 0,03% và có 7 đồng vị tự nhiên

Đã phát hiện

Bởi: Marinak

Thời gian: 1878

Vị trí: Thụy Sĩ

Năm 1878, các nhà hóa học Thụy Sĩ Jean Charles và G Marignac đã phát hiện ra một nguyên tố đất hiếm mới ở “erbium”. Năm 1907, Ulban và Weils chỉ ra rằng Marignac đã tách được hỗn hợp oxit lutetium và oxit ytterbium. Để tưởng nhớ ngôi làng nhỏ tên Yteerby gần Stockholm, nơi phát hiện ra quặng yttrium, nguyên tố mới này được đặt tên là Ytterbium với ký hiệu Yb.

cấu hình electron

cấu hình electron
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14

Kim loại

Ytterbium kim loại có màu xám bạc, dẻo và có kết cấu mềm. Ở nhiệt độ phòng, ytterbium có thể bị oxy hóa chậm bởi không khí và nước.

Có hai cấu trúc tinh thể: α- Loại là hệ tinh thể lập phương tâm mặt (nhiệt độ phòng -798 oC); β- Loại là mạng lập phương tâm khối (trên 798 oC). Điểm nóng chảy 824 oC, điểm sôi 1427 oC, mật độ tương đối 6,977（ Loại α-), 6,54（ Loại β-).

Không hòa tan trong nước lạnh, hòa tan trong axit và amoniac lỏng. Nó khá ổn định trong không khí. Tương tự như samarium và europium, ytterbium thuộc loại đất hiếm có hóa trị thay đổi và cũng có thể ở trạng thái hóa trị hai dương ngoài việc thường có hóa trị ba.

Do đặc tính hóa trị thay đổi này, việc điều chế ytterbium kim loại không nên được thực hiện bằng phương pháp điện phân mà bằng phương pháp chưng cất khử để điều chế và tinh chế. Thông thường, kim loại lanthanum được sử dụng làm chất khử để chưng cất khử, tận dụng sự chênh lệch giữa áp suất hơi cao của kim loại ytterbium và áp suất hơi thấp của kim loại lanthanum. Ngoài ra,chất hóa học, ytterbium, Vàlutetichất cô đặc có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô, vàlantan kim loạicó thể được sử dụng làm chất khử. Trong điều kiện chân không ở nhiệt độ cao> 1100oC và <0,133Pa, ytterbium kim loại có thể được chiết xuất trực tiếp bằng cách chưng cất khử. Giống như samarium và europium, ytterbium cũng có thể được tách ra và tinh chế thông qua quá trình khử ướt. Thông thường, chất cô đặc thulium, ytterbium và lutetium được sử dụng làm nguyên liệu thô. Sau khi hòa tan, ytterbium bị khử về trạng thái hóa trị hai, gây ra sự khác biệt đáng kể về tính chất, sau đó tách ra khỏi các loại đất hiếm hóa trị ba khác. Sản xuất có độ tinh khiết caooxit ytterbiumthường được thực hiện bằng phương pháp sắc ký chiết hoặc phương pháp trao đổi ion。

Ứng dụng

Dùng để sản xuất các hợp kim đặc biệt. Hợp kim Ytterbium đã được ứng dụng trong y học nha khoa cho các thí nghiệm luyện kim và hóa học.

Trong những năm gần đây, ytterbium đã xuất hiện và phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực truyền thông sợi quang và công nghệ laser.

Với việc xây dựng và phát triển “xa lộ thông tin”, mạng máy tính và hệ thống truyền dẫn cáp quang đường dài có yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất của vật liệu sợi quang được sử dụng trong truyền thông quang học. Các ion Ytterbium, do đặc tính quang phổ tuyệt vời của chúng, có thể được sử dụng làm vật liệu khuếch đại sợi quang cho truyền thông quang học, giống như erbium và thulium. Mặc dù nguyên tố đất hiếm erbium vẫn đóng vai trò chính trong việc chế tạo các bộ khuếch đại sợi, nhưng sợi thạch anh pha tạp erbium truyền thống có băng thông khuếch đại nhỏ (30nm), gây khó khăn cho việc đáp ứng yêu cầu truyền thông tin tốc độ cao và dung lượng cao. Các ion Yb3+ có tiết diện hấp thụ lớn hơn nhiều so với các ion Er3+ khoảng 980nm. Thông qua hiệu ứng nhạy cảm của Yb3+ và sự truyền năng lượng của erbium và ytterbium, ánh sáng 1530nm có thể được tăng cường đáng kể, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất khuếch đại của ánh sáng.

Trong những năm gần đây, thủy tinh photphat pha tạp erbium ytterbium ngày càng được các nhà nghiên cứu ưa chuộng. Kính photphat và fluorophosphate có độ ổn định nhiệt và hóa học tốt, cũng như độ truyền hồng ngoại rộng và đặc tính mở rộng không đồng đều lớn, khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho sợi thủy tinh khuếch đại pha tạp erbium băng thông rộng và độ lợi cao. Bộ khuếch đại sợi pha tạp Yb3+ có thể khuếch đại công suất và khuếch đại tín hiệu nhỏ, khiến chúng phù hợp với các trường như cảm biến sợi quang, giao tiếp laser không gian tự do và khuếch đại xung cực ngắn. Trung Quốc hiện đã xây dựng hệ thống truyền dẫn quang có dung lượng kênh đơn lớn nhất thế giới và tốc độ nhanh nhất, đồng thời có đường cao tốc thông tin rộng nhất thế giới. Các bộ khuếch đại sợi pha tạp Ytterbium và các bộ khuếch đại sợi pha tạp đất hiếm khác và vật liệu laser đóng một vai trò quan trọng và quan trọng trong chúng.

Các đặc tính quang phổ của ytterbium cũng được sử dụng làm vật liệu laser chất lượng cao, cả dưới dạng tinh thể laser, kính laser và laser sợi quang. Là một vật liệu laser công suất cao, các tinh thể laser pha tạp ytterbium đã tạo thành một loạt lớn, bao gồm ngọc hồng lựu nhôm yttrium pha tạp ytterbium (Yb: YAG), ngọc hồng lựu gadolinium gallium pha tạp ytterbium (Yb: GGG), canxi fluorophosphate pha tạp ytterbium (Yb: FAP) , strontium fluorophosphate pha tạp ytterbium (Yb: S-FAP), yttrium pha tạp ytterbium vanađat (Yb: YV04), borat pha tạp ytterbium và silicat. Laser bán dẫn (LD) là một loại nguồn bơm mới dành cho laser trạng thái rắn. Yb: YAG có nhiều đặc tính phù hợp cho bơm LD công suất cao và đã trở thành vật liệu laser để bơm LD công suất cao. Yb: Tinh thể S-FAP có thể được sử dụng làm vật liệu laser cho phản ứng tổng hợp hạt nhân laser trong tương lai, điều này đã thu hút sự chú ý của mọi người. Trong tinh thể laser điều chỉnh được có crom ytterbium holmium yttrium nhôm gallium garnet (Cr, Yb, Ho: YAGG) có bước sóng dao động từ 2,84 đến 3,05 μ Điều chỉnh liên tục giữa m. Theo thống kê, hầu hết các đầu đạn hồng ngoại sử dụng trong tên lửa trên thế giới đều sử dụng 3-5 μ. Do đó, việc phát triển laser Cr, Yb, Ho: YSGG có thể gây nhiễu hiệu quả cho các biện pháp đối phó vũ khí dẫn đường hồng ngoại tầm trung và có ý nghĩa quân sự quan trọng. Trung Quốc đã đạt được hàng loạt kết quả đổi mới có trình độ tiên tiến quốc tế trong lĩnh vực tinh thể laser pha tạp ytterbium (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP, v.v.), giải quyết các công nghệ chủ chốt như tăng trưởng tinh thể và laser nhanh, xung, đầu ra liên tục và có thể điều chỉnh. Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong quốc phòng, công nghiệp, khoa học kỹ thuật và các sản phẩm tinh thể pha tạp ytterbium đã được xuất khẩu sang nhiều quốc gia và khu vực như Hoa Kỳ, Nhật Bản.

Một loại vật liệu laser ytterbium chính khác là kính laser. Nhiều loại kính laser tiết diện phát xạ cao khác nhau đã được phát triển, bao gồm germanium telurit, silicon niobate, borat và photphat. Do dễ đúc thủy tinh, nó có thể được chế tạo thành kích thước lớn và có các đặc tính như độ truyền ánh sáng cao và độ đồng đều cao, giúp tạo ra tia laser công suất cao. Kính laser đất hiếm quen thuộc trước đây chủ yếu là thủy tinh neodymium, có lịch sử phát triển hơn 40 năm và công nghệ sản xuất và ứng dụng trưởng thành. Nó luôn là vật liệu được ưa chuộng cho các thiết bị laser công suất cao và đã được sử dụng trong các thiết bị thử nghiệm phản ứng tổng hợp hạt nhân và vũ khí laser. Các thiết bị laser công suất cao được chế tạo ở Trung Quốc, bao gồm thủy tinh neodymium laser làm môi trường laser chính, đã đạt đến trình độ tiên tiến trên thế giới. Nhưng thủy tinh neodymium laser hiện đang phải đối mặt với thách thức mạnh mẽ từ thủy tinh ytterbium laser.

Trong những năm gần đây, một số lượng lớn các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiều đặc tính của thủy tinh ytterbium laser vượt trội hơn so với thủy tinh neodymium. Do sự phát quang pha tạp ytterbium chỉ có hai mức năng lượng nên hiệu quả lưu trữ năng lượng cao. Với cùng mức tăng, thủy tinh ytterbium có hiệu suất lưu trữ năng lượng cao gấp 16 lần so với thủy tinh neodymium và tuổi thọ huỳnh quang gấp 3 lần so với thủy tinh neodymium. Nó cũng có những ưu điểm như nồng độ pha tạp cao, băng thông hấp thụ và có thể được bơm trực tiếp bằng chất bán dẫn, khiến nó rất phù hợp với laser công suất cao. Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của thủy tinh laser ytterbium thường dựa vào sự hỗ trợ của neodymium, chẳng hạn như sử dụng Nd3+ làm chất nhạy để làm cho thủy tinh laser ytterbium hoạt động ở nhiệt độ phòng và μ Đạt được phát xạ laser ở bước sóng m. Vì vậy, ytterbium và neodymium đều là đối thủ cạnh tranh và đối tác hợp tác trong lĩnh vực kính laser.

Bằng cách điều chỉnh thành phần thủy tinh, nhiều đặc tính phát quang của thủy tinh laser ytterbium có thể được cải thiện. Với sự phát triển của laser công suất cao làm hướng chính, laser làm từ thủy tinh laser ytterbium ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hiện đại, nông nghiệp, y học, nghiên cứu khoa học và ứng dụng quân sự.

Sử dụng trong quân sự: Sử dụng năng lượng được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân làm năng lượng luôn là mục tiêu được mong đợi và việc đạt được phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát sẽ là phương tiện quan trọng để nhân loại giải quyết các vấn đề năng lượng. Thủy tinh laze pha tạp Ytterbium đang trở thành vật liệu được ưa chuộng để đạt được các nâng cấp về phản ứng tổng hợp giam giữ quán tính (ICF) trong thế kỷ 21 do hiệu suất laser tuyệt vời của nó.

Vũ khí laser sử dụng năng lượng cực lớn của chùm tia laser để tấn công và tiêu diệt mục tiêu, tạo ra nhiệt độ hàng tỷ độ C và tấn công trực tiếp với tốc độ ánh sáng. Chúng có thể được gọi là Nadana và có sức sát thương lớn, đặc biệt phù hợp với các hệ thống vũ khí phòng không hiện đại trong chiến tranh. Hiệu suất tuyệt vời của kính laser pha tạp ytterbium đã khiến nó trở thành vật liệu cơ bản quan trọng để sản xuất vũ khí laser công suất cao và hiệu suất cao.

Laser sợi là một công nghệ mới đang phát triển nhanh chóng và cũng thuộc lĩnh vực ứng dụng kính laser. Laser sợi là loại laser sử dụng sợi quang làm môi trường laser, là sản phẩm của sự kết hợp giữa công nghệ sợi quang và laser. Đây là một công nghệ laser mới được phát triển trên cơ sở công nghệ khuếch đại sợi pha tạp erbium (EDFA). Laser sợi quang bao gồm một diode laser bán dẫn làm nguồn bơm, ống dẫn sóng sợi quang và môi trường khuếch đại, và các thành phần quang học như sợi cách tử và bộ ghép. Nó không yêu cầu điều chỉnh cơ học đường quang, cơ chế nhỏ gọn và dễ tích hợp. So với laser trạng thái rắn và laser bán dẫn truyền thống, nó có những ưu điểm về công nghệ và hiệu suất như chất lượng chùm tia cao, độ ổn định tốt, khả năng chống nhiễu môi trường mạnh, không cần điều chỉnh, không cần bảo trì và cấu trúc nhỏ gọn. Do các ion pha tạp chủ yếu là Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, tất cả đều sử dụng sợi đất hiếm làm môi trường khuếch đại nên laser sợi quang do công ty phát triển cũng có thể được gọi là laser sợi đất hiếm.

Ứng dụng laser: Laser sợi quang phủ đôi pha tạp ytterbium công suất cao đã trở thành một lĩnh vực nóng trong công nghệ laser trạng thái rắn trên toàn thế giới trong những năm gần đây. Nó có ưu điểm là chất lượng chùm tia tốt, cấu trúc nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi cao và có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong chế biến công nghiệp và các lĩnh vực khác. Sợi pha tạp ytterbium phủ đôi thích hợp cho việc bơm laser bán dẫn, với hiệu suất ghép cao và công suất đầu ra laser cao, và là hướng phát triển chính của sợi pha tạp ytterbium. Công nghệ sợi pha tạp ytterbium phủ kép của Trung Quốc không còn ngang bằng với trình độ tiên tiến của nước ngoài. Sợi pha tạp ytterbium, sợi pha tạp ytterbium phủ kép và sợi pha tạp erbium ytterbium co được phát triển ở Trung Quốc đã đạt đến trình độ tiên tiến của các sản phẩm nước ngoài tương tự về hiệu suất và độ tin cậy, có lợi thế về chi phí và có công nghệ cốt lõi được cấp bằng sáng chế cho nhiều sản phẩm và phương pháp .

Công ty laser IPG nổi tiếng thế giới của Đức gần đây đã thông báo rằng hệ thống laser sợi pha tạp ytterbium mới ra mắt của họ có đặc tính chùm tia tuyệt vời, tuổi thọ bơm hơn 50000 giờ, bước sóng phát xạ trung tâm 1070nm-1080nm và công suất đầu ra lên tới 20KW. Nó đã được ứng dụng trong hàn, cắt và khoan đá.

Vật liệu laser là cốt lõi và nền tảng cho sự phát triển của công nghệ laser. Trong ngành công nghiệp laser luôn có câu nói rằng 'một thế hệ vật liệu, một thế hệ thiết bị'. Để phát triển các thiết bị laser tiên tiến và thiết thực, trước tiên cần phải sở hữu vật liệu laser hiệu suất cao và tích hợp các công nghệ liên quan khác. Các tinh thể laser pha tạp Ytterbium và thủy tinh laser, là lực mới của vật liệu laser rắn, đang thúc đẩy sự phát triển đổi mới của công nghệ laser và truyền thông sợi quang, đặc biệt là trong các công nghệ laser tiên tiến như laser tổng hợp hạt nhân công suất cao, nhịp năng lượng cao. tia laser gạch và tia laser vũ khí năng lượng cao.

Ngoài ra, ytterbium còn được dùng làm chất kích hoạt bột huỳnh quang, gốm vô tuyến, phụ gia cho linh kiện bộ nhớ máy tính điện tử (bong bóng từ tính) và phụ gia thủy tinh quang học. Cần chỉ ra rằng yttrium và yttrium đều là những nguyên tố đất hiếm. Mặc dù có sự khác biệt đáng kể về tên tiếng Anh và ký hiệu nguyên tố, bảng chữ cái phiên âm tiếng Trung có các âm tiết giống nhau. Trong một số bản dịch tiếng Trung, yttrium đôi khi bị gọi nhầm là yttrium. Trong trường hợp này, chúng ta cần dò tìm văn bản gốc và kết hợp các ký hiệu phần tử để xác nhận.