Gràcies per visitar nature.com. Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport limitat per a CSS. Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador més actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer). Mentrestant, per garantir un suport continuat, estem mostrant el lloc sense estils ni JavaScript.
Informem d'un efecte fotovoltaic notable en ceràmica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 i 300 K induït per il·luminació làser blau, que està directament relacionat amb la superconductivitat de YBCO i la interfície de l'elèctrode metàl·lic YBCO. Hi ha una inversió de polaritat per a la tensió de circuit obert Voc i el corrent de curtcircuit Isc quan YBCO passa d'un estat superconductor a un estat resistiu. Mostrem que existeix un potencial elèctric a través de la interfície de metall normal superconductor, que proporciona la força de separació per als parells d'electrons-forat fotoinduïts. Aquest potencial d'interfície es dirigeix de YBCO a l'elèctrode metàl·lic quan YBCO és superconductor i canvia a la direcció oposada quan YBCO esdevé no superconductor. L'origen del potencial es pot associar fàcilment amb l'efecte de proximitat a la interfície metall-superconductor quan YBCO és superconductor i s'estima que el seu valor és ~ 10–8 mV a 50 K amb una intensitat làser de 502 mW/cm2. La combinació d'un material de tipus p YBCO en estat normal amb un material de tipus n Ag-pasta forma una unió quasi-pn que és responsable del comportament fotovoltaic de la ceràmica YBCO a altes temperatures. Les nostres troballes poden obrir el camí a noves aplicacions de dispositius foton-electrònics i aportar més llum sobre l'efecte de proximitat a la interfície superconductor-metall.
La tensió fotoinduïda en superconductors d'alta temperatura s'ha informat a principis de la dècada de 1990 i s'ha investigat àmpliament des de llavors, però la seva naturalesa i mecanisme romanen inestables1,2,3,4,5. Les pel·lícules primes YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, en particular, s'estudien intensament en forma de cèl·lula fotovoltaica (PV) a causa del seu buit d'energia ajustable9,10,11,12,13. Tanmateix, l'alta resistència del substrat sempre condueix a una baixa eficiència de conversió del dispositiu i emmascara les propietats fotovoltaiques primàries de YBCO8. Aquí informem d'un efecte fotovoltaic notable induït per la il·luminació de làser blau (λ = 450 nm) en ceràmica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 i 300 K (Tc ~ 90 K). Mostrem que l'efecte PV està directament relacionat amb la superconductivitat de YBCO i la naturalesa de la interfície de l'elèctrode metàl·lic YBCO. Hi ha una inversió de polaritat per a la tensió de circuit obert Voc i el corrent de curtcircuit Isc quan YBCO experimenta una transició de la fase superconductora a un estat resistiu. Es proposa que existeix un potencial elèctric a través de la interfície superconductor-metall normal, que proporciona la força de separació per als parells d'electrons-forat fotoinduïts. Aquest potencial d'interfície es dirigeix des de YBCO a l'elèctrode metàl·lic quan YBCO és superconductor i canvia a la direcció oposada quan la mostra esdevé no superconductora. L'origen del potencial es pot associar de manera natural amb l'efecte de proximitat14,15,16,17 a la interfície metall-superconductor quan YBCO és superconductor i el seu valor s'estima en ~ 10−8 mV a 50 K amb una intensitat làser de 502 mW. /cm2. La combinació d'un material de tipus p YBCO en estat normal amb un material de tipus n Ag-pasta forma, molt probablement, una unió quasi-pn que és responsable del comportament PV de la ceràmica YBCO a altes temperatures. Les nostres observacions aporten més llum sobre l'origen de l'efecte fotovoltaic en la ceràmica superconductora YBCO d'alta temperatura i obren el camí per a la seva aplicació en dispositius optoelectrònics com el detector de llum passiu ràpid, etc.
La figura 1a–c mostra que les característiques IV de la mostra de ceràmica YBCO a 50 K. Sense il·luminació lleugera, la tensió a través de la mostra es manté a zero amb el corrent canviant, com es pot esperar d'un material superconductor. Un efecte fotovoltaic evident apareix quan el raig làser es dirigeix al càtode (Fig. 1a): les corbes IV paral·leles a l'eix I es mouen cap avall amb l'augment de la intensitat del làser. És evident que hi ha una tensió fotoinduïda negativa fins i tot sense cap corrent (sovint anomenada tensió de circuit obert Voc). El pendent zero de la corba IV indica que la mostra encara està superconductora sota il·luminació làser.
(a–c) i 300 K (e–g). Els valors de V (I) es van obtenir escombrant el corrent de -10 mA a +10 mA al buit. Només una part de les dades experimentals es presenten per motius de claredat. a, característiques de tensió actual de YBCO mesurades amb un punt làser situat al càtode (i). Totes les corbes IV són línies rectes horitzontals que indiquen que la mostra encara està superconductora amb irradiació làser. La corba es mou cap avall amb l'augment de la intensitat del làser, indicant que hi ha un potencial negatiu (Voc) entre els dos cables de tensió fins i tot amb un corrent zero. Les corbes IV romanen sense canvis quan el làser es dirigeix al centre de la mostra a l'èter 50 K (b) o 300 K (f). La línia horitzontal es mou cap amunt a mesura que s'il·lumina l'ànode (c). A d es mostra un model esquemàtic de la unió metall-superconductor a 50 K. Les característiques de tensió actual de YBCO en estat normal a 300 K mesurades amb un feix làser apuntat al càtode i a l'ànode es donen en e i g respectivament. En contrast amb els resultats a 50 K, el pendent diferent de zero de les rectes indica que YBCO està en estat normal; els valors de Voc varien amb la intensitat de la llum en una direcció oposada, indicant un mecanisme de separació de càrrega diferent. Una possible estructura d'interfície a 300 K es mostra a hj La imatge real de la mostra amb cables.
El YBCO ric en oxigen en estat superconductor pot absorbir gairebé tot l'espectre de la llum solar a causa de la seva bretxa d'energia molt petita (Eg) 9,10, creant així parells d'electrons-forat (e–h). Per produir una tensió de circuit obert Voc mitjançant l'absorció de fotons, és necessari separar espacialment els parells eh generats per fotons abans que es produeixi la recombinació18. El Voc negatiu, en relació amb el càtode i l'ànode, tal com s'indica a la figura 1i, suggereix que existeix un potencial elèctric a través de la interfície metall-superconductor, que escombra els electrons a l'ànode i els forats al càtode. Si aquest és el cas, també hi hauria d'haver un potencial que apunta des del superconductor fins a l'elèctrode metàl·lic a l'ànode. En conseqüència, s'obtindria un Voc positiu si s'il·lumina l'àrea de mostra prop de l'ànode. A més, no hi hauria d'haver voltatges fotoinduïts quan el punt làser s'apunta a zones allunyades dels elèctrodes. Certament és així com es pot veure a la figura 1b,c!.
Quan el punt de llum es mou des de l'elèctrode del càtode fins al centre de la mostra (uns 1,25 mm a part de les interfícies), no es pot observar cap variació de les corbes IV i no es pot observar cap Voc amb l'augment de la intensitat del làser fins al valor màxim disponible (Fig. 1b) . Naturalment, aquest resultat es pot atribuir a la vida útil limitada dels portadors fotoinduïts i a la manca de força de separació a la mostra. Es poden crear parells d'electrons-forat sempre que s'il·lumina la mostra, però la majoria dels parells e-h s'aniquilaran i no s'observa cap efecte fotovoltaic si el punt làser cau en zones allunyades de qualsevol dels elèctrodes. En moure el punt làser als elèctrodes de l'ànode, les corbes IV paral·leles a l'eix I es mouen cap amunt amb l'augment de la intensitat del làser (Fig. 1c). Hi ha un camp elèctric integrat similar a la unió metall-superconductor a l'ànode. Tanmateix, aquesta vegada l'elèctrode metàl·lic es connecta al cable positiu del sistema de prova. Els forats produïts pel làser s'empenyen al cable de l'ànode i, per tant, s'observa un Voc positiu. Els resultats que es presenten aquí proporcionen una forta evidència que efectivament existeix un potencial d'interfície que apunta des del superconductor fins a l'elèctrode metàl·lic.
L'efecte fotovoltaic a la ceràmica YBa2Cu3O6.96 a 300 K es mostra a la figura 1e–g. Sense il·luminació lleugera, la corba IV de la mostra és una línia recta que creua l'origen. Aquesta línia recta es mou cap amunt paral·lela a l'original amb l'augment de la intensitat del làser irradiant als cables del càtode (Fig. 1e). Hi ha dos casos límit d'interès per a un dispositiu fotovoltaic. La condició de curtcircuit es produeix quan V = 0. El corrent en aquest cas s'anomena corrent de curtcircuit (Isc). El segon cas límit és la condició de circuit obert (Voc) que es produeix quan R→∞ o el corrent és zero. La figura 1e mostra clarament que Voc és positiu i augmenta amb l'augment de la intensitat de la llum, en contrast amb el resultat obtingut a 50 K; mentre que s'observa que un Isc negatiu augmenta de magnitud amb la il·luminació lleugera, un comportament típic de les cèl·lules solars normals.
De la mateixa manera, quan el feix làser apunta a zones allunyades dels elèctrodes, la corba V (I) és independent de la intensitat del làser i no apareix cap efecte fotovoltaic (Fig. 1f). De manera semblant a la mesura a 50 K, les corbes IV es mouen en sentit contrari a mesura que s'irradia l'elèctrode de l'ànode (Fig. 1g). Tots aquests resultats obtinguts per a aquest sistema de pasta YBCO-Ag a 300 K amb làser irradiat a diferents posicions de la mostra són consistents amb un potencial d'interfície oposat a l'observat a 50 K.
La majoria dels electrons es condensen en parells de Cooper en YBCO superconductor per sota de la seva temperatura de transició Tc. Mentre es troba a l'elèctrode metàl·lic, tots els electrons romanen en forma singular. Hi ha un gran gradient de densitat tant per als electrons singulars com per als parells de Cooper a les proximitats de la interfície metall-superconductor. Els electrons singulars del portador majoritari en material metàl·lic es difondran a la regió superconductora, mentre que els parells de Cooper portadors majoritaris a la regió YBCO es difondran a la regió del metall. A mesura que els parells de Cooper porten més càrregues i tenen una mobilitat més gran que els electrons singulars es difonen des de YBCO a la regió metàl·lica, els àtoms carregats positivament queden enrere, donant lloc a un camp elèctric a la regió de càrrega espacial. La direcció d'aquest camp elèctric es mostra a l'esquema de la figura 1d. La il·luminació incidental de fotons a prop de la regió de càrrega espacial pot crear parells que seran separats i escombrats produint un fotocorrent en la direcció de polarització inversa. Tan bon punt els electrons surten del camp elèctric incorporat, es condensen en parells i flueixen a l'altre elèctrode sense resistència. En aquest cas, el Voc és oposat a la polaritat preestablerta i mostra un valor negatiu quan el raig làser apunta a l'àrea al voltant de l'elèctrode negatiu. A partir del valor de Voc, es pot estimar el potencial a través de la interfície: la distància entre els dos cables de tensió d és ~ 5 × 10−3 m, el gruix de la interfície metall-superconductor, di, hauria de ser del mateix ordre de magnitud com que la longitud de coherència del superconductor YBCO (~ 1 nm) 19,20, pren el valor de Voc = 0, 03 mV, s'avalua que el potencial Vms a la interfície metall-superconductor és ~ 10−11 V a 50 K amb una intensitat làser. de 502 mW/cm2, utilitzant l'equació,
Volem subratllar aquí que el voltatge fotoinduït no es pot explicar per efecte fototèrmic. S'ha establert experimentalment que el coeficient de Seebeck del superconductor YBCO és Ss = 021. El coeficient de Seebeck per als cables de coure està en el rang de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. La temperatura del cable de coure al punt làser es pot augmentar una petita quantitat de 0,06 K amb una intensitat màxima del làser disponible a 50 K. Això podria produir un potencial termoelèctric de 6,9 × 10−8 V que és tres ordres de magnitud més petit que el Voc obtingut a la figura 1 (a). És evident que l'efecte termoelèctric és massa petit per explicar els resultats experimentals. De fet, la variació de temperatura deguda a la irradiació làser desapareixeria en menys d'un minut de manera que la contribució de l'efecte tèrmic es pot ignorar amb seguretat.
Aquest efecte fotovoltaic de YBCO a temperatura ambient revela que aquí hi ha implicat un mecanisme de separació de càrrega diferent. El YBCO superconductor en estat normal és un material de tipus p amb forats com a portador de càrrega22,23, mentre que la pasta d'Ag metàl·lica té característiques d'un material de tipus n. De manera similar a les unions pn, la difusió d'electrons a la pasta de plata i els forats de la ceràmica YBCO formarà un camp elèctric intern apuntant a la ceràmica YBCO a la interfície (Fig. 1h). És aquest camp intern el que proporciona la força de separació i condueix a un Voc positiu i un Isc negatiu per al sistema de pasta YBCO-Ag a temperatura ambient, tal com es mostra a la figura 1e. Alternativament, Ag-YBCO podria formar una unió Schottky de tipus p que també condueix a un potencial d'interfície amb la mateixa polaritat que en el model presentat anteriorment24.
Per investigar el procés detallat d'evolució de les propietats fotovoltaiques durant la transició superconductora de YBCO, es van mesurar les corbes IV de la mostra a 80 K amb intensitats làser seleccionades il·luminant a l'elèctrode del càtode (Fig. 2). Sense irradiació làser, la tensió a través de la mostra es manté a zero independentment del corrent, indicant l'estat superconductor de la mostra a 80 K (Fig. 2a). De manera similar a les dades obtingudes a 50 K, les corbes IV paral·leles a l'eix I es mouen cap avall amb l'augment de la intensitat del làser fins que s'assoleix un valor crític Pc. Per sobre d'aquesta intensitat làser crítica (Pc), el superconductor experimenta una transició d'una fase superconductora a una fase resistiva; la tensió comença a augmentar amb el corrent a causa de l'aparició de resistència al superconductor. Com a resultat, la corba IV comença a tallar-se amb l'eix I i l'eix V donant lloc a un Voc negatiu i un Isc positiu al principi. Ara la mostra sembla estar en un estat especial en què la polaritat de Voc i Isc és extremadament sensible a la intensitat de la llum; amb un augment molt petit de la intensitat de la llum, Isc es converteix de positiu a negatiu i Voc de negatiu a positiu, passant l'origen (l'alta sensibilitat de les propietats fotovoltaiques, especialment el valor d'Isc, a la il·luminació de la llum es pot veure més clarament a la Fig. 2b). A la intensitat làser més alta disponible, les corbes IV pretenen ser paral·leles entre si, cosa que significa l'estat normal de la mostra YBCO.
El centre del punt làser es col·loca al voltant dels elèctrodes del càtode (vegeu la figura 1i). a, IV corbes de YBCO irradiades amb diferents intensitats làser. b (superior), dependència de la intensitat del làser de la tensió de circuit obert Voc i corrent de curtcircuit Isc. Els valors Isc no es poden obtenir a baixa intensitat de llum (< 110 mW/cm2) perquè les corbes IV són paral·leles a l'eix I quan la mostra està en estat superconductor. b (inferior), resistència diferencial en funció de la intensitat del làser.
La dependència de la intensitat del làser de Voc i Isc a 80 K es mostra a la figura 2b (a dalt). Les propietats fotovoltaiques es poden discutir en tres regions d'intensitat de llum. La primera regió està entre 0 i Pc, en la qual YBCO és superconductor, Voc és negatiu i disminueix (el valor absolut augmenta) amb la intensitat de la llum i arribant a un mínim a Pc. La segona regió és de Pc a una altra intensitat crítica P0, en la qual Voc augmenta mentre que Isc disminueix amb l'augment de la intensitat de la llum i tots dos arriben a zero a P0. La tercera regió està per sobre de P0 fins que s'arriba a l'estat normal de YBCO. Tot i que tant Voc com Isc varien amb la intensitat de la llum de la mateixa manera que a la regió 2, tenen polaritat oposada per sobre de la intensitat crítica P0. La importància de P0 rau en que no hi ha efecte fotovoltaic i el mecanisme de separació de càrrega canvia qualitativament en aquest punt concret. La mostra YBCO esdevé no superconductora en aquest rang d'intensitat de la llum, però encara no s'ha arribat a l'estat normal.
Clarament, les característiques fotovoltaiques del sistema estan estretament relacionades amb la superconductivitat de YBCO i la seva transició superconductora. La resistència diferencial, dV/dI, de YBCO es mostra a la figura 2b (a sota) en funció de la intensitat del làser. Com s'ha esmentat abans, el potencial elèctric incorporat a la interfície a causa dels punts de difusió del parell de Cooper del superconductor al metall. Similar a l'observat a 50 K, l'efecte fotovoltaic es millora amb l'augment de la intensitat del làser de 0 a Pc. Quan la intensitat del làser arriba a un valor lleugerament superior a Pc, la corba IV comença a inclinar-se i la resistència de la mostra comença a aparèixer, però la polaritat del potencial de la interfície encara no canvia. S'ha investigat l'efecte de l'excitació òptica sobre la superconductivitat a la regió visible o propera a l'IR. Si bé el procés bàsic és trencar els parells de Cooper i destruir la superconductivitat25,26, en alguns casos es pot millorar la transició de la superconductivitat27,28,29, fins i tot es poden induir noves fases de superconductivitat30. L'absència de superconductivitat a Pc es pot atribuir a la ruptura del parell fotoinduït. Al punt P0, el potencial a través de la interfície esdevé zero, cosa que indica que la densitat de càrrega a ambdós costats de la interfície arriba al mateix nivell sota aquesta intensitat particular d'il·luminació de llum. Un augment addicional de la intensitat del làser fa que es destrueixin més parells de Cooper i que YBCO es torni a transformar gradualment en un material de tipus p. En lloc de la difusió d'electrons i parells de Cooper, la característica de la interfície ara està determinada per la difusió d'electrons i forats, que condueix a una inversió de polaritat del camp elèctric a la interfície i, en conseqüència, a un Voc positiu (compareu la figura 1d, h). A una intensitat làser molt alta, la resistència diferencial de YBCO es satura fins a un valor corresponent a l'estat normal i tant Voc com Isc tendeixen a variar linealment amb la intensitat del làser (Fig. 2b). Aquesta observació revela que la irradiació làser a YBCO en estat normal ja no canviarà la seva resistivitat i la característica de la interfície superconductor-metall, sinó que només augmentarà la concentració dels parells electró-forat.
Per investigar l'efecte de la temperatura sobre les propietats fotovoltaiques, el sistema metall-superconductor es va irradiar al càtode amb làser blau d'intensitat de 502 mW/cm2. Les corbes IV obtingudes a temperatures seleccionades entre 50 i 300 K es mostren a la figura 3a. La tensió de circuit obert Voc, el corrent de curtcircuit Isc i la resistència diferencial es poden obtenir a partir d'aquestes corbes IV i es mostren a la figura 3b. Sense il·luminació de llum, totes les corbes IV mesurades a diferents temperatures passen l'origen com s'esperava (requadre de la figura 3a). Les característiques IV canvien dràsticament amb l'augment de la temperatura quan el sistema està il·luminat per un raig làser relativament fort (502 mW/cm2). A baixes temperatures les corbes IV són rectes paral·leles a l'eix I amb valors negatius de Voc. Aquesta corba es mou cap amunt amb l'augment de la temperatura i es converteix gradualment en una línia amb un pendent diferent de zero a una temperatura crítica Tcp (Fig. 3a (superior)). Sembla que totes les corbes característiques IV giren al voltant d'un punt del tercer quadrant. Voc augmenta d'un valor negatiu a un de positiu mentre que Isc disminueix d'un valor positiu a un negatiu. Per sobre de la temperatura de transició superconductora original Tc de YBCO, la corba IV canvia de manera força diferent amb la temperatura (a la part inferior de la figura 3a). En primer lloc, el centre de rotació de les corbes IV es mou al primer quadrant. En segon lloc, Voc continua disminuint i Isc augmenta amb l'augment de la temperatura (part superior de la figura 3b). En tercer lloc, el pendent de les corbes IV augmenta linealment amb la temperatura, donant lloc a un coeficient de resistència de temperatura positiu per a YBCO (part inferior de la figura 3b).
Dependència de la temperatura de les característiques fotovoltaiques per al sistema de pasta YBCO-Ag sota il·luminació làser de 502 mW/cm2.
El centre del punt làser es col·loca al voltant dels elèctrodes del càtode (vegeu la figura 1i). a, IV corbes obtingudes de 50 a 90 K (a dalt) i de 100 a 300 K (a baix) amb un increment de temperatura de 5 K i 20 K, respectivament. L'insert a mostra les característiques IV a diverses temperatures a la foscor. Totes les corbes creuen el punt d'origen. b, tensió de circuit obert Voc i corrent de curtcircuit Isc (a dalt) i la resistència diferencial, dV/dI, de YBCO (a baix) en funció de la temperatura. La temperatura de transició superconductora de resistència zero Tcp no es dóna perquè està massa a prop de Tc0.
A la figura 3b es poden reconèixer tres temperatures crítiques: Tcp, per sobre de la qual YBCO esdevé no superconductor; Tc0, en què tant Voc com Isc es converteixen en zero i Tc, la temperatura de transició superconductora d'inici original de YBCO sense irradiació làser. Per sota de Tcp ~ 55 K, el YBCO irradiat amb làser es troba en estat superconductor amb una concentració relativament alta de parells de Cooper. L'efecte de la irradiació làser és reduir la temperatura de transició superconductora de resistència zero de 89 K a ~ 55 K (part inferior de la figura 3b) reduint la concentració del parell de Cooper a més de produir tensió i corrent fotovoltaics. L'augment de la temperatura també descompone els parells de Cooper, donant lloc a un menor potencial a la interfície. En conseqüència, el valor absolut de Voc es reduirà, tot i que s'aplica la mateixa intensitat d'il·luminació làser. El potencial de la interfície es farà cada cop més petit amb un augment de la temperatura i arriba a zero a Tc0. No hi ha efecte fotovoltaic en aquest punt especial perquè no hi ha camp intern per separar els parells d'electrons-forat fotoinduïts. Es produeix una inversió de polaritat del potencial per sobre d'aquesta temperatura crítica, ja que la densitat de càrrega lliure de la pasta Ag és més gran que la de YBCO que es transfereix gradualment a un material de tipus p. Aquí volem subratllar que la inversió de polaritat de Voc i Isc es produeix immediatament després de la transició superconductora de resistència zero, independentment de la causa de la transició. Aquesta observació revela clarament, per primera vegada, la correlació entre la superconductivitat i els efectes fotovoltaics associats amb el potencial d'interfície metall-superconductor. La naturalesa d'aquest potencial a través de la interfície superconductor-metall normal ha estat un focus d'investigació durant les últimes dècades, però encara hi ha moltes preguntes pendents de resposta. La mesura de l'efecte fotovoltaic pot resultar ser un mètode eficaç per explorar els detalls (com la seva força i polaritat, etc.) d'aquest important potencial i, per tant, donar llum a l'efecte de proximitat superconductor a alta temperatura.
Un augment addicional de la temperatura de Tc0 a Tc condueix a una concentració menor de parells de Cooper i una millora en el potencial de la interfície i, en conseqüència, a un Voc més gran. A Tc, la concentració del parell de Cooper esdevé zero i el potencial incorporat a la interfície arriba a un màxim, resultant en Voc màxim i Isc mínim. El ràpid augment de Voc i Isc (valor absolut) en aquest rang de temperatura correspon a la transició superconductora que s'amplia de ΔT ~ 3 K a ~ 34 K per irradiació làser d'intensitat 502 mW/cm2 (Fig. 3b). En els estats normals per sobre de Tc, la tensió de circuit obert Voc disminueix amb la temperatura (part superior de la figura 3b), similar al comportament lineal de Voc per a les cèl·lules solars normals basades en les unions pn31,32,33. Tot i que la taxa de canvi de Voc amb la temperatura (−dVoc/dT), que depèn fortament de la intensitat del làser, és molt menor que la de les cèl·lules solars normals, el coeficient de temperatura de Voc per a la unió YBCO-Ag té el mateix ordre de magnitud que el de les cèl·lules solars. El corrent de fuga d'una unió pn per a un dispositiu de cèl·lula solar normal augmenta amb l'augment de la temperatura, donant lloc a una disminució de Voc a mesura que augmenta la temperatura. Les corbes IV lineals observades per a aquest sistema de superconductor Ag, a causa, en primer lloc, del potencial d'interfície molt reduït i, en segon lloc, de la connexió adossada de les dues heterounions, dificulta la determinació del corrent de fuga. No obstant això, sembla molt probable que la mateixa dependència de la temperatura del corrent de fuga sigui responsable del comportament de Voc observat al nostre experiment. Segons la definició, Isc és el corrent necessari per produir una tensió negativa per compensar Voc de manera que la tensió total sigui zero. A mesura que augmenta la temperatura, el Voc es fa més petit, de manera que es necessita menys corrent per produir la tensió negativa. A més, la resistència de YBCO augmenta linealment amb la temperatura per sobre de Tc (part inferior de la figura 3b), cosa que també contribueix al menor valor absolut d'Isc a altes temperatures.
Tingueu en compte que els resultats que es donen a les figures 2, 3 s'obtenen mitjançant la irradiació làser a l'àrea al voltant dels elèctrodes del càtode. També s'han repetit les mesures amb un punt làser posicionat a l'ànode i s'han observat característiques IV i propietats fotovoltaiques similars, excepte que la polaritat de Voc i Isc s'ha invertit en aquest cas. Totes aquestes dades condueixen a un mecanisme per a l'efecte fotovoltaic, que està estretament relacionat amb la interfície superconductor-metall.
En resum, les IV característiques del sistema de pasta superconductora YBCO-Ag irradiada amb làser s'han mesurat en funció de la temperatura i la intensitat del làser. S'ha observat un efecte fotovoltaic notable en el rang de temperatures de 50 a 300 K. Es troba que les propietats fotovoltaiques es correlacionen fortament amb la superconductivitat de la ceràmica YBCO. Una inversió de polaritat de Voc i Isc es produeix immediatament després de la transició superconductora a no superconductora induïda per la foto. La dependència de la temperatura de Voc i Isc mesurada a una intensitat làser fixa també mostra una inversió de polaritat diferent a una temperatura crítica per sobre de la qual la mostra es torna resistent. En localitzar el punt làser a una part diferent de la mostra, mostrem que existeix un potencial elèctric a través de la interfície, que proporciona la força de separació per als parells d'electrons-forat fotoinduïts. Aquest potencial d'interfície es dirigeix des de YBCO a l'elèctrode metàl·lic quan YBCO és superconductor i canvia a la direcció oposada quan la mostra esdevé no superconductora. L'origen del potencial pot estar associat de manera natural amb l'efecte de proximitat a la interfície metall-superconductor quan YBCO és superconductor i s'estima que és ~ 10−8 mV a 50 K amb una intensitat làser de 502 mW/cm2. El contacte d'un material de tipus p YBCO en estat normal amb un material de tipus n Ag-pasta forma una unió quasi-pn que és responsable del comportament fotovoltaic de la ceràmica YBCO a altes temperatures. Les observacions anteriors il·luminen l'efecte fotovoltaic en la ceràmica YBCO superconductora d'alta temperatura i obren el camí a noves aplicacions en dispositius optoelectrònics com el detector de llum passiu ràpid i el detector de fotó únic.
Els experiments d'efecte fotovoltaic es van realitzar en una mostra de ceràmica YBCO de 0, 52 mm de gruix i forma rectangular de 8, 64 × 2, 26 mm2 i il·luminada per làser blau d'ona contínua (λ = 450 nm) amb una mida de punt làser d'1, 25 mm de radi. L'ús de mostres a granel en lloc de pel·lícula prima ens permet estudiar les propietats fotovoltaiques del superconductor sense haver de fer front a la complexa influència del substrat6,7. A més, el material a granel podria ser propici per al seu procediment de preparació senzill i un cost relativament baix. Els cables de coure es coheren a la mostra YBCO amb pasta de plata formant quatre elèctrodes circulars d'uns 1 mm de diàmetre. La distància entre els dos elèctrodes de tensió és d'uns 5 mm. Les característiques IV de la mostra es van mesurar mitjançant el magnetòmetre de mostra de vibració (VersaLab, Quantum Design) amb una finestra de cristall de quars. Es va utilitzar el mètode estàndard de quatre fils per obtenir les corbes IV. Les posicions relatives dels elèctrodes i el punt làser es mostren a la figura 1i.
Com citar aquest article: Yang, F. et al. Origen de l'efecte fotovoltaic en ceràmiques superconductores YBa2Cu3O6.96. Ciència. Rep 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG i Testardi, LR Tensions induïdes per làser prohibides per simetria a YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP i Dong, SY Origen del senyal fotovoltaic anòmal a Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR i Wang, GW Mesura de voltatges induïts per làser de Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductors. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Tensions transitòries induïdes per làser en pel·lícules a temperatura ambient de YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS i Zheng, JP Resposta fotovoltaica anòmala a YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. i Hiroi, Z. Injecció de portador de forats fotogenerats a YBa2Cu3O7−x en una heteroestructura d'òxid. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Estudi de fotoemissió de pel·lícules primes YBa2Cu3Oy sota il·luminació lleugera. Phys. Reverent Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Efecte fotovoltaic de l'heterounió YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb recuit a diferents pressions parcials d'oxigen. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Estructura de dos buits en cristalls simples Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. i Mihailovic, D. Quasiparticle relaxation dynamics in superconductors with different gap structures: Theory and experiments on YBa2Cu3O7-δ . Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ i Shen, BG Propietats rectificadores de l'heterounió YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Exciton absorption and superconductivity in YBa2Cu3O7-δ . Phys. Reverent Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ i Stucky, G. Conductivitat fotoinduïda transitòria en cristalls únics semiconductors de YBa2Cu3O6.3: cerca d'estat metàl·lic fotoinduït i superconductivitat fotoinduïda. Comunitat d'estat sòlid. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Model de túnel de l'efecte de proximitat superconductor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Efecte de proximitat superconductor sondat a una escala de longitud mesoscòpica. Phys. Reverent Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efecte de proximitat amb superconductors no centrosimètrics. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Efecte de proximitat superconductor fort en estructures híbrides Pb-Bi2Te3. Ciència. Rep 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS i Pearson, GL Una nova fotocèl·lula d'unió de silici pn per convertir la radiació solar en energia elèctrica. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Efectes de la impuresa sobre la longitud de la coherència superconductora en cristalls simples YBa2Cu3O6.9 dopats amb Zn o Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistance of Untwined YBa2Cu3Oy single crystals in a wide range of dopage: dependència anòmala del dopatge del forat de la longitud de la coherència. Phys. Reverent Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD i Cooper, JR Sistemàtica en la potència termoelèctrica d'òxids d'alta T. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Desplaçament de l'impuls depenent de la densitat de la portadora del pic coherent i el mode de fonó LO en superconductors d'alt Tc de tipus p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Reducció de forats i acumulació d'electrons en pel·lícules primes YBa2Cu3Oy mitjançant una tècnica electroquímica: evidència d'un estat metàl·lic de tipus n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT La física i la química de l'alçada de la barrera Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efectes de la ruptura de parells externs dinàmics en pel·lícules superconductores. Phys. Reverent Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Millora de la superconductivitat fotoinduïda. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Fotoconductivitat persistent en pel·lícules YBa2Cu3O6+x com a mètode de fotodopatge cap a fases metàl·liques i superconductores. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Dinàmica de gelosia no lineal com a base per a una superconductivitat millorada en YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Superconductivitat induïda per la llum en un cuprat ordenat per ratlles. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK i Al-Nuaim, IA La dependència funcional de la temperatura dels COV per a una cèl·lula solar en relació amb el seu nou enfocament d'eficiència. Desalinització 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM i Anderson, WA Efectes de la temperatura a les cèl·lules solars de silici de barrera Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Dependència de la temperatura per als paràmetres del dispositiu fotovoltaic de cèl·lules solars de polímer-fullerè en condicions de funcionament. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Aquest treball ha comptat amb el suport de la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina (subvenció núm. 60571063), els projectes de recerca fonamental de la província de Henan, Xina (subvenció núm. 122300410231).
FY va escriure el text del document i MYH va preparar la mostra de ceràmica YBCO. FY i MYH van realitzar l'experiment i van analitzar els resultats. FGC va liderar el projecte i la interpretació científica de les dades. Tots els autors van revisar el manuscrit.
Aquesta obra està subjecta a una llicència internacional de Creative Commons Reconeixement 4.0. Les imatges o altres materials de tercers d'aquest article s'inclouen a la llicència Creative Commons de l'article, tret que s'indiqui el contrari a la línia de crèdit; si el material no està inclòs sota la llicència de Creative Commons, els usuaris hauran d'obtenir el permís del titular de la llicència per reproduir el material. Per veure una còpia d'aquesta llicència, visiteu http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. i Chang, F. Origen de l'efecte fotovoltaic en ceràmiques superconductores YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
En enviar un comentari, accepteu complir els nostres Termes i Directrius de la comunitat. Si trobeu alguna cosa abusiva o que no compleix els nostres termes o directrius, marqueu-ho com a inadequat.
Hora de publicació: 22-abril-2020