شكرا لكم لزيارة موقع Nature.com. أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح أحدث (أو إيقاف تشغيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان الدعم المستمر، نقوم بعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
لقد أبلغنا عن تأثير كهروضوئي ملحوظ في سيراميك YBa2Cu3O6.96 (YBCO) بين 50 و 300 كلفن الناجم عن إضاءة الليزر الأزرق، والذي يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالموصلية الفائقة لـ YBCO وواجهة القطب الكهربائي YBCO المعدني. هناك انعكاس قطبي لجهد الدائرة المفتوحة Voc وتيار الدائرة القصيرة Isc عندما يخضع YBCO للانتقال من التوصيل الفائق إلى الحالة المقاومة. لقد أظهرنا أن هناك إمكانات كهربائية عبر الواجهة المعدنية العادية فائقة التوصيل، والتي توفر قوة الفصل لأزواج ثقب الإلكترون المستحثة بالصور. توجه إمكانات الواجهة هذه من YBCO إلى القطب المعدني عندما يكون YBCO فائق التوصيل ويتحول إلى الاتجاه المعاكس عندما يصبح YBCO غير موصل فائق. قد يرتبط أصل الإمكانات بسهولة بتأثير القرب في واجهة الموصل الفائق المعدنية عندما تكون YBCO فائقة التوصيل وتقدر قيمتها بحوالي 10–8 مللي فولت عند 50 كلفن بكثافة ليزر تبلغ 502 ميجاوات / سم 2. مزيج من مادة YBCO من النوع p في الحالة الطبيعية مع مادة من النوع n Ag-paste يشكل تقاطع شبه pn وهو المسؤول عن السلوك الكهروضوئي لسيراميك YBCO في درجات حرارة عالية. قد تمهد النتائج التي توصلنا إليها الطريق لتطبيقات جديدة لأجهزة الفوتون الإلكترونية وتلقي مزيدًا من الضوء على تأثير القرب في الواجهة المعدنية فائقة التوصيل.
تم الإبلاغ عن الجهد المستحث بالصور في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية في أوائل التسعينيات وتم التحقيق فيه على نطاق واسع منذ ذلك الحين، ومع ذلك تظل طبيعته وآليته غير مستقرة 1،2،3،4،5. تتم دراسة الأغشية الرقيقة YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6،7،8، على وجه الخصوص، بشكل مكثف في شكل خلية كهروضوئية (PV) بسبب فجوة الطاقة القابلة للتعديل9،10،11،12،13. ومع ذلك، فإن المقاومة العالية للركيزة تؤدي دائمًا إلى انخفاض كفاءة تحويل الجهاز وأقنعة الخصائص الكهروضوئية الأساسية لـ YBCO8. نورد هنا تأثيرًا كهروضوئيًا ملحوظًا ناجمًا عن إضاءة الليزر الأزرق (450 = 450 نانومتر) في السيراميك YBa2Cu3O6.96 (YBCO) بين 50 و300 كلفن (Tc ~ 90 K). نظهر أن التأثير الكهروضوئي يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالموصلية الفائقة لـ YBCO وطبيعة واجهة القطب الكهربائي YBCO المعدني. هناك انعكاس قطبي لجهد الدائرة المفتوحة Voc وتيار الدائرة القصيرة Isc عندما يخضع YBCO للانتقال من مرحلة التوصيل الفائق إلى حالة المقاومة. يُقترح وجود إمكانات كهربائية عبر الواجهة المعدنية العادية فائقة التوصيل، والتي توفر قوة الفصل لأزواج ثقب الإلكترون المستحثة بالصور. يتم توجيه إمكانات الواجهة هذه من YBCO إلى القطب المعدني عندما يكون YBCO فائق التوصيل ويتحول إلى الاتجاه المعاكس عندما تصبح العينة غير فائقة التوصيل. قد يرتبط أصل الإمكانات بشكل طبيعي بتأثير القرب عند واجهة الموصل الفائق المعدنية عندما تكون YBCO فائقة التوصيل وتقدر قيمتها بحوالي 10−8 مللي فولت عند 50 كلفن مع كثافة ليزر تبلغ 502 ميجاوات. /سم2. مزيج من مادة YBCO من النوع p في الحالة الطبيعية مع مادة من النوع n يتشكل عجينة Ag، على الأرجح، تقاطع شبه pn وهو المسؤول عن السلوك الكهروضوئي لسيراميك YBCO في درجات حرارة عالية. تلقي ملاحظاتنا مزيدًا من الضوء على أصل التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBCO فائق التوصيل بدرجة الحرارة العالية وتمهد الطريق لتطبيقه في الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل كاشف الضوء السلبي السريع وما إلى ذلك.
يوضح الشكل 1 أ-ج أن الخصائص IV لعينة السيراميك YBCO عند 50 كلفن. بدون إضاءة ضوئية، يظل الجهد عبر العينة عند الصفر مع تغير التيار، كما يمكن توقعه من مادة فائقة التوصيل. يظهر التأثير الكهروضوئي الواضح عندما يتم توجيه شعاع الليزر إلى الكاثود (الشكل 1 أ): تتحرك المنحنيات IV الموازية للمحور I إلى الأسفل مع زيادة كثافة الليزر. من الواضح أن هناك جهدًا سلبيًا ناتجًا عن الصورة حتى بدون أي تيار (يُسمى غالبًا جهد الدائرة المفتوحة Voc). يشير المنحدر الصفري للمنحنى IV إلى أن العينة لا تزال فائقة التوصيل تحت إضاءة الليزر.
( أ – ج ) و 300 ك ( ه – ز ). تم الحصول على قيم V (I) عن طريق مسح التيار من −10 مللي أمبير إلى +10 مللي أمبير في الفراغ. يتم تقديم جزء فقط من البيانات التجريبية من أجل الوضوح. أ ، خصائص الجهد الحالي لـ YBCO تقاس ببقعة ليزر موضوعة عند الكاثود (i). جميع منحنيات IV عبارة عن خطوط مستقيمة أفقية تشير إلى أن العينة لا تزال فائقة التوصيل مع تشعيع الليزر. يتحرك المنحنى للأسفل مع زيادة شدة الليزر، مما يشير إلى وجود جهد سلبي (Voc) بين طرفي الجهد حتى مع وجود تيار صفر. تظل المنحنيات IV دون تغيير عندما يتم توجيه الليزر إلى مركز العينة عند الأثير 50 K (b) أو 300 K (f). يتحرك الخط الأفقي لأعلى مع إضاءة الأنود (ج). يظهر في الشكل d نموذج تخطيطي لوصلة الموصل الفائق المعدنية عند 50 كلفن. يتم إعطاء خصائص الجهد الحالي للحالة الطبيعية YBCO عند 300 K المقاسة باستخدام شعاع الليزر الموجه إلى الكاثود والأنود في e و g على التوالي. وعلى النقيض من النتائج عند 50 كلفن، يشير المنحدر غير الصفري للخطوط المستقيمة إلى أن YBCO في حالة طبيعية؛ تختلف قيم Voc مع شدة الضوء في الاتجاه المعاكس، مما يشير إلى آلية مختلفة لفصل الشحنة. تم توضيح بنية الواجهة المحتملة عند 300 K في الصورة الحقيقية للعينة ذات الخيوط.
يمكن لـ YBCO الغني بالأكسجين في حالة التوصيل الفائق أن يمتص طيفًا كاملاً تقريبًا من ضوء الشمس بسبب فجوة الطاقة الصغيرة جدًا (على سبيل المثال)9،10، وبالتالي إنشاء أزواج ثقب الإلكترون (e-h). لإنتاج جهد الدائرة المفتوحة VOC عن طريق امتصاص الفوتونات، من الضروري فصل أزواج إيه المولدة بالصور مكانيًا قبل حدوث إعادة التركيب. يشير Voc السلبي، بالنسبة إلى الكاثود والأنود كما هو موضح في الشكل 1i، إلى وجود إمكانات كهربائية عبر واجهة الموصل الفائق المعدني، والتي تجتاح الإلكترونات إلى الأنود والثقوب إلى الكاثود. إذا كان هذا هو الحال، فيجب أن يكون هناك أيضًا إشارة محتملة من الموصل الفائق إلى القطب المعدني عند الأنود. وبالتالي، سيتم الحصول على Voc إيجابي إذا كانت منطقة العينة القريبة من القطب الموجب مضاءة. علاوة على ذلك، يجب ألا يكون هناك أي جهد مستحث بالصور عند توجيه بقعة الليزر إلى مناطق بعيدة عن الأقطاب الكهربائية. ومن المؤكد أن هذا هو الحال كما يتبين من الشكل 1ب،ج!.
عندما تتحرك بقعة الضوء من القطب الكاثود إلى مركز العينة (حوالي 1.25 مم بعيدًا عن الواجهات)، لا يمكن ملاحظة أي اختلاف في منحنيات IV ولا يمكن ملاحظة أي مركبات متطايرة مع زيادة شدة الليزر إلى الحد الأقصى للقيمة المتاحة (الشكل 1 ب) . وبطبيعة الحال، يمكن أن تعزى هذه النتيجة إلى العمر المحدود للناقلات المستحثة بالصور وعدم وجود قوة الفصل في العينة. يمكن إنشاء أزواج ثقب الإلكترون عندما يتم إضاءة العينة، ولكن سيتم إبادة معظم أزواج e-h ولا يلاحظ أي تأثير كهروضوئي إذا وقعت بقعة الليزر على مناطق بعيدة عن أي من الأقطاب الكهربائية. عند نقل بقعة الليزر إلى أقطاب الأنود، تتحرك المنحنيات IV الموازية للمحور I للأعلى مع زيادة كثافة الليزر (الشكل 1 ج). يوجد مجال كهربائي مدمج مماثل في تقاطع الموصل الفائق المعدني عند القطب الموجب. ومع ذلك، فإن القطب المعدني يتصل بالسلك الموجب لنظام الاختبار هذه المرة. يتم دفع الثقوب التي ينتجها الليزر إلى سلك الأنود وبالتالي يتم ملاحظة وجود المركبات العضوية المتطايرة الإيجابية. توفر النتائج المقدمة هنا دليلًا قويًا على وجود واجهة محتملة تشير من الموصل الفائق إلى القطب المعدني.
يظهر الشكل 1e-g التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBa2Cu3O6.96 عند 300 كلفن. بدون إضاءة ضوئية، يكون المنحنى IV للعينة عبارة عن خط مستقيم يعبر نقطة الأصل. يتحرك هذا الخط المستقيم لأعلى بالتوازي مع الخط الأصلي مع زيادة كثافة الليزر المشع عند أطراف الكاثود (الشكل 1 هـ). هناك حالتان محددتان من حالات الاهتمام بالجهاز الكهروضوئي. تحدث حالة الدائرة القصيرة عندما يكون V = 0. ويشار إلى التيار في هذه الحالة باسم تيار الدائرة القصيرة (Isc). الحالة المقيدة الثانية هي حالة الدائرة المفتوحة (Voc) والتي تحدث عندما يكون R → ∞ أو التيار صفراً. يوضح الشكل 1 هـ بوضوح أن المركبات العضوية المتطايرة إيجابية وتزداد مع زيادة شدة الضوء، على النقيض من النتيجة التي تم الحصول عليها عند 50 كلفن؛ بينما لوحظ أن حجم Isc السلبي يزداد مع الإضاءة الضوئية، وهو سلوك نموذجي للخلايا الشمسية الطبيعية.
وبالمثل، عندما يتم توجيه شعاع الليزر إلى مناطق بعيدة عن الأقطاب الكهربائية، يكون المنحنى V(I) مستقلاً عن شدة الليزر ولا يظهر أي تأثير كهروضوئي (الشكل 1f). على غرار القياس عند 50 كلفن، تتحرك المنحنيات IV إلى الاتجاه المعاكس حيث يتم تشعيع قطب الأنود (الشكل 1ز). كل هذه النتائج التي تم الحصول عليها لنظام لصق YBCO-Ag عند 300 كلفن مع تشعيع الليزر في مواضع مختلفة من العينة تتوافق مع واجهة محتملة معاكسة لتلك التي لوحظت عند 50 كلفن.
تتكثف معظم الإلكترونات في أزواج كوبر في YBCO فائق التوصيل تحت درجة الحرارة الانتقالية Tc. أثناء وجودها في القطب المعدني، تبقى جميع الإلكترونات في شكل فردي. يوجد تدرج كبير في الكثافة لكل من الإلكترونات المفردة وأزواج كوبر بالقرب من واجهة الموصل الفائق المعدني. سوف تنتشر الإلكترونات المفردة الحاملة للأغلبية في المواد المعدنية في منطقة الموصلات الفائقة، في حين أن أزواج كوبر الحاملة للأغلبية في منطقة YBCO سوف تنتشر في المنطقة المعدنية. نظرًا لأن أزواج كوبر تحمل شحنات أكثر وتتمتع بحركة أكبر من الإلكترونات المفردة المنتشرة من YBCO إلى المنطقة المعدنية، تُترك الذرات المشحونة إيجابيًا خلفها، مما يؤدي إلى وجود مجال كهربائي في منطقة الشحنة الفضائية. يظهر اتجاه هذا المجال الكهربائي في الرسم التخطيطي الشكل 1 د. يمكن لإضاءة الفوتون الحادثة بالقرب من منطقة الشحنة الفضائية أن تخلق أزواجًا سيتم فصلها وإخراجها مما ينتج تيارًا ضوئيًا في اتجاه الانحياز العكسي. وبمجرد خروج الإلكترونات من المجال الكهربائي الداخلي، فإنها تتكثف في أزواج وتتدفق إلى القطب الآخر دون مقاومة. في هذه الحالة، يكون Voc معاكسًا للقطبية المحددة مسبقًا ويعرض قيمة سالبة عندما يشير شعاع الليزر إلى المنطقة المحيطة بالقطب السالب. من قيمة Voc، يمكن تقدير الإمكانات عبر الواجهة: المسافة بين طرفي الجهد d هي ~5 × 10−3 م، ويجب أن يكون سمك واجهة الموصل الفائق المعدني، di، بنفس الترتيب من حيث الحجم نظرًا لأن طول التماسك للموصل الفائق YBCO (~ 1 نانومتر) 19،20، خذ قيمة Voc = 0.03 mV، يتم تقييم Vms المحتملة في واجهة الموصل الفائق المعدني على أنها ~10−11 فولت عند 50 كلفن بكثافة ليزر تبلغ 502 ميجاوات/سم2، باستخدام المعادلة،
نريد التأكيد هنا على أن الجهد الناتج عن الصورة لا يمكن تفسيره بالتأثير الحراري الضوئي. لقد ثبت تجريبيًا أن معامل Seebeck للموصل الفائق YBCO هو Ss = 021. يقع معامل Seebeck لأسلاك الرصاص النحاسية في نطاق SCu = 0.34–1.15 μV/K3. يمكن رفع درجة حرارة السلك النحاسي في نقطة الليزر بمقدار صغير قدره 0.06 كلفن مع توفر أقصى كثافة لليزر عند 50 كلفن. وهذا يمكن أن ينتج إمكانات كهروحرارية تبلغ 6.9 × 10−8 فولت وهو أصغر بثلاثة أوامر من Voc التي تم الحصول عليها في الشكل 1 (أ). ومن الواضح أن التأثير الحراري صغير جدًا بحيث لا يمكن تفسير النتائج التجريبية. في الواقع، فإن التغير في درجات الحرارة الناتج عن تشعيع الليزر سوف يختفي في أقل من دقيقة واحدة بحيث يمكن تجاهل مساهمة التأثير الحراري بأمان.
يكشف هذا التأثير الكهروضوئي لـ YBCO في درجة حرارة الغرفة عن وجود آلية مختلفة لفصل الشحنة هنا. إن YBCO فائق التوصيل في الحالة الطبيعية عبارة عن مادة من النوع p بها ثقوب كحامل شحن، في حين يتميز معجون Ag المعدني بخصائص مادة من النوع n. على غرار الوصلات pn، فإن انتشار الإلكترونات في عجينة الفضة والثقوب في سيراميك YBCO سيشكل مجالًا كهربائيًا داخليًا يشير إلى سيراميك YBCO عند الواجهة (الشكل 1 ح). هذا هو المجال الداخلي الذي يوفر قوة الفصل ويؤدي إلى Voc موجب و Isc سالب لنظام لصق YBCO-Ag في درجة حرارة الغرفة، كما هو موضح في الشكل 1 هـ. بدلاً من ذلك، يمكن أن يشكل Ag-YBCO تقاطع Schottky من النوع p والذي يؤدي أيضًا إلى واجهة محتملة بنفس القطبية كما في النموذج المعروض أعلاه.
للتحقيق في عملية التطور التفصيلية للخصائص الكهروضوئية أثناء انتقال التوصيل الفائق لـ YBCO، تم قياس منحنيات IV للعينة عند 80 K بكثافة ليزر مختارة تضيء عند القطب الكاثود (الشكل 2). بدون تشعيع الليزر، يظل الجهد الكهربي عبر العينة عند الصفر بغض النظر عن التيار، مما يشير إلى حالة التوصيل الفائق للعينة عند 80 كلفن (الشكل 2 أ). على غرار البيانات التي تم الحصول عليها عند 50 K، تتحرك المنحنيات IV الموازية للمحور I إلى الأسفل مع زيادة كثافة الليزر حتى يتم الوصول إلى القيمة الحرجة Pc. فوق شدة الليزر الحرجة (Pc)، يمر الموصل الفائق بمرحلة انتقالية من مرحلة التوصيل الفائق إلى مرحلة المقاومة؛ يبدأ الجهد في الزيادة مع التيار بسبب ظهور المقاومة في الموصل الفائق. ونتيجة لذلك، يبدأ المنحنى IV بالتقاطع مع المحور I والمحور V مما يؤدي إلى Voc سالب وIsc موجب في البداية. الآن يبدو أن العينة في حالة خاصة تكون فيها قطبية Voc وIsc حساسة للغاية لشدة الضوء؛ مع زيادة طفيفة جدًا في شدة الضوء، يتم تحويل Isc من القيمة الموجبة إلى السلبية وVoc من القيمة السالبة إلى القيمة الموجبة، مما يمرر الأصل (يمكن رؤية الحساسية العالية للخصائص الكهروضوئية، وخاصة قيمة Isc، للإضاءة الضوئية بشكل أكثر وضوحًا في الشكل 1). 2 ب). عند أعلى كثافة ليزر متاحة، تهدف المنحنيات IV إلى أن تكون متوازية مع بعضها البعض، مما يدل على الحالة الطبيعية لعينة YBCO.
يتم وضع مركز بقعة الليزر حول أقطاب الكاثود (انظر الشكل 1 ط). أ ، منحنيات IV من YBCO المشععة بكثافة ليزر مختلفة. ب (أعلى)، اعتماد شدة الليزر على جهد الدائرة المفتوحة Voc وتيار الدائرة القصيرة Isc. لا يمكن الحصول على قيم Isc عند شدة الإضاءة المنخفضة (< 110 ميجاوات/سم2) لأن المنحنيات IV تكون موازية للمحور I عندما تكون العينة في حالة التوصيل الفائق. ب (أسفل)، المقاومة التفاضلية كدالة لكثافة الليزر.
يظهر الشكل 2 ب (أعلى) اعتماد شدة الليزر لـ Voc و Isc عند 80 K. يمكن مناقشة الخصائص الكهروضوئية في ثلاث مناطق من شدة الضوء. المنطقة الأولى تقع بين 0 وPc، حيث تكون YBCO فائقة التوصيل، وVoc سالبة وتتناقص (تزداد القيمة المطلقة) مع شدة الضوء وتصل إلى الحد الأدنى عند Pc. المنطقة الثانية هي من Pc إلى شدة حرجة أخرى P0، حيث تزداد Voc بينما تتناقص Isc مع زيادة شدة الضوء وكلاهما يصل إلى الصفر عند P0. المنطقة الثالثة أعلى من P0 حتى يتم الوصول إلى الحالة الطبيعية لـ YBCO. على الرغم من أن كلا من Voc وIsc يختلفان مع شدة الضوء بنفس الطريقة كما في المنطقة 2، إلا أن لهما قطبية معاكسة فوق الشدة الحرجة P0. تكمن أهمية P0 في عدم وجود تأثير كهروضوئي وأن آلية فصل الشحنة تتغير نوعيًا عند هذه النقطة بالذات. تصبح عينة YBCO غير فائقة التوصيل في هذا النطاق من شدة الضوء ولكن لم يتم الوصول إلى الحالة الطبيعية بعد.
من الواضح أن الخصائص الكهروضوئية للنظام ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة لـ YBCO وانتقالها الفائق التوصيل. تظهر المقاومة التفاضلية، dV/dI، لـ YBCO في الشكل 2 ب (أسفل) كدالة لكثافة الليزر. كما ذكرنا من قبل، فإن الإمكانات الكهربائية المدمجة في الواجهة ناتجة عن نقاط انتشار زوج كوبر من الموصل الفائق إلى المعدن. على غرار ذلك الذي لوحظ عند 50 كلفن، يتم تعزيز التأثير الكهروضوئي بزيادة كثافة الليزر من 0 إلى Pc. عندما تصل شدة الليزر إلى قيمة أعلى قليلاً من Pc، يبدأ المنحنى IV في الميل وتبدأ مقاومة العينة في الظهور، لكن قطبية جهد السطح البيني لم تتغير بعد. تم دراسة تأثير الإثارة البصرية على الموصلية الفائقة في المنطقة المرئية أو القريبة من الأشعة تحت الحمراء. في حين أن العملية الأساسية هي تفكيك أزواج كوبر وتدمير الموصلية الفائقة، في بعض الحالات يمكن تعزيز انتقال الموصلية الفائقة، بل يمكن تحفيز مراحل جديدة من الموصلية الفائقة. يمكن أن يعزى غياب الموصلية الفائقة عند الكمبيوتر إلى كسر الزوج الناتج عن الصورة. عند النقطة P0، يصبح الجهد عبر الواجهة صفرًا، مما يشير إلى أن كثافة الشحنة في كلا جانبي الواجهة تصل إلى نفس المستوى في ظل هذه الكثافة الخاصة لإضاءة الضوء. تؤدي الزيادة الإضافية في كثافة الليزر إلى تدمير المزيد من أزواج Cooper وتحويل YBCO تدريجيًا مرة أخرى إلى مادة من النوع p. بدلاً من انتشار زوج الإلكترون وكوبر، يتم الآن تحديد ميزة الواجهة من خلال انتشار الإلكترون والثقب مما يؤدي إلى انعكاس قطبية المجال الكهربائي في الواجهة وبالتالي وجود Voc موجب (قارن الشكل 1 د، ح). عند شدة الليزر العالية جدًا، تتشبع المقاومة التفاضلية لـ YBCO بقيمة تقابل الحالة الطبيعية ويميل كل من Voc وIsc إلى التباين خطيًا مع شدة الليزر (الشكل 2 ب). تكشف هذه الملاحظة أن تشعيع الليزر في الحالة الطبيعية YBCO لن يغير مقاومته وميزة واجهة الموصل الفائق المعدنية ولكنه يزيد فقط من تركيز أزواج ثقب الإلكترون.
لدراسة تأثير درجة الحرارة على الخواص الكهروضوئية، تم تشعيع نظام الموصل الفائق المعدني عند الكاثود باستخدام ليزر أزرق بكثافة 502 ميجاوات/سم2. منحنيات IV التي تم الحصول عليها عند درجات حرارة مختارة تتراوح بين 50 و 300 كلفن موضحة في الشكل 3 أ. يمكن بعد ذلك الحصول على جهد الدائرة المفتوحة Voc وتيار الدائرة القصيرة Isc والمقاومة التفاضلية من منحنيات IV هذه وتظهر في الشكل 3 ب. بدون إضاءة ضوئية، فإن جميع المنحنيات IV المقاسة عند درجات حرارة مختلفة تمر بالأصل كما هو متوقع (الشكل الداخلي 3 أ). تتغير خصائص IV بشكل جذري مع زيادة درجة الحرارة عندما يتم إضاءة النظام بواسطة شعاع ليزر قوي نسبيًا (502 ميجاوات / سم 2). عند درجات الحرارة المنخفضة، تكون المنحنيات IV عبارة عن خطوط مستقيمة موازية للمحور I مع قيم سالبة للمركبات العضوية المتطايرة. يتحرك هذا المنحنى لأعلى مع زيادة درجة الحرارة ويتحول تدريجيًا إلى خط ذو منحدر غير صفري عند درجة حرارة حرجة Tcp (الشكل 3 أ (أعلى)). يبدو أن جميع المنحنيات المميزة IV تدور حول نقطة في الربع الثالث. تزداد Voc من قيمة سالبة إلى قيمة موجبة بينما تنخفض Isc من قيمة موجبة إلى قيمة سالبة. فوق درجة حرارة الانتقال فائقة التوصيل الأصلية Tc لـ YBCO، يتغير المنحنى IV بشكل مختلف إلى حد ما مع درجة الحرارة (أسفل الشكل 3 أ). أولاً، ينتقل مركز دوران المنحنيات IV إلى الربع الأول. ثانيًا، يستمر المركبات العضوية المتطايرة في التناقص ويزداد Isc مع زيادة درجة الحرارة (أعلى الشكل 3 ب). ثالثًا، يزداد ميل المنحنيات IV خطيًا مع درجة الحرارة مما يؤدي إلى معامل درجة حرارة موجب لمقاومة YBCO (أسفل الشكل 3 ب).
الاعتماد على درجة الحرارة للخصائص الكهروضوئية لنظام لصق YBCO-Ag تحت إضاءة ليزر بقدرة 502 ميجاوات / سم2.
يتم وضع مركز بقعة الليزر حول أقطاب الكاثود (انظر الشكل 1 ط). أ، منحنيات IV تم الحصول عليها من 50 إلى 90 كلفن (أعلى) ومن 100 إلى 300 كلفن (أسفل) مع زيادة في درجة الحرارة قدرها 5 كلفن و20 كلفن، على التوالي. أقحم يظهر خصائص IV في درجات حرارة متعددة في الظلام. جميع المنحنيات تعبر نقطة الأصل. ب، جهد الدائرة المفتوحة Voc وتيار الدائرة القصيرة Isc (أعلى) والمقاومة التفاضلية، dV/dI، لـ YBCO (أسفل) كدالة لدرجة الحرارة. لم يتم إعطاء درجة حرارة الانتقال فائقة التوصيل للمقاومة الصفرية Tcp لأنها قريبة جدًا من Tc0.
يمكن التعرف على ثلاث درجات حرارة حرجة من الشكل 3 ب: Tcp، والتي تصبح فوقها YBCO غير فائقة التوصيل؛ Tc0، حيث يصبح كل من Voc وIsc صفرًا وTc، درجة حرارة الانتقال فائقة التوصيل الأصلية لـ YBCO دون تشعيع الليزر. أقل من Tcp ~ 55 K، يكون YBCO المشعع بالليزر في حالة فائقة التوصيل مع تركيز عالٍ نسبيًا من أزواج Cooper. يتمثل تأثير تشعيع الليزر في تقليل درجة حرارة انتقال الموصلية الفائقة للمقاومة الصفرية من 89 كلفن إلى ~ 55 كلفن (أسفل الشكل 3 ب) عن طريق تقليل تركيز زوج كوبر بالإضافة إلى إنتاج الجهد والتيار الكهروضوئي. تؤدي زيادة درجة الحرارة أيضًا إلى انهيار أزواج كوبر مما يؤدي إلى انخفاض الإمكانات في الواجهة. وبالتالي، فإن القيمة المطلقة للمركبات العضوية المتطايرة ستصبح أصغر، على الرغم من تطبيق نفس شدة إضاءة الليزر. ستصبح إمكانات الواجهة أصغر وأصغر مع زيادة درجة الحرارة وتصل إلى الصفر عند Tc0. لا يوجد أي تأثير كهروضوئي عند هذه النقطة الخاصة لأنه لا يوجد مجال داخلي لفصل أزواج ثقب الإلكترون الناتجة عن الصورة. يحدث انعكاس قطبية للجهد فوق درجة الحرارة الحرجة هذه حيث أن كثافة الشحنة الحرة في عجينة Ag أكبر من تلك الموجودة في YBCO والتي يتم نقلها تدريجياً مرة أخرى إلى مادة من النوع p. نريد هنا التأكيد على أن انعكاس قطبية Voc وIsc يحدث مباشرة بعد انتقال الموصلية الفائقة للمقاومة الصفرية، بغض النظر عن سبب التحول. تكشف هذه الملاحظة بوضوح، ولأول مرة، عن العلاقة بين الموصلية الفائقة والتأثيرات الكهروضوئية المرتبطة بإمكانية السطح البيني للموصل الفائق المعدني. لقد كانت طبيعة هذه الإمكانية عبر السطح البيني المعدني ذي الموصلية الفائقة محط اهتمام الأبحاث على مدار العقود العديدة الماضية، ولكن لا تزال هناك العديد من الأسئلة في انتظار الإجابة. قد يكون قياس التأثير الكهروضوئي وسيلة فعالة لاستكشاف التفاصيل (مثل قوتها وقطبيتها وما إلى ذلك) لهذه الإمكانات المهمة وبالتالي تسليط الضوء على تأثير القرب فائق التوصيل لدرجة الحرارة العالية.
تؤدي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة من Tc0 إلى Tc إلى تركيز أصغر لأزواج Cooper وتحسين في إمكانات الواجهة وبالتالي زيادة Voc. في Tc، يصبح تركيز زوج Cooper صفرًا وتصل إمكانات البناء في الواجهة إلى الحد الأقصى، مما يؤدي إلى الحد الأقصى من Voc والحد الأدنى من Isc. تتوافق الزيادة السريعة في Voc و Isc (القيمة المطلقة) في نطاق درجة الحرارة هذا مع انتقال الموصلية الفائقة الذي تم توسيعه من ΔT ~ 3 K إلى ~ 34 K بواسطة تشعيع الليزر بكثافة 502 ميجاوات / سم 2 (الشكل 3 ب). في الحالات الطبيعية فوق Tc، يتناقص جهد الدائرة المفتوحة Voc مع درجة الحرارة (أعلى الشكل 3 ب)، على غرار السلوك الخطي لـ Voc للخلايا الشمسية العادية القائمة على تقاطعات pn . على الرغم من أن معدل تغير المركبات العضوية المتطايرة مع درجة الحرارة (−dVoc/dT)، والذي يعتمد بشدة على كثافة الليزر، أصغر بكثير من الخلايا الشمسية العادية، فإن معامل درجة حرارة المركبات العضوية المتطايرة لوصلة YBCO-Ag له نفس الترتيب من حيث الحجم مثل ذلك من الخلايا الشمسية. يزداد تيار التسرب لوصلة pn لجهاز الخلايا الشمسية العادية مع زيادة درجة الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض المركبات العضوية المتطايرة مع ارتفاع درجة الحرارة. إن المنحنيات الخطية IV التي تمت ملاحظتها لنظام الموصل الفائق Ag هذا، نظرًا أولاً لإمكانية الواجهة الصغيرة جدًا وثانيًا الاتصال الخلفي للوصلتين المتغايرتين، تجعل من الصعب تحديد تيار التسرب. ومع ذلك، فمن المحتمل جدًا أن يكون نفس الاعتماد على درجة الحرارة لتيار التسرب هو المسؤول عن سلوك المركبات العضوية المتطايرة الذي لوحظ في تجربتنا. طبقاً للتعريف فإن Isc هو التيار اللازم لإنتاج جهد سلبي لتعويض Voc بحيث يكون الجهد الإجمالي صفراً. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يصبح المركبات العضوية المتطايرة أصغر، مما يقلل من الحاجة إلى تيار لإنتاج الجهد السالب. علاوة على ذلك، تزداد مقاومة YBCO خطيًا مع درجة حرارة أعلى من Tc (أسفل الشكل 3 ب)، مما يساهم أيضًا في القيمة المطلقة الأصغر لـ Isc عند درجات الحرارة المرتفعة.
لاحظ أنه تم الحصول على النتائج الواردة في الشكلين 2،3 عن طريق تشعيع الليزر في المنطقة المحيطة بأقطاب الكاثود. تم أيضًا تكرار القياسات باستخدام بقعة ليزر موضوعة عند الأنود ولوحظت خصائص IV مماثلة وخصائص كهروضوئية باستثناء أن قطبية Voc وIsc قد تم عكسها في هذه الحالة. تؤدي كل هذه البيانات إلى آلية التأثير الكهروضوئي، الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالواجهة بين الموصلات الفائقة والمعدن.
باختصار، تم قياس الخصائص الرابعة لنظام لصق YBCO-Ag فائق التوصيل المشع بالليزر كوظائف لدرجة الحرارة وكثافة الليزر. وقد لوحظ تأثير كهروضوئي ملحوظ في نطاق درجات الحرارة من 50 إلى 300 كلفن. وقد وجد أن الخواص الكهروضوئية ترتبط بقوة بالموصلية الفائقة لسيراميك YBCO. يحدث انعكاس قطبية Voc وIsc مباشرة بعد الانتقال من الموصلية الفائقة المستحثة بالصور إلى الانتقال غير فائق التوصيل. يُظهر الاعتماد على درجة حرارة Voc وIsc المقاسة بكثافة ليزر ثابتة أيضًا انعكاسًا واضحًا للقطبية عند درجة حرارة حرجة تصبح العينة فوقها مقاومة. من خلال تحديد موقع بقعة الليزر في جزء مختلف من العينة، نظهر أن هناك إمكانات كهربائية عبر الواجهة، والتي توفر قوة الفصل لأزواج ثقب الإلكترون المستحثة بالصور. يتم توجيه إمكانات الواجهة هذه من YBCO إلى القطب المعدني عندما يكون YBCO فائق التوصيل ويتحول إلى الاتجاه المعاكس عندما تصبح العينة غير فائقة التوصيل. قد يرتبط أصل الإمكانات بشكل طبيعي بتأثير القرب في واجهة الموصل الفائق المعدني عندما يكون YBCO فائق التوصيل ويقدر بحوالي 10−8 مللي فولت عند 50 كلفن مع كثافة ليزر تبلغ 502 ميجاوات / سم 2. يشكل ملامسة مادة YBCO من النوع p في الحالة الطبيعية مع مادة من النوع n Ag-paste تقاطعًا شبه pn وهو المسؤول عن السلوك الكهروضوئي لسيراميك YBCO عند درجات حرارة عالية. تسلط الملاحظات المذكورة أعلاه الضوء على التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBCO فائق التوصيل بدرجة الحرارة العالية وتمهد الطريق لتطبيقات جديدة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل كاشف الضوء السلبي السريع وكاشف الفوتون الفردي.
تم إجراء تجارب التأثير الكهروضوئي على عينة سيراميك YBCO بسماكة 0.52 مم وشكل مستطيل 8.64 × 2.26 مم ومضاءة بالليزر الأزرق الموجي المستمر (450 = 450 نانومتر) بحجم بقعة ليزر يبلغ نصف قطرها 1.25 مم. يتيح لنا استخدام عينة الأغشية السائبة وليس الرقيقة دراسة الخصائص الكهروضوئية للموصل الفائق دون الاضطرار إلى التعامل مع التأثير المعقد للركيزة6،7. علاوة على ذلك، يمكن أن تكون المادة السائبة مواتية لإجراءات التحضير البسيطة والتكلفة المنخفضة نسبيًا. يتم تماسك أسلاك الرصاص النحاسية في عينة YBCO مع عجينة فضية مكونة أربعة أقطاب كهربائية دائرية يبلغ قطرها حوالي 1 مم. المسافة بين قطبي الجهد حوالي 5 ملم. تم قياس الخصائص الرابعة للعينة باستخدام مقياس مغناطيسي لعينة الاهتزاز (VersaLab، Quantum Design) مع نافذة كريستال كوارتز. تم استخدام الطريقة القياسية بأربعة أسلاك للحصول على منحنيات IV. يظهر الشكل 1i المواضع النسبية للأقطاب الكهربائية وبقعة الليزر.
كيفية الاستشهاد بهذه المقالة : Yang، F. et al. أصل التأثير الكهروضوئي في السيراميك فائق التوصيل YBa2Cu3O6.96. الخيال العلمي. النائب 5، 11504؛ دوى: 10.1038 / srep11504 (2015).
Chang، CL، Kleinhammes، A.، Moulton، WG & Testardi، LR الفولتية المستحثة بالليزر المحظورة في YBa2Cu3O7. فيز. القس ب 41، 11564-11567 (1990).
Kwok، HS، Zheng، JP & Dong، SY أصل الإشارة الكهروضوئية الشاذة في Y-Ba-Cu-O. فيز. القس ب 43، 6270-6272 (1991).
Wang، LP، Lin، JL، Feng، QR & Wang، GW قياس الفولتية المستحثة بالليزر للموصلية الفائقة Bi-Sr-Ca-Cu-O. فيز. القس ب 46، 5773-5776 (1992).
تيت، كوالالمبور، وآخرون. الفولتية العابرة التي يسببها الليزر في أفلام درجة حرارة الغرفة لـ YBa2Cu3O7-x. تطبيق J. فيز. 67، 4375-4376 (1990).
Kwok، HS & Zheng، JP الاستجابة الكهروضوئية الشاذة في YBa2Cu3O7. فيز. القس ب 46، 3692-3695 (1992).
Muraoka، Y.، Muramatsu، T.، Yamaura، J. & Hiroi، Z. حقن حامل الثقب المولد ضوئيًا إلى YBa2Cu3O7−x في بنية متغايرة للأكسيد. تطبيق. فيز. بادئة رسالة. 85، 2950-2952 (2004).
أساكورا، D. وآخرون. دراسة الانبعاث الضوئي للأغشية الرقيقة YBa2Cu3Oy تحت الإضاءة الضوئية. فيز. القس ليت. 93، 247006 (2004).
يانغ، F. وآخرون. التأثير الكهروضوئي لـ YBa2Cu3O7-δ / SrTiO3: صلب متغاير Nb في ضغط جزئي مختلف للأكسجين. ماتر. بادئة رسالة. 130، 51-53 (2014).
أمينوف، بكالوريوس وآخرون. هيكل ثنائي الفجوة في بلورات مفردة Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. جيه سوبركوند. 7، 361-365 (1994).
Kabanov، VV، Demsar، J.، Podobnik، B. & Mihailovic، D. ديناميات استرخاء الجسيمات شبه في الموصلات الفائقة ذات هياكل الفجوة المختلفة: النظرية والتجارب على YBa2Cu3O7-δ. فيز. القس ب 59، 1497-1506 (1999).
Sun، JR، Xiong، CM، Zhang، YZ & Shen، BG تصحيح خصائص YBa2Cu3O7-δ / SrTiO3: الوصلة المتغايرة Nb. تطبيق. فيز. بادئة رسالة. 87، 222501 (2005).
Kamarás، K.، Porter، CD، Doss، MG، Herr، SL & Tanner، DB الامتصاص الاستثنائي والموصلية الفائقة في YBa2Cu3O7-δ. فيز. القس ليت. 59، 919-922 (1987).
Yu، G.، Heeger، AJ & Stucky، G. الموصلية الضوئية العابرة في بلورات مفردة شبه موصلة من YBa2Cu3O6.3: ابحث عن الحالة المعدنية المستحثة ضوئيًا والموصلية الفائقة المستحثة ضوئيًا. الدولة الصلبة المشتركة. 72، 345–349 (1989).
نموذج McMillan، WL Tunneling لتأثير القرب فائق التوصيل. فيز. القس 175، 537-542 (1968).
غيرون، S. وآخرون. تم اختبار تأثير القرب فائق التوصيل على مقياس طول مجهري. فيز. القس ليت. 77، 3025-3028 (1996).
Annunziata، G. & Manske، D. تأثير القرب مع الموصلات الفائقة غير المتماثلة. فيز. القس ب 86، 17514 (2012).
تشو، FM وآخرون. تأثير القرب فائق التوصيل القوي في الهياكل الهجينة Pb-Bi2Te3. الخيال العلمي. النائب 2، 339 (2012).
Chapin، DM، Fuller، CS & Pearson، GL خلية ضوئية جديدة من السيليكون لتحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية. تطبيق J. فيز. 25، 676-677 (1954).
تأثيرات Tomimoto، K. Impurity على طول التماسك فائق التوصيل في بلورات مفردة Zn- أو Ni-doped YBa2Cu3O6.9. فيز. القس ب 60، 114-117 (1999).
Ando، Y. & Segawa، K. Magnetoresistance of Untwinned YBa2Cu3Oy بلورات مفردة في مجموعة واسعة من المنشطات: الاعتماد الشاذ على تعاطي المنشطات لطول التماسك. فيز. القس ليت. 88، 167005 (2002).
Obertelli، SD & Cooper، JR علم النظم في الطاقة الحرارية للأكاسيد عالية T. فيز. القس ب 46، 14928-14931، (1992).
سوغاي، S. وآخرون. تحول الزخم المعتمد على كثافة الموجة الحاملة للذروة المتماسكة ووضع الفونون LO في الموصلات الفائقة عالية Tc من النوع p. فيز. القس ب 68، 184504 (2003).
نوجيما، T. وآخرون. تقليل الثقب وتراكم الإلكترون في الأغشية الرقيقة YBa2Cu3Oy باستخدام تقنية كهروكيميائية: دليل على الحالة المعدنية من النوع n. فيز. القس ب 84، 020502 (2011).
Tung، RT الفيزياء والكيمياء لارتفاع حاجز شوتكي. تطبيق. فيز. بادئة رسالة. 1، 011304 (2014).
Sai-Halasz، GA، Chi، CC، Denenstein، A. & Langenberg، DN تأثيرات كسر الزوج الخارجي الديناميكي في الأفلام فائقة التوصيل. فيز. القس ليت. 33، 215-219 (1974).
نيفا، G. وآخرون. تعزيز ضوئي للموصلية الفائقة. تطبيق. فيز. بادئة رسالة. 60، 2159-2161 (1992).
كودينوف، السادس وآخرون. الموصلية الضوئية المستمرة في أفلام YBa2Cu3O6+x كوسيلة للتصوير الضوئي نحو المراحل المعدنية والموصلية الفائقة. فيز. القس ب 14، 9017-9028 (1993).
مانكوفسكي، R. وآخرون. ديناميات الشبكة غير الخطية كأساس لتعزيز الموصلية الفائقة في YBa2Cu3O6.5. طبيعة 516، 71-74 (2014).
فوستي، D. وآخرون. الموصلية الفائقة الناجمة عن الضوء في كبريتات ذات أمر شريطي. العلوم 331، 189-191 (2011).
العدوي، عضو الكنيست و النعيم، IA الاعتماد الوظيفي لدرجة الحرارة للمركبات العضوية المتطايرة للخلية الشمسية فيما يتعلق بكفاءتها مقاربة جديدة. تحلية المياه 209، 91-96 (2007).
Vernon، SM & Anderson، WA تأثيرات درجة الحرارة في الخلايا الشمسية السيليكونية ذات حاجز شوتكي. تطبيق. فيز. بادئة رسالة. 26، 707 (1975).
Katz، EA، Faiman، D. & Tuladhar، SM الاعتماد على درجة الحرارة لمعلمات الجهاز الكهروضوئي للخلايا الشمسية البوليمر الفوليرين في ظل ظروف التشغيل. تطبيق J. فيز. 90، 5343-5350 (2002).
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 60571063)، ومشاريع البحوث الأساسية في مقاطعة خنان، الصين (المنحة رقم 122300410231).
كتب FY نص الورقة وأعد MYH عينة السيراميك YBCO. أجرى FY وMYH التجربة وقاموا بتحليل النتائج. قاد FGC المشروع والتفسير العلمي للبيانات. قام جميع المؤلفين بمراجعة المخطوطة.
هذا العمل مرخص بموجب رخصة المشاع الإبداعي 4.0 الدولية. تم تضمين الصور أو مواد الطرف الثالث الأخرى في هذه المقالة في ترخيص المشاع الإبداعي الخاص بالمقالة، ما لم تتم الإشارة إلى خلاف ذلك في حد الائتمان؛ إذا لم تكن المادة مدرجة ضمن ترخيص المشاع الإبداعي، فسيحتاج المستخدمون إلى الحصول على إذن من صاحب الترخيص لإعادة إنتاج المادة. لعرض نسخة من هذا الترخيص، قم بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang، F.، Han، M. & Chang، F. أصل التأثير الكهروضوئي في السيراميك فائق التوصيل YBa2Cu3O6.96. ممثل العلوم 5، 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
من خلال تقديم تعليق فإنك توافق على الالتزام بشروطنا وإرشادات المجتمع. إذا وجدت شيئًا مسيءًا أو لا يتوافق مع شروطنا أو إرشاداتنا، فيرجى وضع علامة عليه باعتباره غير لائق.
وقت النشر: 22 أبريل 2020