Dankie dat jy nature.com besoek het. Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte ondersteuning vir CSS. Om die beste ervaring te verkry, beveel ons aan dat jy 'n meer opgedateerde blaaier gebruik (of skakel versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer af). In die tussentyd, om volgehoue ondersteuning te verseker, vertoon ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Ons rapporteer merkwaardige fotovoltaïese effek in YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramiek tussen 50 en 300 K geïnduseer deur blou-laser beligting, wat direk verband hou met die supergeleiding van YBCO en die YBCO-metaal elektrode koppelvlak. Daar is 'n polariteitsomkering vir die oopbaanspanning Voc en kortsluitstroom Isc wanneer YBCO 'n oorgang van supergeleidende na weerstandstoestand ondergaan. Ons wys dat daar 'n elektriese potensiaal oor die supergeleier-normale metaal-koppelvlak bestaan, wat die skeidingskrag vir die foto-geïnduseerde elektron-gat-pare verskaf. Hierdie koppelvlakpotensiaal lei vanaf YBCO na die metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en skakel oor na die teenoorgestelde rigting wanneer YBCO nie-suprageleidend word. Die oorsprong van die potensiaal kan geredelik geassosieer word met die nabyheidseffek by metaal-suprageleier-koppelvlak wanneer YBCO supergeleier is en die waarde daarvan word geskat op ~10–8 mV by 50 K met 'n laserintensiteit van 502 mW/cm2. Kombinasie van 'n p-tipe materiaal YBCO in normale toestand met 'n n-tipe materiaal Ag-pasta vorm 'n kwasi-pn aansluiting wat verantwoordelik is vir die fotovoltaïese gedrag van YBCO keramiek by hoë temperature. Ons bevindinge kan die weg baan na nuwe toepassings van foton-elektroniese toestelle en werp verdere lig op die nabyheidseffek by die supergeleier-metaal-koppelvlak.
Foto-geïnduseerde spanning in hoë temperatuur supergeleiers is in die vroeë 1990's aangemeld en sedertdien omvattend ondersoek, maar die aard en meganisme daarvan bly onseker1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) dun films6,7,8, in die besonder, word intensief bestudeer in die vorm van fotovoltaïese (PV) sel as gevolg van sy verstelbare energie gaping9,10,11,12,13. Hoë weerstand van die substraat lei egter altyd tot 'n lae omskakelingsdoeltreffendheid van die toestel en masker die primêre PV-eienskappe van YBCO8. Hier rapporteer ons merkwaardige fotovoltaïese effek geïnduseer deur blou-laser (λ = 450 nm) beligting in YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramiek tussen 50 en 300 K (Tc ~ 90 K). Ons wys dat die PV-effek direk verband hou met die supergeleiding van YBCO en die aard van die YBCO-metaalelektrode-koppelvlak. Daar is 'n polariteitsomkering vir die oopbaanspanning Voc en kortsluitstroom Isc wanneer YBCO 'n oorgang van supergeleidende fase na 'n weerstandstoestand ondergaan. Daar word voorgestel dat daar 'n elektriese potensiaal oor die supergeleier-normale metaal-koppelvlak bestaan, wat die skeidingskrag verskaf vir die foto-geïnduseerde elektron-gat pare. Hierdie koppelvlakpotensiaal lei vanaf YBCO na die metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en skakel oor na die teenoorgestelde rigting wanneer die monster nie-suprageleidend word. Die oorsprong van die potensiaal kan natuurlik geassosieer word met die nabyheidseffek14,15,16,17 by metaal-suprageleier-koppelvlak wanneer YBCO supergeleier is en die waarde daarvan word geskat op ~10−8 mV by 50 K met 'n laserintensiteit van 502 mW /cm2. Kombinasie van 'n p-tipe materiaal YBCO in normale toestand met 'n n-tipe materiaal Ag-pasta vorm, heel waarskynlik, 'n kwasi-pn aansluiting wat verantwoordelik is vir die PV gedrag van YBCO keramiek by hoë temperature. Ons waarnemings werp verdere lig op die oorsprong van PV-effek in hoë-temperatuur supergeleidende YBCO-keramiek en baan die weg vir die toepassing daarvan in opto-elektroniese toestelle soos vinnige passiewe ligdetektor ens.
Figuur 1a–c toon dat die IV-eienskappe van YBCO keramiekmonster by 50 K. Sonder ligbeligting bly die spanning oor die monster op nul met veranderende stroom, soos verwag kan word van 'n supergeleidende materiaal. Voor die hand liggend fotovoltaïese effek verskyn wanneer laserstraal op katode gerig word (Fig. 1a): die IV-kurwes parallel aan die I-as beweeg afwaarts met toenemende laserintensiteit. Dit is duidelik dat daar 'n negatiewe foto-geïnduseerde spanning is, selfs sonder enige stroom (dikwels oopkringspanning Voc genoem). Die nulhelling van die IV-kromme dui aan dat die monster steeds supergeleidend is onder laserbeligting.
(a–c) en 300 K (e–g). Waardes van V(I) is verkry deur die stroom van -10 mA na +10 mA in vakuum te vee. Slegs 'n deel van die eksperimentele data word ter wille van duidelikheid aangebied. a, Stroomspanningseienskappe van YBCO gemeet met laserkol wat by die katode (i) geposisioneer is. Al die IV-kurwes is horisontale reguit lyne wat aandui dat die monster steeds supergeleidend is met laserbestraling. Die kromme beweeg af met toenemende laserintensiteit, wat aandui dat daar 'n negatiewe potensiaal (Voc) tussen die twee spanningsleidings bestaan, selfs met nulstroom. Die IV-krommes bly onveranderd wanneer die laser na die middel van die monster gerig word teen eter 50 K (b) of 300 K (f). Die horisontale lyn beweeg op soos die anode verlig word (c). 'n Skematiese model van metaal-suprageleier-aansluiting by 50 K word in d getoon. Stroomspanningskenmerke van normale toestand YBCO by 300 K gemeet met laserstraal wat na katode en anode gerig is, word onderskeidelik in e en g gegee. In teenstelling met die resultate by 50 K, dui nie-nul helling van die reguit lyne aan dat YBCO in normale toestand is; die waardes van Voc wissel met ligintensiteit in 'n teenoorgestelde rigting, wat 'n ander ladingskeidingsmeganisme aandui. 'n Moontlike koppelvlakstruktuur by 300 K word uitgebeeld in hj Die werklike prentjie van die monster met leidrade.
Suurstofryke YBCO in supergeleidende toestand kan byna volle spektrum sonlig absorbeer as gevolg van sy baie klein energiegaping (Bv.)9,10, waardeur elektron-gatpare (e–h) geskep word. Om 'n oopkringspanning Voc te produseer deur absorpsie van fotone, is dit nodig om foto-gegenereerde eh-pare ruimtelik te skei voordat rekombinasie plaasvind18. Die negatiewe Voc, relatief tot die katode en anode soos aangedui in Fig. 1i, dui daarop dat daar 'n elektriese potensiaal oor die metaal-suprageleier-koppelvlak bestaan, wat die elektrone na die anode en gate na die katode vee. Indien dit die geval is, behoort daar ook 'n potensiaal te wees wat vanaf supergeleier na die metaalelektrode by anode wys. Gevolglik sal 'n positiewe Voc verkry word indien die monster area naby die anode verlig word. Verder moet daar geen foto-geïnduseerde spannings wees wanneer die laserkol na areas ver van die elektrodes af gewys word nie. Dit is seker die geval soos gesien kan word uit Fig. 1b,c!.
Wanneer die ligkol vanaf die katode-elektrode na die middel van die monster beweeg (ongeveer 1,25 mm van die koppelvlakke af), kan geen variasie van IV-kurwes en geen Voc waargeneem word met toenemende laserintensiteit tot die maksimum waarde wat beskikbaar is nie (Fig. 1b). . Natuurlik kan hierdie resultaat toegeskryf word aan die beperkte leeftyd van foto-geïnduseerde draers en die gebrek aan skeidingskrag in die monster. Elektron-gat pare kan geskep word wanneer die monster verlig word, maar die meeste van die e–h pare sal vernietig word en geen fotovoltaïese effek word waargeneem as die laserkol op gebiede ver weg van enige van die elektrodes val nie. Deur die laserkol na die anode-elektrodes te skuif, beweeg die IV-kurwes parallel aan die I-as opwaarts met toenemende laserintensiteit (Fig. 1c). Soortgelyke ingeboude elektriese veld bestaan in die metaal-suprageleier-aansluiting by die anode. Die metaalelektrode verbind egter hierdie keer aan die positiewe leiding van die toetsstelsel. Die gate wat deur die laser geproduseer word, word na die anodelood gedruk en dus word 'n positiewe Voc waargeneem. Die resultate wat hier aangebied word, verskaf sterk bewyse dat daar wel 'n koppelvlakpotensiaal bestaan wat vanaf die supergeleier na die metaalelektrode wys.
Fotovoltaïese effek in YBa2Cu3O6.96 keramiek by 300 K word in Fig. 1e–g getoon. Sonder ligbeligting is die IV-kromme van die monster 'n reguit lyn wat die oorsprong kruis. Hierdie reguit lyn beweeg opwaarts parallel met die oorspronklike een met toenemende laserintensiteit wat by die katodeleidings bestraal (Fig. 1e). Daar is twee beperkende gevalle van belang vir 'n fotovoltaïese toestel. Die kortsluittoestand vind plaas wanneer V = 0. Die stroom word in hierdie geval na verwys as die kortsluitstroom (Isc). Die tweede beperkende geval is die oopkringtoestand (Voc) wat plaasvind wanneer R→∞ of die stroom nul is. Figuur 1e toon duidelik dat Voc positief is en toeneem met toenemende ligintensiteit, in teenstelling met die resultaat wat by 50 K verkry word; terwyl 'n negatiewe ISC waargeneem word om in grootte toe te neem met ligbeligting, 'n tipiese gedrag van normale sonselle.
Net so, wanneer die laserstraal na gebiede ver weg van die elektrodes gewys word, is die V(I)-kromme onafhanklik van die laserintensiteit en is daar geen fotovoltaïese effek nie (Fig. 1f). Soortgelyk aan die meting by 50 K, beweeg die IV-kurwes na die teenoorgestelde rigting soos die anode-elektrode bestraal word (Fig. 1g). Al hierdie resultate verkry vir hierdie YBCO-Ag-pastastelsel by 300 K met laser wat op verskillende posisies van die monster bestraal is, stem ooreen met 'n koppelvlakpotensiaal teenoor die wat by 50 K waargeneem is.
Die meeste elektrone kondenseer in Cooper-pare in supergeleidende YBCO onder sy oorgangstemperatuur Tc. Terwyl hulle in die metaalelektrode is, bly al die elektrone in enkelvoudige vorm. Daar is 'n groot digtheidsgradiënt vir beide enkelvoudige elektrone en Cooper-pare in die omgewing van die metaal-suprageleier-koppelvlak. Meerderheid-draer enkelvoudige elektrone in metaalmateriaal sal in die supergeleiergebied diffundeer, terwyl meerderheid-draer Cooper-pare in YBCO gebied in die metaalgebied sal diffundeer. Soos Cooper-pare wat meer ladings dra en 'n groter mobiliteit het as enkelvoudige elektrone, van YBCO na metaalgebied diffundeer, word positief gelaaide atome agtergelaat, wat 'n elektriese veld in die ruimteladinggebied tot gevolg het. Die rigting van hierdie elektriese veld word in die skematiese diagram Fig. 1d getoon. Invallende fotonbeligting naby die ruimteladinggebied kan eh-pare skep wat geskei en uitgevee sal word en 'n fotostroom in die omgekeerde-voorspanningsrigting produseer. Sodra die elektrone uit die ingeboude elektriese veld kom, word hulle in pare gekondenseer en vloei sonder weerstand na die ander elektrode. In hierdie geval is die Voc teenoor die voorafgestelde polariteit en vertoon 'n negatiewe waarde wanneer die laserstraal na die area rondom die negatiewe elektrode wys. Uit die waarde van Voc kan die potensiaal oor die koppelvlak geskat word: die afstand tussen die twee spanningsleidings d is ~5 × 10−3 m, die dikte van die metaal-suprageleier-koppelvlak, di, moet dieselfde orde van grootte wees as die koherensielengte van YBCO supergeleier (~1 nm)19,20, neem die waarde van Voc = 0.03 mV, die potensiaal Vms by die metaal-suprageleier-koppelvlak word geëvalueer as ~10−11 V by 50 K met 'n laserintensiteit van 502 mW/cm2, deur gebruik te maak van vergelyking,
Ons wil hier beklemtoon dat die foto-geïnduseerde spanning nie deur foto-termiese effek verklaar kan word nie. Dit is eksperimenteel vasgestel dat die Seebeck-koëffisiënt van supergeleier YBCO Ss = 021 is. Die Seebeck-koëffisiënt vir koperlooddrade is in die reeks van SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Die temperatuur van die koperdraad by die laservlek kan met 'n klein hoeveelheid van 0,06 K verhoog word met maksimum laserintensiteit beskikbaar by 50 K. Dit kan 'n termo-elektriese potensiaal van 6,9 × 10−8 V produseer wat drie ordes grootte kleiner is as die Voc verkry in Fig 1 (a). Dit is duidelik dat termo-elektriese effek te klein is om die eksperimentele resultate te verduidelik. Trouens, die temperatuurvariasie as gevolg van laserbestraling sal binne minder as een minuut verdwyn sodat die bydrae van termiese effek veilig geïgnoreer kan word.
Hierdie fotovoltaïese effek van YBCO by kamertemperatuur onthul dat 'n ander ladingskeidingsmeganisme hier betrokke is. Supergeleidende YBCO in normale toestand is 'n p-tipe materiaal met gate as ladingdraer22,23, terwyl metaalagtige Ag-pasta eienskappe van 'n n-tipe materiaal het. Soortgelyk aan pn-aansluitings, sal die diffusie van elektrone in die silwerpasta en gate in YBCO-keramiek 'n interne elektriese veld vorm wat na die YBCO-keramiek by die koppelvlak wys (Fig. 1h). Dit is hierdie interne veld wat die skeidingskrag verskaf en lei tot 'n positiewe Voc en negatiewe Isc vir die YBCO-Ag-pastastelsel by kamertemperatuur, soos getoon in Fig. 1e. Alternatiewelik kan Ag-YBCO 'n p-tipe Schottky-aansluiting vorm wat ook lei tot 'n koppelvlakpotensiaal met dieselfde polariteit as in die model hierbo aangebied24.
Om die gedetailleerde evolusieproses van die fotovoltaïese eienskappe tydens supergeleidende oorgang van YBCO te ondersoek, is IV-krommes van die monster by 80 K gemeet met geselekteerde laserintensiteite wat by katode-elektrode verlig (Fig. 2). Sonder laserbestraling hou die spanning oor die monster op nul ongeag die stroom, wat die supergeleidende toestand van die monster by 80 K aandui (Fig. 2a). Soortgelyk aan die data wat by 50 K verkry is, beweeg IV kurwes parallel met die I-as afwaarts met toenemende laserintensiteit totdat 'n kritieke waarde Pc bereik word. Bo hierdie kritieke laserintensiteit (Pc) ondergaan die supergeleier 'n oorgang van 'n supergeleidende fase na 'n weerstandsfase; die spanning begin toeneem met stroom as gevolg van die voorkoms van weerstand in die supergeleier. As gevolg hiervan, begin die IV-kromme sny met die I-as en V-as wat eers lei tot 'n negatiewe Voc en 'n positiewe Isc. Nou lyk dit of die monster in 'n spesiale toestand is waarin die polariteit van Voc en Isc uiters sensitief is vir ligintensiteit; met 'n baie klein toename in ligintensiteit word Isc van positief na negatief omgeskakel en Voc van negatiewe na positiewe waarde, wat die oorsprong verbygaan (die hoë sensitiwiteit van fotovoltaïese eienskappe, veral die waarde van Isc, vir ligbeligting kan duideliker gesien word in Fig. 2b). By die hoogste laserintensiteit beskikbaar, is die IV-kurwes van plan om parallel met mekaar te wees, wat die normale toestand van die YBCO-monster aandui.
Die laserkolsentrum is om die katode-elektrodes geposisioneer (sien Fig. 1i). a, IV kurwes van YBCO wat met verskillende laserintensiteite bestraal is. b (bo), Laserintensiteitafhanklikheid van oopkringspanning Voc en kortsluitstroom Isc. Die Ic-waardes kan nie by lae ligintensiteit (< 110 mW/cm2) verkry word nie, want die IV-kurwes is parallel met die I-as wanneer die monster in 'n supergeleidende toestand is. b (onder), differensiële weerstand as 'n funksie van laserintensiteit.
Die laserintensiteitsafhanklikheid van Voc en Isc by 80 K word in Fig. 2b (bo) getoon. Die fotovoltaïese eienskappe kan in drie streke van ligintensiteit bespreek word. Die eerste streek is tussen 0 en Pc, waarin YBCO supergeleidend is, Voc negatief is en neem af (absolute waarde neem toe) met ligintensiteit en bereik 'n minimum by Pc. Die tweede gebied is van Pc na 'n ander kritieke intensiteit P0, waarin Voc toeneem terwyl Isc afneem met toenemende ligintensiteit en albei bereik nul by P0. Die derde gebied is bo P0 totdat normale toestand van YBCO bereik word. Alhoewel beide Voc en Isc verskil met ligintensiteit op dieselfde manier as in streek 2, het hulle teenoorgestelde polariteit bo die kritieke intensiteit P0. Die betekenis van P0 lê daarin dat daar geen fotovoltaïese effek is nie en die ladingskeidingsmeganisme verander kwalitatief op hierdie spesifieke punt. Die YBCO-monster word nie-suprageleidend in hierdie reeks ligintensiteit, maar die normale toestand moet nog bereik word.
Dit is duidelik dat die fotovoltaïese eienskappe van die stelsel nou verwant is aan die supergeleiding van YBCO en sy supergeleidende oorgang. Die differensiële weerstand, dV/dI, van YBCO word in Fig. 2b (onder) getoon as 'n funksie van laserintensiteit. Soos voorheen genoem, die ingeboude elektriese potensiaal in die koppelvlak as gevolg van Cooper-paar diffusiepunte van die supergeleier na metaal. Soortgelyk aan dié wat by 50 K waargeneem word, word fotovoltaïese effek versterk met toenemende laserintensiteit van 0 tot Pc. Wanneer die laserintensiteit 'n waarde effens bo Pc bereik, begin die IV-kurwe kantel en die weerstand van die monster begin verskyn, maar die polariteit van die koppelvlakpotensiaal is nog nie verander nie. Die effek van optiese opwekking op die supergeleiding is in die sigbare of naby-IR-gebied ondersoek. Terwyl die basiese proses is om die Cooper-pare op te breek en die supergeleiding25,26 te vernietig, kan supergeleidingsoorgang in sommige gevalle verbeter word27,28,29, nuwe fases van supergeleiding kan selfs geïnduseer word30. Die afwesigheid van supergeleiding by Pc kan toegeskryf word aan die foto-geïnduseerde paar wat breek. By die punt P0 word die potensiaal oor die koppelvlak nul, wat aandui dat die ladingsdigtheid aan beide kante van die koppelvlak dieselfde vlak bereik onder hierdie spesifieke intensiteit van ligbeligting. Verdere toename in laserintensiteit lei daartoe dat meer Cooper-pare vernietig word en YBCO word geleidelik teruggetransformeer na 'n p-tipe materiaal. In plaas van elektron- en Cooper-paardiffusie, word die kenmerk van die koppelvlak nou bepaal deur elektron- en gatdiffusie wat lei tot 'n polariteitsomkering van die elektriese veld in die koppelvlak en gevolglik 'n positiewe Voc (vergelyk Fig.1d,h). By baie hoë laserintensiteit versadig die differensiële weerstand van YBCO tot 'n waarde wat ooreenstem met die normale toestand en beide Voc en Isc is geneig om lineêr te wissel met laserintensiteit (Fig. 2b). Hierdie waarneming onthul dat laserbestraling op normale toestand YBCO nie meer sy weerstand en die kenmerk van die supergeleier-metaal-koppelvlak sal verander nie, maar slegs die konsentrasie van die elektron-gat-pare sal verhoog.
Om die effek van temperatuur op die fotovoltaïese eienskappe te ondersoek, is die metaal-suprageleierstelsel by die katode bestraal met blou laser met intensiteit 502 mW/cm2. IV-kurwes verkry by geselekteerde temperature tussen 50 en 300 K word in Fig. 3a gegee. Die oopkringspanning Voc, kortsluitstroom Isc en die differensiële weerstand kan dan van hierdie IV-krommes verkry word en word in Fig. 3b getoon. Sonder ligbeligting gaan al die IV-krommes wat by verskillende temperature gemeet word, die oorsprong verby soos verwag is (inlas van Fig. 3a). Die IV-kenmerke verander drasties met toenemende temperatuur wanneer die stelsel verlig word deur 'n relatief sterk laserstraal (502 mW/cm2). By lae temperature is die IV-krommes reguit lyne parallel met die I-as met negatiewe waardes van Voc. Hierdie kurwe beweeg opwaarts met toenemende temperatuur en verander geleidelik in 'n lyn met 'n nie-nul helling by 'n kritieke temperatuur Tcp (Fig. 3a (bo)). Dit blyk dat al die IV kenmerkende krommes om 'n punt in die derde kwadrant roteer. Voc neem toe van 'n negatiewe waarde na 'n positiewe een terwyl Ic van 'n positiewe na 'n negatiewe waarde afneem. Bo die oorspronklike supergeleidende oorgangstemperatuur Tc van YBCO, verander die IV-kromme nogal anders met temperatuur (onderaan Fig. 3a). Eerstens beweeg die rotasiemiddelpunt van die IV-kurwes na die eerste kwadrant. Tweedens, Voc hou aan afneem en Ic neem toe met toenemende temperatuur (boaan Fig. 3b). Derdens neem die helling van die IV-krommes lineêr toe met temperatuur wat lei tot 'n positiewe temperatuurkoëffisiënt van weerstand vir YBCO (onderaan Fig. 3b).
Temperatuurafhanklikheid van fotovoltaïese eienskappe vir YBCO-Ag-pastastelsel onder 502 mW/cm2 laserbeligting.
Die laserkolsentrum is om die katode-elektrodes geposisioneer (sien Fig. 1i). a, IV-kurwes verkry van 50 tot 90 K (bo) en van 100 tot 300 K (onder) met 'n temperatuurtoename van onderskeidelik 5 K en 20 K. Insetsel a toon IV eienskappe by verskeie temperature in donker. Al die krommes kruis die oorsprongpunt. b, oopkringspanning Voc en kortsluitstroom Isc (bo) en die differensiële weerstand, dV/dI, van YBCO (onder) as 'n funksie van temperatuur. Die nulweerstand supergeleidende oorgangstemperatuur Tcp word nie gegee nie omdat dit te naby aan Tc0 is.
Drie kritieke temperature kan uit Fig. 3b herken word: Tcp, waarbo YBCO nie-suprageleidend word; Tc0, waarby beide Voc en Isc nul word en Tc, die oorspronklike aanvang supergeleidende oorgangstemperatuur van YBCO sonder laserbestraling. Onder Tcp ~ 55 K is die laserbestraalde YBCO in 'n supergeleidende toestand met relatief hoë konsentrasie Cooper-pare. Die effek van laserbestraling is om die nulweerstand supergeleidende oorgangstemperatuur van 89 K tot ~55 K (onderaan Fig. 3b) te verminder deur die Cooper-paarkonsentrasie te verminder benewens die vervaardiging van fotovoltaïese spanning en stroom. Toenemende temperatuur breek ook die Cooper-pare af wat lei tot 'n laer potensiaal in die koppelvlak. Gevolglik sal die absolute waarde van Voc kleiner word, alhoewel dieselfde intensiteit van laserbeligting toegepas word. Die raakvlakpotensiaal sal kleiner en kleiner word met verdere toename in temperatuur en bereik nul by Tc0. Daar is geen fotovoltaïese effek op hierdie spesiale punt nie, want daar is geen interne veld om die foto-geïnduseerde elektron-gat pare te skei nie. 'n Polariteitsomkering van die potensiaal vind bo hierdie kritieke temperatuur plaas aangesien die vryladingsdigtheid in Ag-pasta groter is as dié in YBCO wat geleidelik teruggeplaas word na 'n p-tipe materiaal. Hier wil ons beklemtoon dat die polariteitsomkering van Voc en Isc onmiddellik na die nulweerstand supergeleidende oorgang plaasvind, ongeag die oorsaak van die oorgang. Hierdie waarneming openbaar duidelik, vir die eerste keer, die korrelasie tussen supergeleiding en die fotovoltaïese effekte wat met die metaal-suprageleier-koppelvlakpotensiaal geassosieer word. Die aard van hierdie potensiaal oor die supergeleier-normale metaal-koppelvlak was 'n navorsingsfokus vir die afgelope paar dekades, maar daar is baie vrae wat nog wag om beantwoord te word. Meting van die fotovoltaïese effek kan 'n effektiewe metode wees om die besonderhede (soos die sterkte en polariteit ens.) van hierdie belangrike potensiaal te ondersoek en dus lig te werp op die hoë temperatuur supergeleidende nabyheid effek.
Verdere toename in temperatuur van Tc0 na Tc lei tot 'n kleiner konsentrasie van Cooper-pare en 'n verbetering in die koppelvlakpotensiaal en gevolglik groter Voc. By Tc word die Cooper-paarkonsentrasie nul en die ingeboude potensiaal by die koppelvlak bereik 'n maksimum, wat lei tot maksimum Voc en minimum Isc. Die vinnige toename van Voc en Isc (absolute waarde) in hierdie temperatuurreeks stem ooreen met die supergeleidende oorgang wat verbreed word van ΔT ~ 3 K na ~34 K deur laserbestraling met intensiteit 502 mW/cm2 (Fig. 3b). In die normale toestande bo Tc neem die oopbaanspanning Voc af met temperatuur (boaan Fig. 3b), soortgelyk aan die lineêre gedrag van Voc vir normale sonselle gebaseer op pn-aansluitings31,32,33. Alhoewel die veranderingstempo van Voc met temperatuur (−dVoc/dT), wat sterk afhang van laserintensiteit, baie kleiner is as dié van normale sonselle, het die temperatuurkoëffisiënt van Voc vir YBCO-Ag-aansluiting dieselfde orde van grootte as dié van die sonselle. Die lekstroom van 'n pn-aansluiting vir 'n normale sonseltoestel neem toe met toenemende temperatuur, wat lei tot 'n afname in Voc soos temperatuur toeneem. Die lineêre IV-kurwes wat vir hierdie Ag-suprageleierstelsel waargeneem is, as gevolg van eerstens die baie klein koppelvlakpotensiaal en tweedens die rug-aan-rug-verbinding van die twee hetero-aansluitings, maak dit moeilik om die lekstroom te bepaal. Nietemin is dit baie waarskynlik dat dieselfde temperatuurafhanklikheid van lekstroom verantwoordelik is vir die Voc-gedrag wat in ons eksperiment waargeneem is. Volgens die definisie is Isc die stroom wat nodig is om 'n negatiewe spanning te produseer om Voc te kompenseer sodat die totale spanning nul is. Soos die temperatuur toeneem, word Voc kleiner sodat minder stroom nodig is om die negatiewe spanning te produseer. Verder neem die weerstand van YBCO lineêr toe met temperatuur bo Tc (onderaan Fig. 3b), wat ook bydra tot die kleiner absolute waarde van Isc by hoë temperature.
Let daarop dat die resultate wat in Fig. 2,3 gegee word, verkry word deur laserbestraling by die area rondom katode-elektrodes. Metings is ook herhaal met laserkol wat by anode geposisioneer is en soortgelyke IV-eienskappe en fotovoltaïese eienskappe is waargeneem, behalwe dat die polariteit van Voc en Isc in hierdie geval omgekeer is. Al hierdie data lei tot 'n meganisme vir die fotovoltaïese effek, wat nou verwant is aan die supergeleier-metaal-koppelvlak.
Samevattend, die IV-eienskappe van laserbestraalde supergeleidende YBCO-Ag-pastastelsel is gemeet as funksies van temperatuur en laserintensiteit. Merkwaardige fotovoltaïese effek is waargeneem in die temperatuurreeks van 50 tot 300 K. Daar word gevind dat die fotovoltaïese eienskappe sterk korreleer met die supergeleiding van YBCO keramiek. 'n Polariteitsomkering van Voc en Isc vind plaas onmiddellik na die foto-geïnduseerde supergeleiding na nie-suprageleier oorgang. Temperatuurafhanklikheid van Voc en Isc gemeet teen vaste laserintensiteit toon ook 'n duidelike polariteitsomkering by 'n kritieke temperatuur waarbo die monster resistief word. Deur die laserkol na 'n ander deel van die monster te plaas, wys ons dat daar 'n elektriese potensiaal oor die koppelvlak bestaan, wat die skeidingskrag verskaf vir die foto-geïnduseerde elektron-gat pare. Hierdie koppelvlakpotensiaal lei vanaf YBCO na die metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en skakel oor na die teenoorgestelde rigting wanneer die monster nie-suprageleidend word. Die oorsprong van die potensiaal kan natuurlik geassosieer word met die nabyheidseffek by metaal-suprageleier-koppelvlak wanneer YBCO supergeleier is en word geskat op ~10−8 mV by 50 K met 'n laserintensiteit van 502 mW/cm2. Kontak van 'n p-tipe materiaal YBCO in normale toestand met 'n n-tipe materiaal Ag-pasta vorm 'n kwasi-pn aansluiting wat verantwoordelik is vir die fotovoltaïese gedrag van YBCO keramiek by hoë temperature. Bogenoemde waarnemings werp lig op die PV-effek in hoë-temperatuur supergeleidende YBCO-keramiek en baan die weg na nuwe toepassings in opto-elektroniese toestelle soos vinnige passiewe ligdetektor en enkelfotondetektor.
Die fotovoltaïese effek eksperimente is uitgevoer op 'n YBCO keramiek monster van 0.52 mm dikte en 8.64 × 2.26 mm2 reghoekige vorm en verlig deur aaneenlopende golf blou-laser (λ = 450 nm) met laser kol grootte van 1.25 mm in radius. Die gebruik van grootmaat eerder as dunfilmmonster stel ons in staat om die fotovoltaïese eienskappe van die supergeleier te bestudeer sonder om die komplekse invloed van die substraat te hanteer6,7. Boonop kan die grootmaatmateriaal bevorderlik wees vir die eenvoudige voorbereidingsprosedure en relatief lae koste. Die koperlooddrade word op die YBCO-monster saamgevoeg met silwerpasta wat vier sirkelvormige elektrodes van ongeveer 1 mm in deursnee vorm. Die afstand tussen die twee spanningselektrodes is ongeveer 5 mm. IV eienskappe van die monster is gemeet met behulp van die vibrasie monster magnetometer (VersaLab, Quantum Design) met 'n kwarts kristal venster. Standaard vierdraadmetode is gebruik om die IV-kurwes te verkry. Die relatiewe posisies van elektrodes en die laserkol word in Fig. 1i getoon.
Hoe om hierdie artikel aan te haal: Yang, F. et al. Oorsprong van fotovoltaïese effek in supergeleidende YBa2Cu3O6.96 keramiek. Sci. Rep 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Simmetrie-verbode laser-geïnduseerde spannings in YBa2Cu3O7. Fis. Ds B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oorsprong van die anomale fotovoltaïese sein in Y-Ba-Cu-O. Fis. Ds B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Meting van laser-geïnduseerde spannings van supergeleidende Bi-Sr-Ca-Cu-O. Fis. Ds B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Verbygaande laser-geïnduseerde spannings in kamertemperatuurfilms van YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Fis. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomale fotovoltaïese reaksie in YBa2Cu3O7. Fis. Ds B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogegenereerde gatdraer-inspuiting na YBa2Cu3O7−x in 'n oksied-heterostruktuur. Appl. Fis. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Foto-emissiestudie van YBa2Cu3Oy dun films onder ligbeligting. Fis. Ds Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotovoltaïese effek van YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroaansluiting uitgegloei in verskillende suurstofparsiële druk. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Twee-gaping struktuur in Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkelkristalle. J. Superkonde. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kwasipartikel-ontspanningsdinamika in supergeleiers met verskillende gapingstrukture: Teorie en eksperimente op YBa2Cu3O7-δ . Fis. Ds B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Regstellende eienskappe van die YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroaansluiting. Appl. Fis. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Eksitoniese absorpsie en supergeleiding in YBa2Cu3O7-δ. Fis. Ds Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Verbygaande fotogeïnduseerde geleiding in halfgeleidende enkelkristalle van YBa2Cu3O6.3: soek na fotogeïnduseerde metaaltoestand en vir fotogeïnduseerde supergeleiding. Vaste Staat Gemeen. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tonnelmodel van die supergeleidende nabyheidseffek. Fis. Openb 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Supergeleidende nabyheidseffek ondersoek op 'n mesoskopiese lengteskaal. Fis. Ds Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Nabyheidseffek met niesentrosimmetriese supergeleiers. Fis. Ds B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Sterk supergeleidende nabyheidseffek in Pb-Bi2Te3 hibriede strukture. Sci. Rep 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL 'n Nuwe silikon pn aansluiting fotosel vir die omskakeling van sonstraling in elektriese krag. J. App. Fis. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Onreinheid effekte op die supergeleidende koherensie lengte in Zn- of Ni-gedoteerde YBa2Cu3O6.9 enkelkristalle. Fis. Ds B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoweerstand van Untwinned YBa2Cu3Oy enkelkristalle in 'n wye reeks doping: anomale gat-doping afhanklikheid van die samehang lengte. Fis. Ds Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematiek in die termo-elektriese krag van hoë-T, oksiede. Fis. Ds B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Draerdigtheid-afhanklike momentumverskuiwing van die koherente piek en die LO fononmodus in p-tipe hoë-Tc supergeleiers. Fis. Ds B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Gatreduksie en elektronakkumulasie in YBa2Cu3Oy dun films met behulp van 'n elektrochemiese tegniek: Bewyse vir 'n n-tipe metaaltoestand. Fis. Ds B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Die fisika en chemie van die Schottky-versperringhoogte. Appl. Fis. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekte van dinamiese eksterne paarbreuk in supergeleidende films. Fis. Ds Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotogeïnduseerde verbetering van supergeleiding. Appl. Fis. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Aanhoudende fotogeleiding in YBa2Cu3O6+x-films as 'n metode van fotodotering na metaal- en supergeleidende fases. Fis. Ds B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Nie-lineêre roosterdinamika as basis vir verbeterde supergeleiding in YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Lig-geïnduseerde supergeleiding in 'n streep-geordende cuprate. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Die temperatuur funksionele afhanklikheid van VOC vir 'n sonsel in verhouding tot sy doeltreffendheid nuwe benadering. Ontsouting 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatuur-effekte in Schottky-versperring silikon sonselle. Appl. Fis. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperatuurafhanklikheid vir die fotovoltaïese toestelparameters van polimeer-fullereen sonselle onder bedryfstoestande. J. Appl. Fis. 90, 5343–5350 (2002).
Hierdie werk is ondersteun deur die Nasionale Natuurwetenskapstigting van China (Toekenning No. 60571063), die Fundamentele Navorsingsprojekte van Henan Provinsie, China (Toekenning No. 122300410231).
FY het die teks van die vraestel geskryf en MYH het die YBCO keramiekmonster voorberei. FY en MYH het die eksperiment uitgevoer en die resultate ontleed. FGC het die projek en die wetenskaplike interpretasie van die data gelei. Alle skrywers het die manuskrip nagegaan.
Hierdie werk is gelisensieer onder 'n Creative Commons Attribution 4.0 International License. Die beelde of ander derdeparty-materiaal in hierdie artikel is ingesluit in die artikel se Creative Commons-lisensie, tensy anders aangedui in die kredietlyn; as die materiaal nie onder die Creative Commons-lisensie ingesluit is nie, sal gebruikers toestemming van die lisensiehouer moet kry om die materiaal te reproduseer. Om 'n afskrif van hierdie lisensie te sien, besoek http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oorsprong van fotovoltaïese effek in supergeleidende YBa2Cu3O6.96 keramiek. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Deur 'n opmerking in te dien, stem jy in om by ons bepalings en gemeenskapsriglyne te hou. As jy iets beledigend vind of wat nie aan ons bepalings of riglyne voldoen nie, merk dit asseblief as onvanpas.
Postyd: 22-Apr-2020