Élément magique de terre rare : Ytterbium

Ytterbium: numéro atomique 70, poids atomique 173,04, nom de l'élément dérivé de son emplacement de découverte. Le contenu deytterbiumdans la croûte est de 0,000266%, principalement présent dans les gisements de phosphorite et d'or noir rare, tandis que la teneur en monazite est de 0,03%, avec 7 isotopes naturels.

Découvrir l'histoire

Découvert par : Marinak

Époque : 1878

Lieu : Suisse 

En 1878, les chimistes suisses Jean Charles et G Marignac découvrent un nouvel élément de terre rare dans l'« erbium ». En 1907, Ulban et Weils soulignaient que Marignac séparait un mélange d'oxyde de lutétium et d'oxyde d'ytterbium. En souvenir du petit village nommé Yteerby près de Stockholm, où le minerai d'yttrium a été découvert, ce nouvel élément a été nommé Ytterbium avec le symbole Yb.

Configuration électronique

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

Métal

Ytterbium métalliqueest gris argenté, ductile et a une texture douce. À température ambiante, l'ytterbium peut être lentement oxydé par l'air et l'eau.

Il existe deux structures cristallines : α- Le type est un système cristallin cubique à faces centrées (température ambiante -798 ℃) ; β- Le type est un réseau cubique centré (au-dessus de 798 ℃). Point de fusion 824 ℃, point d'ébullition 1427 ℃, densité relative 6,977 (type α), 6,54 (type β).

Insoluble dans l'eau froide, soluble dans les acides et l'ammoniaque liquide. Il est assez stable dans les airs. Semblable au samarium et à l’europium, l’ytterbium appartient aux terres rares à valence variable et peut également être dans un état divalent positif en plus d’être généralement trivalent.

En raison de cette caractéristique de valence variable, la préparation de l'ytterbium métallique ne doit pas être effectuée par électrolyse, mais par méthode de distillation par réduction pour la préparation et la purification. Généralement,métal de lanthaneest utilisé comme agent réducteur pour la distillation par réduction, en utilisant la différence entre la pression de vapeur élevée de l'ytterbium métallique et la faible pression de vapeur du lanthane métallique. Alternativement,thulium, ytterbium, etlutétiumles concentrés peuvent être utilisés comme matières premières et le lanthane métallique peut être utilisé comme agent réducteur. Dans des conditions de vide à haute température > 1 100 ℃ et < 0,133 Pa, l'ytterbium métallique peut être directement extrait par distillation par réduction. Commesamariumeteuropium,l'ytterbium peut également être séparé et purifié par réduction humide. Habituellement, les concentrés de thulium, d'ytterbium et de lutétium sont utilisés comme matières premières. Après dissolution, l'ytterbium est réduit à un état divalent, provoquant des différences significatives de propriétés, puis séparé des autres terres rares trivalentes. La production d'oxyde d'ytterbium de haute pureté est généralement réalisée par chromatographie d'extraction ou par méthode d'échange d'ions.

Application

Utilisé pour la fabrication d'alliages spéciaux.Alliages d'ytterbiumont été appliqués en médecine dentaire pour des expériences métallurgiques et chimiques.

Ces dernières années, l’ytterbium a émergé et s’est rapidement développé dans les domaines de la communication par fibre optique et de la technologie laser.

Avec la construction et le développement de « l'autoroute de l'information », les réseaux informatiques et les systèmes de transmission à fibre optique longue distance ont des exigences de plus en plus élevées en matière de performances des matériaux à fibre optique utilisés dans la communication optique. Les ions ytterbium, en raison de leurs excellentes propriétés spectrales, peuvent être utilisés comme matériaux d'amplification de fibres pour les communications optiques, tout commeerbiumetthulium. Bien que l'erbium, élément de terre rare, soit toujours le principal acteur dans la préparation des amplificateurs à fibre, les fibres de quartz traditionnelles dopées à l'erbium ont une faible bande passante de gain (30 nm), ce qui rend difficile de répondre aux exigences de transmission d'informations à grande vitesse et à haute capacité. Les ions Yb3+ ont une section efficace d’absorption beaucoup plus grande que les ions Er3+ autour de 980 nm. Grâce à l'effet de sensibilisation de Yb3+ et au transfert d'énergie de l'erbium et de l'ytterbium, la lumière à 1 530 nm peut être considérablement améliorée, améliorant ainsi considérablement l'efficacité d'amplification de la lumière.

Ces dernières années, le verre au phosphate co-dopé à l'erbium et à l'ytterbium a été de plus en plus favorisé par les chercheurs. Les verres au phosphate et au fluorophosphate ont une bonne stabilité chimique et thermique, ainsi qu'une large transmission infrarouge et de grandes caractéristiques d'élargissement non uniformes, ce qui en fait des matériaux idéaux pour la fibre de verre d'amplification à large bande et à gain élevé dopée à l'erbium. Les amplificateurs à fibre dopée Yb3+ peuvent réaliser une amplification de puissance et une amplification de petits signaux, ce qui les rend adaptés à des domaines tels que les capteurs à fibre optique, la communication laser en espace libre et l'amplification d'impulsions ultra courtes. La Chine a actuellement construit la plus grande capacité de canal unique au monde et le système de transmission optique le plus rapide au monde, et possède l'autoroute de l'information la plus large au monde. Les amplificateurs à fibres et les matériaux laser dopés à l'ytterbium et à d'autres terres rares y jouent un rôle crucial et significatif.

Les caractéristiques spectrales de l'ytterbium sont également utilisées comme matériaux laser de haute qualité, à la fois sous forme de cristaux laser, de verres laser et de lasers à fibre. En tant que matériau laser de haute puissance, les cristaux laser dopés à l'ytterbium ont formé une vaste série, y compris ceux dopés à l'ytterbium.yttrium et aluminiumgrenat (Yb : YAG), dopé à l'ytterbiumgadoliniumgrenat de gallium (Yb : GGG), fluorophosphate de calcium dopé à l'ytterbium (Yb : FAP), fluorophosphate de strontium dopé à l'ytterbium (Yb : S-FAP), vanadate d'yttrium dopé à l'ytterbium (Yb : YV04), borate dopé à l'ytterbium et silicate. Le laser à semi-conducteur (LD) est un nouveau type de source de pompe pour les lasers à semi-conducteurs. Yb : YAG possède de nombreuses caractéristiques adaptées au pompage LD haute puissance et est devenu un matériau laser pour le pompage LD haute puissance. Yb : Le cristal S-FAP pourrait être utilisé à l'avenir comme matériau laser pour la fusion nucléaire laser, ce qui a attiré l'attention des gens. Dans les cristaux laser accordables, il y a du grenat de chrome ytterbium holmium yttrium aluminium gallium (Cr, Yb, Ho : YAGG) avec des longueurs d'onde allant de 2,84 à 3,05 μ réglables en continu entre m. Selon les statistiques, la plupart des ogives infrarouges utilisées dans les missiles dans le monde utilisent 3 à 5 μ. Par conséquent, le développement des lasers Cr, Yb, Ho : YSGG peut fournir une interférence efficace pour les contre-mesures des armes guidées dans le moyen infrarouge et a une importance militaire importante. La Chine a obtenu une série de résultats innovants avec un niveau avancé international dans le domaine des cristaux laser dopés à l'ytterbium (Yb : YAG, Yb : FAP, Yb : SFAP, etc.), en résolvant des technologies clés telles que la croissance cristalline et le laser rapide, pulsé, sortie continue et réglable. Les résultats de la recherche ont été appliqués à la défense nationale, à l’industrie et à l’ingénierie scientifique, et des produits cristallins dopés à l’ytterbium ont été exportés vers plusieurs pays et régions tels que les États-Unis et le Japon.

Une autre catégorie majeure de matériaux laser à l’ytterbium est le verre laser. Divers verres laser à section transversale à haute émission ont été développés, notamment le tellurite de germanium, le niobate de silicium, le borate et le phosphate. En raison de la facilité de moulage du verre, il peut être fabriqué en grandes tailles et présente des caractéristiques telles qu'une transmission lumineuse élevée et une uniformité élevée, permettant de produire des lasers de haute puissance. Le verre laser aux terres rares bien connu était autrefois principalementnéodymeverre, qui a une histoire de développement de plus de 40 ans et une technologie de production et d'application mature. Il a toujours été le matériau préféré pour les dispositifs laser de haute puissance et a été utilisé dans les dispositifs expérimentaux de fusion nucléaire et les armes laser. Les appareils laser haute puissance fabriqués en Chine, composés de lasernéodymeLe verre comme principal support laser a atteint le niveau avancé mondial. Mais le verre laser en néodyme est désormais confronté à un défi de taille posé par le verre laser à l'ytterbium.

Ces dernières années, un grand nombre d’études ont montré que de nombreuses propriétés du verre laser à l’ytterbium dépassent celles dunéodymeverre. Étant donné que la luminescence dopée à l’ytterbium n’a que deux niveaux d’énergie, l’efficacité du stockage d’énergie est élevée. Avec le même gain, le verre à l'ytterbium a une efficacité de stockage d'énergie 16 fois supérieure à celle du verre au néodyme et une durée de vie de fluorescence 3 fois supérieure à celle du verre au néodyme. Il présente également des avantages tels qu'une concentration de dopage élevée, une bande passante d'absorption et peut être directement pompé par des semi-conducteurs, ce qui le rend très approprié pour les lasers de haute puissance. Cependant, l'application pratique du verre laser à l'ytterbium repose souvent sur l'aide du néodyme, par exemple en utilisant Nd3+ comme sensibilisateur pour faire fonctionner le verre laser à l'ytterbium à température ambiante et l'émission laser μ est obtenue à une longueur d'onde m. Ainsi, l’ytterbium et le néodyme sont à la fois concurrents et partenaires collaboratifs dans le domaine du verre laser.

En ajustant la composition du verre, de nombreuses propriétés luminescentes du verre laser à l'ytterbium peuvent être améliorées. Avec le développement de lasers de haute puissance comme direction principale, les lasers en verre laser à l'ytterbium sont de plus en plus largement utilisés dans l'industrie moderne, l'agriculture, la médecine, la recherche scientifique et les applications militaires.

Utilisation militaire : Utiliser l’énergie générée par la fusion nucléaire comme énergie a toujours été un objectif attendu, et parvenir à une fusion nucléaire contrôlée sera un moyen important pour l’humanité de résoudre les problèmes énergétiques. Le verre laser dopé à l'ytterbium est en train de devenir le matériau privilégié pour réaliser des améliorations de la fusion par confinement inertiel (ICF) au 21e siècle en raison de ses excellentes performances laser.

Les armes laser utilisent l'énorme énergie d'un faisceau laser pour frapper et détruire des cibles, générant des températures de plusieurs milliards de degrés Celsius et attaquant directement à la vitesse de la lumière. Ils peuvent être appelés Nadana et ont une grande létalité, particulièrement adaptés aux systèmes d'armes de défense aérienne modernes en temps de guerre. Les excellentes performances du verre laser dopé à l’ytterbium en ont fait un matériau de base important pour la fabrication d’armes laser de haute puissance et hautes performances.

Le laser à fibre est une nouvelle technologie en développement rapide et appartient également au domaine des applications laser en verre. Le laser à fibre est un laser qui utilise la fibre comme support laser, qui est un produit de la combinaison de la technologie fibre et laser. Il s'agit d'une nouvelle technologie laser développée sur la base de la technologie d'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA). Un laser à fibre est composé d'une diode laser à semi-conducteur comme source de pompe, d'un guide d'onde à fibre optique et d'un milieu de gain, ainsi que de composants optiques tels que des fibres à réseau et des coupleurs. Il ne nécessite pas de réglage mécanique du chemin optique et le mécanisme est compact et facile à intégrer. Comparé aux lasers à semi-conducteurs et aux lasers à semi-conducteurs traditionnels, il présente des avantages technologiques et de performances tels qu'une qualité de faisceau élevée, une bonne stabilité, une forte résistance aux interférences environnementales, aucun réglage, aucun entretien et une structure compacte. Du fait que les ions dopés sont principalement Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, qui utilisent tous des fibres de terres rares comme milieu de gain, le laser à fibre développé par la société peut également être appelé un laser à fibre de terres rares.

Application du laser : Le laser à fibre double gaine dopé à l'ytterbium de haute puissance est devenu un domaine brûlant dans la technologie des lasers à semi-conducteurs au niveau international ces dernières années. Il présente les avantages d'une bonne qualité de faisceau, d'une structure compacte et d'une efficacité de conversion élevée, et offre de larges perspectives d'application dans le traitement industriel et dans d'autres domaines. Les fibres dopées à l'ytterbium à double gaine conviennent au pompage laser à semi-conducteurs, avec une efficacité de couplage élevée et une puissance de sortie laser élevée, et constituent la principale direction de développement des fibres dopées à l'ytterbium. La technologie chinoise des fibres dopées à l'ytterbium à double gaine n'est plus à la hauteur du niveau avancé des pays étrangers. La fibre dopée à l'ytterbium, la fibre dopée à l'ytterbium à double gaine et la fibre dopée à l'ytterbium à l'erbium développées en Chine ont atteint le niveau avancé de produits étrangers similaires en termes de performances et de fiabilité, présentent des avantages en termes de coûts et disposent de technologies de base brevetées pour plusieurs produits et méthodes. .

La société allemande de renommée mondiale IPG laser a récemment annoncé que son nouveau système laser à fibre dopée à l'ytterbium présente d'excellentes caractéristiques de faisceau, une durée de vie de pompe de plus de 50 000 heures, une longueur d'onde d'émission centrale de 1 070 nm à 1 080 nm et une puissance de sortie allant jusqu'à 20 kW. Il a été appliqué dans le soudage fin, le découpage et le forage de roches.

Les matériaux laser constituent le cœur et la base du développement de la technologie laser. Il y a toujours eu un dicton dans l'industrie du laser selon lequel « une génération de matériaux, une génération d'appareils ». Pour développer des dispositifs laser avancés et pratiques, il est nécessaire de posséder d’abord des matériaux laser hautes performances et d’intégrer d’autres technologies pertinentes. Les cristaux laser et le verre laser dopés à l'ytterbium, en tant que nouvelle force des matériaux laser solides, favorisent le développement innovant de la communication par fibre optique et de la technologie laser, en particulier dans les technologies laser de pointe telles que les lasers à fusion nucléaire de haute puissance, les battements à haute énergie lasers à tuiles et lasers d'armes à haute énergie.

En outre, l'ytterbium est également utilisé comme activateur de poudre fluorescente, comme radiocéramique, comme additif pour les composants électroniques de mémoire informatique (bulles magnétiques) et comme additif pour verre optique. Il convient de souligner que l’yttrium et l’yttrium sont tous deux des éléments des terres rares. Bien qu’il existe des différences significatives dans les noms anglais et les symboles des éléments, l’alphabet phonétique chinois comporte les mêmes syllabes. Dans certaines traductions chinoises, l’yttrium est parfois appelé à tort yttrium. Dans ce cas, nous devons retracer le texte original et combiner les symboles des éléments pour confirmer.