Magisches Seltenerdelement: Ytterbium

Ytterbium: Ordnungszahl 70, Atomgewicht 173,04, Elementname abgeleitet vom Fundort. Der Ytterbiumgehalt in der Erdkruste beträgt 0,000266 %, hauptsächlich in Phosphorit- und Schwarzgoldvorkommen. Der Gehalt in Monazit beträgt 0,03 %, und es gibt sieben natürliche Isotope.

Entdeckt

Von: Marinak

Zeit: 1878

Standort: Schweiz

1878 entdeckten die Schweizer Chemiker Jean Charles und G. Marignac mit Erbium ein neues Seltenerdelement. 1907 wiesen Ulban und Weils darauf hin, dass Marignac eine Mischung aus Lutetiumoxid und Ytterbiumoxid isoliert hatte. In Erinnerung an das kleine Dorf Yteerby bei Stockholm, in dem Yttriumerz entdeckt wurde, erhielt dieses neue Element den Namen Ytterbium mit dem Symbol Yb.

Elektronenkonfiguration

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

Metall

Metallisches Ytterbium ist silbergrau, dehnbar und hat eine weiche Textur. Bei Raumtemperatur kann Ytterbium durch Luft und Wasser langsam oxidiert werden.

Es gibt zwei Kristallstrukturen: Der α-Typ ist ein kubisch-flächenzentriertes Kristallsystem (Raumtemperatur -798 °C); der β-Typ ist ein kubisch-raumzentriertes Gitter (über 798 °C). Schmelzpunkt 824 °C, Siedepunkt 1427 °C, relative Dichte 6,977 (α-Typ), 6,54 (β-Typ).

Unlöslich in kaltem Wasser, löslich in Säuren und flüssigem Ammoniak. In der Luft ist es relativ stabil. Ähnlich wie Samarium und Europium gehört Ytterbium zu den Seltenen Erden mit variabler Wertigkeit und kann neben der üblicherweise dreiwertigen auch eine positive zweiwertige Form aufweisen.

Aufgrund dieser variablen Valenzeigenschaften sollte die Herstellung von metallischem Ytterbium nicht durch Elektrolyse, sondern durch Reduktionsdestillation erfolgen. Üblicherweise wird Lanthanmetall als Reduktionsmittel für die Reduktionsdestillation verwendet, wobei der Unterschied zwischen dem hohen Dampfdruck von Ytterbiummetall und dem niedrigen Dampfdruck von Lanthanmetall ausgenutzt wird. Alternativ:Thulium, Ytterbium, UndLutetiumKonzentrate können als Rohstoffe verwendet werden, undMetall Lanthankann als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Unter Hochtemperaturvakuumbedingungen von >1100 °C und <0,133 Pa kann metallisches Ytterbium direkt durch Reduktionsdestillation extrahiert werden. Wie Samarium und Europium kann auch Ytterbium durch Nassreduktion abgetrennt und gereinigt werden. Üblicherweise werden Thulium-, Ytterbium- und Lutetiumkonzentrate als Rohstoffe verwendet. Nach der Auflösung wird Ytterbium zu einem zweiwertigen Zustand reduziert, was zu erheblichen Eigenschaftsunterschieden führt, und anschließend von anderen dreiwertigen Seltenen Erden getrennt. Die Herstellung von hochreinemYtterbiumoxidwird üblicherweise durch Extraktionschromatographie oder Ionenaustauschverfahren durchgeführt.

Anwendung

Wird zur Herstellung spezieller Legierungen verwendet. Ytterbiumlegierungen werden in der Zahnmedizin für metallurgische und chemische Experimente eingesetzt.

In den letzten Jahren ist Ytterbium in den Bereichen Glasfaserkommunikation und Lasertechnologie aufgetaucht und hat sich dort rasant weiterentwickelt.

Mit dem Aufbau und der Entwicklung der „Informationsautobahn“, Computernetzwerken und Glasfaser-Fernübertragungssystemen steigen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der in der optischen Kommunikation eingesetzten Glasfasermaterialien. Ytterbiumionen können aufgrund ihrer hervorragenden spektralen Eigenschaften ebenso wie Erbium und Thulium als Glasfaserverstärkungsmaterial für die optische Kommunikation verwendet werden. Obwohl das Seltenerdelement Erbium nach wie vor der Hauptbestandteil von Glasfaserverstärkern ist, weisen herkömmliche Erbium-dotierte Quarzfasern eine geringe Verstärkungsbandbreite (30 nm) auf, wodurch sie die Anforderungen an eine schnelle und leistungsstarke Informationsübertragung nur schwer erfüllen können. Yb3+-Ionen haben bei etwa 980 nm einen deutlich größeren Absorptionsquerschnitt als Er3+-Ionen. Durch die Sensibilisierungswirkung von Yb3+ und den Energietransfer von Erbium und Ytterbium kann das 1530-nm-Licht deutlich verstärkt und damit die Verstärkungseffizienz des Lichts deutlich verbessert werden.

In den letzten Jahren hat Erbium-Ytterbium-dotiertes Phosphatglas zunehmend an Bedeutung gewonnen. Phosphat- und Fluorphosphatgläser zeichnen sich durch eine gute chemische und thermische Stabilität sowie eine breite Infrarotdurchlässigkeit und eine große ungleichmäßige Verbreiterung aus. Dies macht sie zu idealen Materialien für breitbandige und hochverstärkende Erbium-dotierte Glasfasern. Yb3+-dotierte Faserverstärker ermöglichen Leistungs- und Kleinsignalverstärkung und eignen sich daher für Bereiche wie Glasfasersensoren, Freiraum-Laserkommunikation und Ultrakurzpulsverstärkung. China verfügt derzeit über das weltweit größte optische Übertragungssystem mit der höchsten Einzelkanalkapazität und -geschwindigkeit sowie über die breiteste Datenautobahn der Welt. Ytterbium-dotierte und andere seltene Erden-dotierte Faserverstärker und Lasermaterialien spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Die spektralen Eigenschaften von Ytterbium werden auch als hochwertiges Lasermaterial genutzt, sowohl als Laserkristalle, Lasergläser als auch als Faserlaser. Als Hochleistungslasermaterial haben sich Ytterbium-dotierte Laserkristalle in einer großen Produktreihe etabliert, darunter Ytterbium-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Yb:YAG), Ytterbium-dotiertes Gadolinium-Gallium-Granat (Yb:GGG), Ytterbium-dotiertes Calcium-Fluorphosphat (Yb:FAP), Ytterbium-dotiertes Strontium-Fluorphosphat (Yb:S-FAP), Ytterbium-dotiertes Yttrium-Vanadat (Yb:YV04), Ytterbium-dotiertes Borat und Silikat. Halbleiterlaser (LD) sind eine neue Art von Pumpquelle für Festkörperlaser. Yb:YAG verfügt über viele Eigenschaften, die für das Pumpen von Hochleistungs-LD geeignet sind, und hat sich als Lasermaterial für das Pumpen von Hochleistungs-LD etabliert. Yb:S-FAP-Kristalle haben großes Interesse geweckt und könnten künftig als Lasermaterial für die Laserkernfusion verwendet werden. Abstimmbare Laserkristalle bestehen aus Chrom-Ytterbium-Holmium-Yttrium-Aluminium-Gallium-Granat (Cr, Yb, Ho:YAGG) mit Wellenlängen von 2,84 bis 3,05 µm. Diese sind stufenlos einstellbar. Laut Statistik verwenden die meisten Infrarotsprengköpfe, die weltweit in Raketen eingesetzt werden, Laser mit Wellenlängen von 3 bis 5 µm. Die Entwicklung von Cr, Yb, Ho:YSGG-Lasern kann daher die Abwehr von Lenkwaffen im mittleren Infrarotbereich wirksam stören und ist von großer militärischer Bedeutung. China hat auf dem Gebiet der mit Ytterbium dotierten Laserkristalle (Yb:YAG, Yb:FAP, Yb:SFAP usw.) eine Reihe von Innovationen auf international hohem Niveau erzielt und Schlüsseltechnologien wie Kristallwachstum und schnelle, gepulste, kontinuierliche und einstellbare Laserleistung gelöst. Die Forschungsergebnisse wurden in der Landesverteidigung, der Industrie und der wissenschaftlichen Technik angewendet und mit Ytterbium dotierte Kristallprodukte wurden in zahlreiche Länder und Regionen wie die Vereinigten Staaten und Japan exportiert.

Eine weitere wichtige Kategorie von Ytterbium-Lasermaterialien ist Laserglas. Es wurden verschiedene Lasergläser mit hohem Emissionsquerschnitt entwickelt, darunter Germaniumtellurit, Siliziumniobat, Borat und Phosphat. Dank der einfachen Glasformung kann es in großen Größen hergestellt werden und verfügt über Eigenschaften wie hohe Lichtdurchlässigkeit und hohe Gleichmäßigkeit, wodurch die Herstellung von Hochleistungslasern ermöglicht wird. Das bekannte Seltenerd-Laserglas bestand früher hauptsächlich aus Neodymglas, das auf eine über 40-jährige Entwicklungsgeschichte sowie ausgereifte Produktions- und Anwendungstechnologie zurückblickt. Es war schon immer das bevorzugte Material für Hochleistungslasergeräte und wurde in experimentellen Geräten zur Kernfusion und in Laserwaffen eingesetzt. Die in China hergestellten Hochleistungslasergeräte, die hauptsächlich aus Laser-Neodymglas bestehen, haben weltweit ein Spitzenniveau erreicht. Laser-Neodymglas steht jedoch nun vor einer starken Konkurrenz durch Laser-Ytterbiumglas.

In den letzten Jahren haben zahlreiche Studien gezeigt, dass Ytterbiumglas für Laser viele Eigenschaften aufweist, die denen von Neodymglas überlegen sind. Da die mit Ytterbium dotierte Lumineszenz nur zwei Energieniveaus aufweist, ist die Energiespeichereffizienz hoch. Bei gleichem Verstärkungsgewinn hat Ytterbiumglas eine 16-mal höhere Energiespeichereffizienz als Neodymglas und eine dreimal so hohe Fluoreszenzlebensdauer wie Neodymglas. Es bietet außerdem Vorteile wie eine hohe Dotierungskonzentration und Absorptionsbandbreite und kann direkt von Halbleitern gepumpt werden, wodurch es sich sehr gut für Hochleistungslaser eignet. Die praktische Anwendung von Ytterbiumlaserglas ist jedoch häufig auf die Unterstützung von Neodym angewiesen, beispielsweise bei der Verwendung von Nd3+ als Sensibilisator, damit Ytterbiumlaserglas bei Raumtemperatur funktioniert und eine μ-Laseremission bei m-Wellenlänge erreicht wird. Ytterbium und Neodym sind auf dem Gebiet der Lasergläser also sowohl Konkurrenten als auch Kooperationspartner.

Durch Anpassung der Glaszusammensetzung können viele Leuchteigenschaften von Ytterbium-Laserglas verbessert werden. Mit der Entwicklung von Hochleistungslasern als Hauptrichtung finden Laser aus Ytterbium-Laserglas zunehmend Anwendung in der modernen Industrie, Landwirtschaft, Medizin, wissenschaftlichen Forschung und im Militär.

Militärische Nutzung: Die Nutzung der durch Kernfusion erzeugten Energie war schon immer ein erhofftes Ziel, und die kontrollierte Kernfusion wird für die Menschheit ein wichtiges Mittel zur Lösung ihrer Energieprobleme sein. Ytterbiumdotiertes Laserglas wird aufgrund seiner hervorragenden Laserleistung im 21. Jahrhundert zum bevorzugten Material für die Weiterentwicklung der Trägheitsfusion (ICF).

Laserwaffen nutzen die enorme Energie eines Laserstrahls, um Ziele zu treffen und zu zerstören. Dabei erzeugen sie Temperaturen von Milliarden Grad Celsius und greifen mit Lichtgeschwindigkeit direkt an. Sie werden als Nadana bezeichnet und haben eine hohe Tödlichkeit, die sich besonders für moderne Luftabwehrwaffensysteme in der Kriegsführung eignet. Die hervorragende Leistung von Ytterbium-dotiertem Laserglas hat es zu einem wichtigen Grundmaterial für die Herstellung von Hochleistungs-Laserwaffen gemacht.

Faserlaser sind eine sich rasant entwickelnde neue Technologie und gehören ebenfalls zum Anwendungsbereich der Laserglaslaser. Faserlaser nutzen Fasern als Lasermedium und sind ein Produkt der Kombination von Faser- und Lasertechnologie. Diese neue Lasertechnologie basiert auf der Erbium-dotierten Faserverstärker-Technologie (EDFA). Ein Faserlaser besteht aus einer Halbleiterlaserdiode als Pumpquelle, einem faseroptischen Wellenleiter und einem Verstärkungsmedium sowie optischen Komponenten wie Gitterfasern und Kopplern. Er benötigt keine mechanische Justierung des optischen Pfades, und der Mechanismus ist kompakt und leicht zu integrieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Festkörper- und Halbleiterlasern bietet er technologische und leistungsbezogene Vorteile wie hohe Strahlqualität, gute Stabilität, hohe Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse, keine Justierung, kein Wartungsaufwand und eine kompakte Bauweise. Da die dotierten Ionen hauptsächlich aus Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3 und Ho+3 bestehen und Seltenerdfasern als Verstärkungsmedium verwendet werden, kann der von uns entwickelte Faserlaser auch als Seltenerd-Faserlaser bezeichnet werden.

Laseranwendung: Hochleistungs-Ytterbium-dotierte Doppelmantel-Faserlaser haben sich in den letzten Jahren international zu einem wichtigen Gebiet in der Festkörperlasertechnologie entwickelt. Sie bieten die Vorteile einer guten Strahlqualität, einer kompakten Struktur und eines hohen Umwandlungswirkungsgrads und verfügen über breite Anwendungsaussichten in der industriellen Verarbeitung und anderen Bereichen. Doppelt ummantelte Ytterbium-dotierte Fasern eignen sich zum Pumpen von Halbleiterlasern, weisen einen hohen Kopplungswirkungsgrad und eine hohe Laserausgangsleistung auf und stellen die wichtigste Entwicklungsrichtung für Ytterbium-dotierte Fasern dar. Chinas Technologie für doppelummantelte Ytterbium-dotierte Fasern kann nicht mehr mit dem fortschrittlichen Niveau anderer Länder mithalten. Die in China entwickelten Ytterbium-dotierten Fasern, doppelummantelten Ytterbium-dotierten Fasern und Erbium-Ytterbium-co-dotierten Fasern haben in puncto Leistung und Zuverlässigkeit das fortschrittliche Niveau ähnlicher ausländischer Produkte erreicht, sind kostengünstig und verfügen über patentierte Kerntechnologien für mehrere Produkte und Verfahren.

Das weltbekannte deutsche Laserunternehmen IPG gab kürzlich bekannt, dass sein neu eingeführtes Ytterbium-dotiertes Faserlasersystem über hervorragende Strahleigenschaften, eine Pumpenlebensdauer von über 50.000 Stunden, eine zentrale Emissionswellenlänge von 1070 nm bis 1080 nm und eine Ausgangsleistung von bis zu 20 kW verfügt. Es wird beim Feinschweißen, Schneiden und Gesteinsbohren eingesetzt.

Lasermaterialien bilden den Kern und die Grundlage für die Entwicklung der Lasertechnologie. In der Laserindustrie gilt seit jeher das Sprichwort „Eine Generation von Materialien, eine Generation von Geräten“. Für die Entwicklung fortschrittlicher und praxistauglicher Lasergeräte sind zunächst leistungsstarke Lasermaterialien und die Integration weiterer relevanter Technologien erforderlich. Ytterbiumdotierte Laserkristalle und Laserglas als neue Kraft unter den festen Lasermaterialien fördern die innovative Entwicklung der Glasfaserkommunikation und Lasertechnologie, insbesondere bei Spitzenlasertechnologien wie Hochleistungs-Kernfusionslasern, Hochenergie-Beamtile-Lasern und Hochenergie-Waffenlasern.

Darüber hinaus wird Ytterbium auch als fluoreszierender Pulveraktivator, in Radiokeramiken, als Additive für elektronische Computerspeicherkomponenten (Magnetblasen) und als Additive für optisches Glas verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass Yttrium und Yttrium beides Seltenerdelemente sind. Obwohl es erhebliche Unterschiede zwischen englischen Namen und Elementsymbolen gibt, weist das chinesische phonetische Alphabet dieselben Silben auf. In manchen chinesischen Übersetzungen wird Yttrium fälschlicherweise als Yttrium bezeichnet. In diesem Fall müssen wir den Originaltext nachverfolgen und die Elementsymbole zur Bestätigung kombinieren.