Čarobni element redkih zemelj: iterbij

iterbij: atomsko število 70, atomska teža 173,04, ime elementa izhaja iz lokacije odkritja. Vsebnost iterbija v skorji je 0,000266 %, prisoten je predvsem v nahajališčih fosforita in črnega redkega zlata. Vsebnost v monazitu je 0,03%, naravnih izotopov pa je 7

Odkrito

Avtor: Marinak

Čas: 1878

Lokacija: Švica

Leta 1878 sta švicarska kemika Jean Charles in G Marignac odkrila nov element redkih zemelj v "erbiju". Leta 1907 sta Ulban in Weils poudarila, da je Marignac ločil mešanico lutecijevega oksida in iterbijevega oksida. V spomin na majhno vas z imenom Yteerby blizu Stockholma, kjer so odkrili itrijevo rudo, so ta novi element poimenovali iterbij s simbolom Yb.

Elektronska konfiguracija

Elektronska konfiguracija
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14

Kovina

Kovinski iterbij je srebrno siv, duktilen in ima mehko teksturo. Pri sobni temperaturi lahko iterbij počasi oksidira z zrakom in vodo.

Obstajata dve kristalni strukturi: α- tip je kubični kristalni sistem s središčem obraza (sobna temperatura -798 ℃); β- Vrsta je kubična (nad 798 ℃) mreža s središčem telesa. Tališče 824 ℃, vrelišče 1427 ℃, relativna gostota 6,977 (tip α), 6,54 (tip β).

Netopen v hladni vodi, topen v kislinah in tekočem amoniaku. Na zraku je precej stabilen. Podobno kot samarij in evropij tudi iterbij spada med redke zemlje s spremenljivo valenco in je poleg tega, da je običajno trivalenten, lahko tudi v pozitivnem dvovalentnem stanju.

Zaradi te spremenljive valenčne značilnosti se priprava kovinskega iterbija ne sme izvajati z elektrolizo, temveč z metodo redukcijske destilacije za pripravo in čiščenje. Običajno se kovinski lantan uporablja kot redukcijsko sredstvo za redukcijsko destilacijo, pri čemer se uporablja razlika med visokim parnim tlakom kovinskega iterbija in nizkim parnim tlakom kovinskega lantana. Druga možnost je,tulij, iterbij, inlutecijkoncentrati se lahko uporabljajo kot surovine inkovinski lantanse lahko uporablja kot redukcijsko sredstvo. Pri visokotemperaturnih vakuumskih pogojih >1100 ℃ in <0,133 Pa je mogoče kovinski iterbij neposredno ekstrahirati z redukcijsko destilacijo. Tako kot samarij in evropij je mogoče tudi iterbij ločiti in prečistiti z mokro redukcijo. Običajno se kot surovine uporabljajo koncentrati tulija, iterbija in lutecija. Po raztapljanju se iterbij reducira v dvovalentno stanje, kar povzroči pomembne razlike v lastnostih, nato pa se loči od drugih trivalentnih redkih zemelj. Proizvodnja visoke čistostiiterbijev oksidse običajno izvaja z ekstrakcijsko kromatografijo ali metodo ionske izmenjave.

Aplikacija

Uporablja se za izdelavo posebnih zlitin. Iterbijeve zlitine so bile uporabljene v dentalni medicini za metalurške in kemijske poskuse.

V zadnjih letih se je iterbij pojavil in hitro razvil na področju komunikacije z optičnimi vlakni in laserske tehnologije.

Z izgradnjo in razvojem »informacijske avtoceste« imajo računalniška omrežja in prenosni sistemi z optičnimi vlakni na dolge razdalje vse višje zahteve glede zmogljivosti materialov iz optičnih vlaken, ki se uporabljajo v optični komunikaciji. Iterbijeve ione lahko zaradi svojih odličnih spektralnih lastnosti uporabimo kot materiale za ojačanje vlaken za optično komunikacijo, tako kot erbij in tulij. Čeprav je redki zemeljski element erbij še vedno glavni igralec pri pripravi ojačevalnikov vlaken, imajo tradicionalna kremenčeva vlakna, dopirana z erbijem, majhno pasovno širino ojačenja (30 nm), zaradi česar je težko izpolnjevati zahteve po hitrem in visokozmogljivem prenosu informacij. Ioni Yb3+ imajo veliko večji absorpcijski presek kot ioni Er3+ okoli 980 nm. Z učinkom preobčutljivosti Yb3+ in prenosom energije erbija in iterbija je mogoče svetlobo 1530 nm močno izboljšati, s čimer se močno izboljša učinkovitost ojačanja svetlobe.

V zadnjih letih so raziskovalci vedno bolj naklonjeni fosfatnemu steklu, dopiranemu z erbijem, iterbijem. Fosfatna in fluorofosfatna stekla imajo dobro kemično in toplotno stabilnost, pa tudi široko infrardečo prepustnost in velike neenakomerne širitvene lastnosti, zaradi česar so idealni materiali za širokopasovno in z erbijem dopirano stekleno vlakno z visokim ojačenjem. Ojačevalniki z vlakni, dopiranimi z Yb3+, lahko dosežejo ojačanje moči in majhno ojačanje signala, zaradi česar so primerni za področja, kot so senzorji iz optičnih vlaken, laserska komunikacija v prostem prostoru in ojačanje ultra kratkih impulzov. Kitajska je trenutno zgradila največjo enokanalno zmogljivost in najhitrejši optični prenosni sistem na svetu ter ima najširšo informacijsko avtocesto na svetu. Ojačevalniki vlaken, dopirani z iterbijem in drugimi redkimi zemljami, ter laserski materiali imajo pri njih ključno in pomembno vlogo.

Spektralne lastnosti iterbija se uporabljajo tudi kot visokokakovostni laserski materiali, tako kot laserski kristali, laserska stekla in laserji z vlakni. Kot visoko zmogljiv laserski material so laserski kristali, dopirani z iterbijem, oblikovali ogromno serijo, vključno z itrijevim aluminijevim granatom, dopiranim z iterbijem (Yb: YAG), gadolinijevim galijevim granatom, dopiranim z iterbijem (Yb: GGG), kalcijevim fluorofosfatom, dopiranim z iterbijem (Yb: FAP). stroncijev fluorofosfat, dopiran z iterbijem (Yb: S-FAP), itrijev vanadat, dopiran z iterbijem (Yb: YV04), borat, dopiran z iterbijem, in silikat. Polprevodniški laser (LD) je nova vrsta črpalnega vira za polprevodniške laserje. Yb: YAG ima številne značilnosti, primerne za visoko zmogljivo LD črpanje in je postal laserski material za visoko zmogljivo LD črpanje. Yb: kristal S-FAP se lahko v prihodnosti uporablja kot laserski material za lasersko jedrsko fuzijo, kar je pritegnilo pozornost ljudi. V nastavljivih laserskih kristalih je krom iterbij holmij itrij aluminij galijev granat (Cr, Yb, Ho: YAGG) z valovno dolžino v razponu od 2,84 do 3,05 μ zvezno nastavljivo med m. Po statističnih podatkih večina infrardečih bojnih glav, ki se uporabljajo v izstrelkih po vsem svetu, uporablja 3-5 μ. Zato lahko razvoj Cr, Yb, Ho: YSGG laserjev zagotovi učinkovito interferenco za srednje infrardeče vodene protiukrepe orožja in ima pomemben vojaški pomen. Kitajska je dosegla vrsto inovativnih rezultatov z mednarodno napredno ravnjo na področju laserskih kristalov, dopiranih z iterbijem (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP itd.), pri reševanju ključnih tehnologij, kot so rast kristalov in lasersko hitro, impulzno, neprekinjen in nastavljiv izhod. Rezultati raziskav so bili uporabljeni v nacionalni obrambi, industriji in znanstvenem inženirstvu, kristalni izdelki, dopirani z iterbijem, pa so bili izvoženi v več držav in regij, kot sta Združene države in Japonska.

Druga glavna kategorija materialov z iterbijevim laserjem je lasersko steklo. Razvita so bila različna laserska stekla z visoko emisijskim prerezom, vključno z germanijevim teluritom, silicijevim niobatom, boratom in fosfatom. Zaradi enostavnega oblikovanja stekla ga je mogoče izdelati v velikih velikostih in ima značilnosti, kot sta visoka prepustnost svetlobe in visoka enakomernost, kar omogoča izdelavo visokozmogljivih laserjev. Znano lasersko steklo redkih zemelj je bilo nekoč predvsem neodimovo steklo, ki ima več kot 40-letno zgodovino razvoja ter zrelo tehnologijo proizvodnje in uporabe. Vedno je bil prednostni material za visoko zmogljive laserske naprave in se je uporabljal v eksperimentalnih napravah za jedrsko fuzijo in laserskem orožju. Visokozmogljive laserske naprave, izdelane na Kitajskem, sestavljene iz laserskega neodimovega stekla kot glavnega laserskega medija, so dosegle svetovno napredno raven. Toda lasersko neodimsko steklo se zdaj sooča z močnim izzivom laserskega iterbijevega stekla.

V zadnjih letih je veliko število raziskav pokazalo, da številne lastnosti laserskega iterbijevega stekla presegajo lastnosti neodimovega stekla. Zaradi dejstva, da ima luminiscenca, dopirana z iterbijem, samo dve energijski ravni, je učinkovitost shranjevanja energije visoka. Pri enakem dobičku ima iterbijevo steklo 16-krat večjo učinkovitost shranjevanja energije kot neodimovo steklo in 3-krat večjo življenjsko dobo fluorescence kot neodimovo steklo. Ima tudi prednosti, kot so visoka koncentracija dopinga, absorpcijska pasovna širina in ga lahko neposredno črpajo polprevodniki, zaradi česar je zelo primeren za visokozmogljive laserje. Vendar pa je praktična uporaba iterbijevega laserskega stekla pogosto odvisna od pomoči neodija, kot je uporaba Nd3+ kot senzibilizatorja, da omogoči delovanje iterbijevega laserskega stekla pri sobni temperaturi, μ lasersko sevanje pa se doseže pri valovni dolžini m. Tako sta iterbij in neodim konkurenta in partnerja na področju laserskega stekla.

S prilagajanjem sestave stekla je mogoče izboljšati številne luminiscenčne lastnosti iterbijevega laserskega stekla. Z razvojem visoko zmogljivih laserjev kot glavne usmeritve se laserji iz iterbijevega laserskega stekla vedno pogosteje uporabljajo v sodobni industriji, kmetijstvu, medicini, znanstvenih raziskavah in vojaških aplikacijah.

Vojaška uporaba: uporaba energije, ustvarjene z jedrsko fuzijo, kot energije je bila vedno pričakovan cilj, doseganje nadzorovane jedrske fuzije pa bo za človeštvo pomembno sredstvo za reševanje energetskih problemov. Lasersko steklo, dopirano z iterbijem, zaradi svoje odlične laserske učinkovitosti postaja prednostni material za doseganje nadgradenj z inercialno zaprto fuzijo (ICF) v 21. stoletju.

Lasersko orožje uporablja ogromno energije laserskega žarka za udarjanje in uničenje ciljev, pri čemer ustvarja temperature milijard stopinj Celzija in neposredno napada s svetlobno hitrostjo. Lahko jih imenujemo Nadana in imajo veliko ubojnost, še posebej primerno za sodobne oborožitvene sisteme zračne obrambe v bojevanju. Odlična zmogljivost laserskega stekla, dopiranega z iterbijem, je postalo pomemben osnovni material za proizvodnjo zmogljivega in visokozmogljivega laserskega orožja.

Fiber laser je hitro razvijajoča se nova tehnologija in prav tako spada na področje uporabe laserskega stekla. Fiber laser je laser, ki kot laserski medij uporablja vlakno, ki je produkt kombinacije optične in laserske tehnologije. Gre za novo lasersko tehnologijo, razvito na osnovi tehnologije EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Vlakneni laser je sestavljen iz polprevodniške laserske diode kot vira črpalke, optičnega valovoda in ojačevalnega medija ter optičnih komponent, kot so mrežna vlakna in sklopke. Ne zahteva mehanske nastavitve optične poti, mehanizem pa je kompakten in enostaven za integracijo. V primerjavi s tradicionalnimi polprevodniškimi laserji in polprevodniškimi laserji ima tehnološke in izvedbene prednosti, kot so visoka kakovost žarka, dobra stabilnost, močna odpornost na motnje okolja, brez prilagajanja, vzdrževanja in kompaktna struktura. Zaradi dejstva, da so dopirani ioni večinoma Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, ki vsa uporabljajo vlakna redkih zemelj kot pridobitveni medij, lahko laser z vlakni, ki ga je razvilo podjetje, tudi imenujemo laser z vlakni redkih zemelj.

Uporaba laserja: Laser z dvojno oplaščenimi vlakni visoke moči, dopiran z iterbijem, je v zadnjih letih postal vroče področje v tehnologiji polprevodniških laserjev na mednarodni ravni. Ima prednosti dobre kakovosti žarkov, kompaktne strukture in visoke učinkovitosti pretvorbe ter ima široke možnosti uporabe v industrijski predelavi in ​​na drugih področjih. Dvojno obložena vlakna, dopirana z iterbijem, so primerna za polprevodniško lasersko črpanje, z visoko učinkovitostjo sklopitve in visoko izhodno močjo laserja ter so glavna razvojna smer vlaken, dopiranih z iterbijem. Kitajska tehnologija vlaken, dopiranih z dvojno oblogo iz iterbija, ni več enaka napredni ravni tujih držav. Vlakna, dopirana z iterbijem, dvojno obložena vlakna, dopirana z iterbijem, in vlakna, dopirana z erbijem, iterbijem, so razvita na Kitajskem, so dosegla napredno raven podobnih tujih izdelkov v smislu zmogljivosti in zanesljivosti, imajo stroškovne prednosti in imajo temeljne patentirane tehnologije za več izdelkov in metod .

Svetovno znano nemško lasersko podjetje IPG je pred kratkim objavilo, da ima njihov na novo lansiran laserski sistem z vlakni, dopiranimi z iterbijem, odlične karakteristike žarka, življenjsko dobo črpalke več kot 50000 ur, valovno dolžino osrednje emisije 1070nm-1080nm in izhodno moč do 20KW. Uporabljali so ga pri finem varjenju, rezanju in vrtanju kamnin.

Laserski materiali so jedro in temelj razvoja laserske tehnologije. V laserski industriji je vedno veljal rek, da "ena generacija materialov, ena generacija naprav". Za razvoj naprednih in praktičnih laserskih naprav je treba najprej imeti visoko zmogljive laserske materiale in integrirati druge ustrezne tehnologije. Laserski kristali, dopirani z iterbijem, in lasersko steklo kot nova sila trdnih laserskih materialov spodbujajo inovativen razvoj komunikacije z optičnimi vlakni in laserske tehnologije, zlasti v najsodobnejših laserskih tehnologijah, kot so visokozmogljivi jedrski fuzijski laserji, visokoenergijski utrip laserji za ploščice in visokoenergijski laserji za orožje.

Poleg tega se iterbij uporablja tudi kot aktivator fluorescentnega prahu, radijska keramika, dodatki za komponente elektronskega računalniškega pomnilnika (magnetni mehurčki) in dodatki za optično steklo. Treba je poudariti, da sta itrij in itrij oba elementa redkih zemelj. Čeprav obstajajo velike razlike v angleških imenih in simbolih elementov, ima kitajska fonetična abeceda enake zloge. V nekaterih kitajskih prevodih se itrij včasih napačno imenuje itrij. V tem primeru moramo izslediti izvirno besedilo in združiti simbole elementov za potrditev.