Dankon pro via vizito al nature.com. Vi uzas retumilan version kun limigita subteno por CSS. Por akiri la plej bonan sperton, ni rekomendas, ke vi uzu pli ĝisdatan retumilon (aŭ malŝaltu kongruecan reĝimon en Internet Explorer). Dume, por certigi daŭran subtenon, ni montras la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Ni raportas rimarkindan fotovoltaecan efikon en YBa2Cu3O6.96 (YBCO) ceramiko inter 50 kaj 300 K, induktita de blu-lasera lumigo, kiu estas rekte rilata al la superkonduktiveco de YBCO kaj la interfaco YBCO-metala elektrodo. Ekzistas polus-inversigo por la malfermcirkvita tensio Voc kaj kurtacirkvita kurento Isc kiam YBCO spertas transiron de superkonduktiva al rezista stato. Ni montras, ke ekzistas elektra potencialo trans la interfaco superkonduktiva-normala metalo, kiu provizas la apartigan forton por la foto-induktitaj elektron-truaj paroj. Ĉi tiu interfaca potencialo direktiĝas de YBCO al la metala elektrodo kiam YBCO estas superkonduktiva kaj ŝanĝas al la kontraŭa direkto kiam YBCO fariĝas ne-superkonduktiva. La origino de la potencialo povas esti facile asociita kun la proksimeca efiko ĉe la interfaco metalo-superkonduktiva kiam YBCO estas superkonduktiva kaj ĝia valoro estas taksita je ~10–8 mV je 50 K kun lasera intenseco de 502 mW/cm2. Kombino de p-tipa materialo YBCO en normala stato kun n-tipa materialo Ag-pasto formas kvazaŭ-pn-kruciĝon, kiu respondecas pri la fotovoltaika konduto de YBCO-ceramikaĵoj je altaj temperaturoj. Niaj rezultoj povas pavimi la vojon al novaj aplikoj de foton-elektronikaj aparatoj kaj plu klarigi la proksimecan efikon ĉe la interfaco inter superkonduktanto kaj metalo.
Foto-induktita tensio en alttemperaturaj superkondukantoj estis raportita en la fruaj 1990-aj jaroj kaj amplekse esplorita de tiam, tamen ĝia naturo kaj mekanismo restas neklarigitaj1,2,3,4,5. Maldikaj filmoj de YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, aparte, estas intense studitaj en la formo de fotovoltaecaj (PV) ĉeloj pro ĝia alĝustigebla energia breĉo9,10,11,12,13. Tamen, alta rezisto de la substrato ĉiam kondukas al malalta konverta efikeco de la aparato kaj maskas la primarajn PV-ecojn de YBCO8. Ĉi tie ni raportas rimarkindan fotovoltaecan efikon induktitan de blu-lasera (λ = 450 nm) lumigo en YBa2Cu3O6.96 (YBCO) ceramiko inter 50 kaj 300 K (Tc ~ 90 K). Ni montras, ke la PV-efiko estas rekte rilata al la superkonduktiveco de YBCO kaj la naturo de la interfaco inter YBCO kaj metala elektrodo. Ekzistas poluseco-inversigo por la malfermcirkvita tensio Voc kaj kurtacirkvita kurento Isc kiam YBCO spertas transiron de superkondukta fazo al rezista stato. Oni proponas, ke ekzistas elektra potencialo trans la superkondukta-normala metala interfaco, kiu provizas la apartigan forton por la foto-induktitaj elektron-truaj paroj. Ĉi tiu interfaca potencialo direktiĝas de YBCO al la metala elektrodo kiam YBCO estas superkondukta kaj ŝanĝas al la kontraŭa direkto kiam la specimeno fariĝas ne-superkondukta. La origino de la potencialo povas esti nature asociita kun la proksimeca efiko14,15,16,17 ĉe la metalo-superkondukta interfaco kiam YBCO estas superkondukta kaj ĝia valoro estas taksita je ~10−8 mV je 50 K kun lasera intenseco de 502 mW/cm2. Kombinaĵo de p-tipa materialo YBCO en normala stato kun n-tipa materialo Ag-pasto formas, plej verŝajne, kvazaŭ-pn-kruciĝon, kiu respondecas pri la PV-konduto de YBCO-ceramikaĵoj je altaj temperaturoj. Niaj observoj plu klarigas la originon de la PV-efiko en alttemperaturaj superkonduktaj YBCO-ceramikaĵoj kaj pavimas la vojon por ĝia apliko en optoelektronikaj aparatoj kiel rapidaj pasivaj lumdetektiloj ktp.
Figuro 1a–c montras la IV-karakterizaĵojn de YBCO-ceramika specimeno je 50 K. Sen luma lumigo, la tensio trans la specimeno restas nulo kun ŝanĝiĝanta kurento, kiel oni povas atendi de superkondukta materialo. Evidenta fotovoltaeca efiko aperas kiam lasera radio estas direktita al la katodo (Fig. 1a): la IV-kurboj paralelaj al la I-akso moviĝas malsupren kun kreskanta lasera intenseco. Estas evidente, ke ekzistas negativa foto-induktita tensio eĉ sen ia ajn kurento (ofte nomata malfermcirkvita tensio Voc). La nula deklivo de la IV-kurbo indikas, ke la specimeno ankoraŭ estas superkondukta sub lasera lumigo.
(a–c) kaj 300 K (e–g). Valoroj de V(I) estis akiritaj per balaado de la kurento de −10 mA ĝis +10 mA en vakuo. Nur parto de la eksperimentaj datumoj estas prezentitaj por klareco. a, Kurent-tensiaj karakterizaĵoj de YBCO mezuritaj per lasera punkto poziciigita ĉe la katodo (i). Ĉiuj IV-kurboj estas horizontalaj rektaj linioj, indikante ke la specimeno ankoraŭ estas superkondukta per lasera surradiado. La kurbo moviĝas malsupren kun kreskanta lasera intenseco, indikante ke ekzistas negativa potencialo (Voc) inter la du tensiaj konduktiloj eĉ kun nula kurento. La IV-kurboj restas senŝanĝaj kiam la lasero estas direktita al la centro de la specimeno je 50 K (b) aŭ 300 K (f). La horizontala linio moviĝas supren kiam la anodo estas lumigita (c). Skema modelo de metal-superkondukta kuniĝo je 50 K estas montrita en d. Kurent-tensiaj karakterizaĵoj de normala stato de YBCO je 300 K mezuritaj per lasera radio direktita al la katodo kaj anodo estas donitaj en e kaj g respektive. Kontraste al la rezultoj je 50 K, ne-nula deklivo de la rektaj linioj indikas, ke YBCO estas en normala stato; la valoroj de Voc varias laŭ lumintenseco en kontraŭa direkto, indikante malsaman ŝargan apartigmekanismon. Ebla interfaca strukturo je 300 K estas montrita en hj. La reala bildo de la specimeno kun konduktiloj.
Oksigenriĉa YBCO en superkondukta stato povas absorbi preskaŭ la tutan spektron de sunlumo pro sia tre malgranda energia breĉo (Eg)9,10, tiel kreante elektron-truajn parojn (e-h). Por produkti malfermcirkvitan tension Voc per sorbado de fotonoj, necesas space apartigi foto-generitajn eh-parojn antaŭ ol rekombinado okazas18. La negativa Voc, relative al la katodo kaj anodo, kiel indikite en Fig. 1i, sugestas, ke ekzistas elektra potencialo trans la metalo-superkondukta interfaco, kiu balaas la elektronojn al la anodo kaj truojn al la katodo. Se tio estas la kazo, ankaŭ devus ekzisti potencialo montranta de la superkondukto al la metala elektrodo ĉe la anodo. Sekve, pozitiva Voc estus akirita se la provaĵa areo proksime al la anodo estas lumigita. Krome, ne devus esti foto-induktitaj tensioj kiam la lasera punkto estas direktita al areoj malproksimaj de la elektrodoj. Tio certe estas la kazo, kiel videblas el Fig. 1b,c!.
Kiam la lumpunkto moviĝas de la katoda elektrodo al la centro de la specimeno (ĉirkaŭ 1.25 mm for de la interfacoj), neniu vario de la IV-kurboj kaj neniu Voc-efiko povas esti observitaj kun kreskanta lasera intenseco ĝis la maksimuma havebla valoro (Fig. 1b). Kompreneble, ĉi tiu rezulto povas esti atribuita al la limigita vivdaŭro de foto-induktitaj portantoj kaj la manko de apartiga forto en la specimeno. Elektron-truaj paroj povas esti kreitaj kiam ajn la specimeno estas lumigita, sed la plej multaj el la e-h paroj estos neniigitaj kaj neniu fotovoltaeca efiko estas observata se la lasera punkto falas sur areojn malproksimajn de iu ajn el la elektrodoj. Movante la laseran punkton al la anodaj elektrodoj, la IV-kurboj paralelaj al la I-akso moviĝas supren kun kreskanta lasera intenseco (Fig. 1c). Simila enkonstruita elektra kampo ekzistas en la metal-superkondukta kuniĝo ĉe la anodo. Tamen, la metala elektrodo konektiĝas al la pozitiva konduktilo de la testsistemo ĉi-foje. La truoj produktitaj de la lasero estas puŝitaj al la anoda konduktilo kaj tiel pozitiva Voc estas observata. La rezultoj prezentitaj ĉi tie provizas fortan pruvon, ke efektive ekzistas interfaca potencialo montranta de la superkondukanto al la metala elektrodo.
La fotovoltaeca efiko en YBa2Cu3O6.96 ceramikaĵo je 300 K estas montrita en Fig. 1e–g. Sen lumigo, la IV-kurbo de la specimeno estas rekta linio trairanta la originon. Ĉi tiu rekta linio moviĝas supren paralele al la originala kun kreskanta lasera intenseco surradianta ĉe la katodkonektiloj (Fig. 1e). Ekzistas du limigaj kazoj de intereso por fotovoltaeca aparato. La kurta cirkvito okazas kiam V = 0. La kurento en ĉi tiu kazo estas nomata la kurta cirkvita kurento (Isc). La dua limiga kazo estas la malfermcirkvita kondiĉo (Voc), kiu okazas kiam R→∞ aŭ la kurento estas nulo. Figuro 1e klare montras, ke Voc estas pozitiva kaj pliiĝas kun kreskanta lumintenseco, kontraste al la rezulto akirita je 50 K; dum negativa Isc estas observata pliiĝi en magnitudo kun lumigo, tipa konduto de normalaj sunĉeloj.
Simile, kiam la lasera radio estas direktita al areoj malproksimaj de la elektrodoj, la V(I) kurbo estas sendependa de la lasera intenseco kaj ne aperas fotovoltaeca efiko (Fig. 1f). Simile al la mezurado je 50 K, la IV-kurboj moviĝas en la kontraŭan direkton dum la anoda elektrodo estas surradiita (Fig. 1g). Ĉiuj ĉi tiuj rezultoj akiritaj por ĉi tiu YBCO-Ag-pasta sistemo je 300 K kun lasero surradiita ĉe malsamaj pozicioj de la specimeno kongruas kun interfaca potencialo kontraŭa al tiu observita je 50 K.
La plej multaj elektronoj kondensiĝas en Cooper-paroj en superkondukta YBCO sub ĝia transira temperaturo Tc. En la metala elektrodo, ĉiuj elektronoj restas en singulara formo. Ekzistas granda densecgradiento por kaj singularaj elektronoj kaj Cooper-paroj en la najbareco de la metal-superkondukta interfaco. Unuopaj elektronoj kun plimultaj portantoj en la metala materialo difuzos en la superkonduktan regionon, dum Cooper-paroj kun plimultaj portantoj en la YBCO-regiono difuzos en la metalan regionon. Ĉar Cooper-paroj portantaj pli da ŝargoj kaj havante pli grandan moveblecon ol singularaj elektronoj difuzas de YBCO en la metalan regionon, pozitive ŝargitaj atomoj restas, rezultante en elektra kampo en la spacŝarga regiono. La direkto de ĉi tiu elektra kampo estas montrita en la skemdiagramo Fig. 1d. Incida fotona lumigo proksime al la spacŝarga regiono povas krei parojn, kiuj estos apartigitaj kaj forbalaitaj, produktante fotofluon en la inversa polariga direkto. Tuj kiam la elektronoj eliras el la enkonstruita elektra kampo, ili kondensiĝas en parojn kaj fluas al la alia elektrodo sen rezisto. En ĉi tiu kazo, la Voc estas kontraŭa al la antaŭdifinita poluseco kaj montras negativan valoron kiam la lasera radio direktiĝas al la areo ĉirkaŭ la negativa elektrodo. El la valoro de Voc, oni povas taksi la potencialon trans la interfaco: la distanco inter la du tensiaj konduktiloj d estas ~5 × 10⁻³ m, la dikeco de la metalo-superkonduktila interfaco, di, devus esti la sama grandordo kiel la kohereclongo de YBCO-superkonduktilo (~1 nm)19,20, prenu la valoron de Voc = 0,03 mV, la potencialo Vms ĉe la metalo-superkonduktila interfaco estas taksita kiel ~10⁻¹ V je 50 K kun lasera intenseco de 502 mW/cm², uzante la ekvacion,
Ni volas emfazi ĉi tie, ke la foto-induktita tensio ne povas esti klarigita per fototermika efiko. Eksperimente estis establite, ke la Seebeck-koeficiento de superkonduktilo YBCO estas Ss = 021. La Seebeck-koeficiento por kupraj plumbaj dratoj estas en la intervalo de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. La temperaturo de la kupra drato ĉe la lasera punkto povas esti levita je malgranda kvanto de 0,06 K kun maksimuma lasera intenseco havebla je 50 K. Ĉi tio povus produkti termoelektran potencialon de 6,9 × 10⁻⁸ V, kiu estas tri ordojn de magnitudo pli malgranda ol la Voc akirita en Figuro 1 (a). Estas evidente, ke la termoelektra efiko estas tro malgranda por klarigi la eksperimentajn rezultojn. Fakte, la temperaturvario pro lasera surradiado malaperus en malpli ol unu minuto, tiel ke la kontribuo de la termika efiko povas esti sekure ignorata.
Ĉi tiu fotovoltaeca efiko de YBCO je ĉambra temperaturo montras, ke malsama ŝarga apartiga mekanismo estas implikita ĉi tie. Superkondukta YBCO en normala stato estas p-tipa materialo kun truoj kiel ŝargoportiloj22,23, dum metala Ag-pasto havas karakterizaĵojn de n-tipa materialo. Simile al pn-transiroj, la difuzo de elektronoj en la arĝenta pasto kaj truoj en YBCO-ceramikaĵo formos internan elektran kampon montrantan al la YBCO-ceramikaĵo ĉe la interfaco (Fig. 1h). Estas ĉi tiu interna kampo, kiu provizas la apartigan forton kaj kondukas al pozitiva Voc kaj negativa Isc por la YBCO-Ag-pasta sistemo je ĉambra temperaturo, kiel montrite en Fig. 1e. Alternative, Ag-YBCO povus formi p-tipan Schottky-transiron, kiu ankaŭ kondukas al interfaca potencialo kun la sama poluseco kiel en la modelo prezentita supre24.
Por esplori la detalan evoluan procezon de la fotovoltaikaj ecoj dum la superkondukta transiro de YBCO, oni mezuris IV-kurbojn de la specimeno je 80 K kun elektitaj laseraj intensecoj lumigantaj la katodan elektrodon (Fig. 2). Sen lasera surradiado, la tensio trans la specimeno restas nula sendepende de la kurento, indikante la superkonduktan staton de la specimeno je 80 K (Fig. 2a). Simile al la datumoj akiritaj je 50 K, IV-kurboj paralelaj al la I-akso moviĝas malsupren kun kreskanta lasera intenseco ĝis kiam oni atingas kritikan valoron Pc. Super ĉi tiu kritika lasera intenseco (Pc), la superkondukanto spertas transiron de superkondukta fazo al rezista fazo; la tensio komencas pliiĝi kun la kurento pro la apero de rezisto en la superkondukanto. Rezulte, la IV-kurbo komencas intersekci kun la I-akso kaj la V-akso, kondukante komence al negativa Voc kaj pozitiva Isc. Nun la specimeno ŝajnas esti en speciala stato, en kiu la poluseco de Voc kaj Isc estas ekstreme sentema al lumintenseco; kun tre malgranda pliiĝo de lumintenseco, Isc estas konvertita de pozitiva al negativa kaj Voc de negativa al pozitiva valoro, pasante la originon (la alta sentemo de fotovoltaecaj ecoj, precipe la valoro de Isc, al lumlumo videblas pli klare en Fig. 2b). Ĉe la plej alta disponebla laserintenseco, la IV-kurboj celas esti paralelaj unu kun la alia, signifante la normalan staton de la YBCO-specimeno.
La centro de la lasera punkto estas poziciigita ĉirkaŭ la katod-elektrodoj (vidu Fig. 1i). a, IV-kurboj de YBCO surradiita per malsamaj laseraj intensecoj. b (supre), Lasera intenseca dependeco de malfermcirkvita tensio Voc kaj kurtacirkvita kurento Isc. La Isc-valoroj ne povas esti akiritaj ĉe malalta lumintenseco (< 110 mW/cm2) ĉar la IV-kurboj estas paralelaj al la I-akso kiam la specimeno estas en superkondukta stato. b (malsupre), diferenciala rezisto kiel funkcio de lasera intenseco.
La dependeco de Voc kaj Isc de la lasera intenseco je 80 K estas montrita en Fig. 2b (supre). La fotovoltaikaj ecoj povas esti diskutitaj en tri regionoj de lumintenseco. La unua regiono estas inter 0 kaj Pc, en kiu YBCO estas superkondukta, Voc estas negativa kaj malpliiĝas (absoluta valoro pliiĝas) kun lumintenseco kaj atingante minimumon ĉe Pc. La dua regiono estas de Pc ĝis alia kritika intenseco P0, en kiu Voc pliiĝas dum Isc malpliiĝas kun kreskanta lumintenseco kaj ambaŭ atingas nulon ĉe P0. La tria regiono estas super P0 ĝis kiam normala stato de YBCO estas atingita. Kvankam kaj Voc kaj Isc varias laŭ lumintenseco same kiel en regiono 2, ili havas kontraŭan polusecon super la kritika intenseco P0. La signifo de P0 kuŝas en tio, ke ne ekzistas fotovoltaika efiko kaj la ŝarga apartiga mekanismo ŝanĝiĝas kvalite ĉe ĉi tiu aparta punkto. La YBCO-specimeno fariĝas ne-superkondukta en ĉi tiu intervalo de lumintenseco, sed la normala stato ankoraŭ ne estas atingita.
Klare, la fotovoltaecaj karakterizaĵoj de la sistemo estas proksime rilataj al la superkonduktiveco de YBCO kaj ĝia superkonduktiva transiro. La diferenciga rezisto, dV/dI, de YBCO estas montrita en Fig. 2b (sube) kiel funkcio de la lasera intenseco. Kiel menciite antaŭe, la enkonstruita elektra potencialo en la interfaco pro la difuzaj punktoj de Cooper-paroj de la superkonduktivo al la metalo. Simile al tio observita je 50 K, la fotovoltaeca efiko plifortiĝas kun kreskanta lasera intenseco de 0 ĝis Pc. Kiam la lasera intenseco atingas valoron iomete super Pc, la IV-kurbo komencas kliniĝi kaj la rezisto de la specimeno komencas aperi, sed la poluseco de la interfaca potencialo ankoraŭ ne ŝanĝiĝis. La efiko de optika ekscito sur la superkonduktiveco estis esplorita en la videbla aŭ preskaŭ-IR-regiono. Dum la baza procezo estas rompi la Cooper-parojn kaj detrui la superkonduktivecon25,26, en iuj kazoj la superkonduktiva transiro povas esti plifortigita27,28,29, novaj fazoj de superkonduktiveco eĉ povas esti induktitaj30. La foresto de superkonduktiveco ĉe Pc povas esti atribuita al la foto-induktita para rompiĝo. Ĉe la punkto P0, la potencialo trans la interfaco fariĝas nulo, indikante ke la ŝarga denseco ambaŭflanke de la interfaco atingas la saman nivelon sub ĉi tiu aparta intenseco de lumigado. Plia pliiĝo de la lasera intenseco rezultas en pli da Cooper-paroj estantaj detruitaj kaj YBCO iom post iom transformiĝas reen al p-tipa materialo. Anstataŭ elektrona kaj Cooper-para difuzo, la trajto de la interfaco nun estas determinita per elektrona kaj trua difuzo, kiu kondukas al polusa inversigo de la elektra kampo en la interfaco kaj sekve pozitiva Voc (komparu Fig. 1d,h). Ĉe tre alta lasera intenseco, la diferenciga rezisto de YBCO saturiĝas al valoro korespondanta al la normala stato kaj kaj Voc kaj Isc emas varii linie kun la lasera intenseco (Fig. 2b). Ĉi tiu observado malkaŝas, ke lasera surradiado sur normalstata YBCO jam ne ŝanĝos ĝian rezistecon kaj la trajto de la superkonduktilo-metala interfaco, sed nur pliigos la koncentriĝon de la elektronaj-truaj paroj.
Por esplori la efikon de temperaturo sur la fotovoltaikajn ecojn, la metal-superkondukanta sistemo estis surradiita ĉe la katodo per blua lasero kun intenseco 502 mW/cm². IV-kurboj akiritaj ĉe elektitaj temperaturoj inter 50 kaj 300 K estas donitaj en Fig. 3a. La malfermcirkvita tensio Voc, kurtacirkvita kurento Isc kaj la diferenciga rezisto povas tiam esti akiritaj el ĉi tiuj IV-kurboj kaj estas montritaj en Fig. 3b. Sen luma lumigo, ĉiuj IV-kurboj mezuritaj ĉe malsamaj temperaturoj pasas la originon kiel atendate (enmetita bildo de Fig. 3a). La IV-karakterizaĵoj ŝanĝiĝas draste kun kreskanta temperaturo kiam la sistemo estas lumigita per relative forta lasera radio (502 mW/cm²). Ĉe malaltaj temperaturoj la IV-kurboj estas rektaj linioj paralelaj al la I-akso kun negativaj valoroj de Voc. Ĉi tiu kurbo moviĝas supren kun kreskanta temperaturo kaj iom post iom transformiĝas en linion kun ne-nula deklivo ĉe kritika temperaturo Tcp (Fig. 3a (supre)). Ŝajnas, ke ĉiuj IV-karakterizaĵaj kurboj rotacias ĉirkaŭ punkto en la tria kvadranto. Voc pliiĝas de negativa valoro al pozitiva, dum Isc malpliiĝas de pozitiva al negativa valoro. Super la originala superkondukta transira temperaturo Tc de YBCO, la IV-kurbo ŝanĝiĝas sufiĉe malsame kun temperaturo (malsupro de Fig. 3a). Unue, la rotacia centro de la IV-kurboj moviĝas al la unua kvadranto. Due, Voc daŭre malpliiĝas kaj Isc pliiĝas kun kreskanta temperaturo (supro de Fig. 3b). Trie, la deklivo de la IV-kurboj pliiĝas linie kun temperaturo, rezultante en pozitiva temperaturkoeficiento de rezisto por YBCO (malsupro de Fig. 3b).
Temperatura dependeco de fotovoltaikaj karakterizaĵoj por YBCO-Ag-pastsistemo sub 502 mW/cm² lasera lumigo.
La centro de la lasera punkto estas poziciigita ĉirkaŭ la katod-elektrodoj (vidu Fig. 1i). a, IV-kurboj akiritaj de 50 ĝis 90 K (supre) kaj de 100 ĝis 300 K (sube) kun temperaturpliiĝo de 5 K kaj 20 K, respektive. La enmetitaĵo a montras IV-karakterizaĵojn je pluraj temperaturoj en mallumo. Ĉiuj kurboj transiras la originpunkton. b, malfermcirkvita tensio Voc kaj kurtcirkvita kurento Isc (supre) kaj la diferenciga rezisto, dV/dI, de YBCO (sube) kiel funkcio de temperaturo. La nulrezistanca superkondukta transira temperaturo Tcp ne estas donita ĉar ĝi estas tro proksima al Tc0.
Tri kritikaj temperaturoj rekoneblas el Fig. 3b: Tcp, super kiu YBCO fariĝas ne-superkondukta; Tc0, ĉe kiu kaj Voc kaj Isc fariĝas nulo, kaj Tc, la originala komenca superkondukta transira temperaturo de YBCO sen lasera surradiado. Sub Tcp ~ 55 K, la lasere surradiita YBCO estas en superkondukta stato kun relative alta koncentriĝo de Cooper-paroj. La efiko de lasera surradiado estas redukti la nul-rezistancan superkonduktan transiran temperaturon de 89 K al ~55 K (malsupro de Fig. 3b) per redukto de la Cooper-parkoncentriĝo, krom produkti fotovoltaikan tension kaj kurenton. Pliiĝanta temperaturo ankaŭ malkonstruas la Cooper-parojn, kondukante al pli malalta potencialo en la interfaco. Sekve, la absoluta valoro de Voc fariĝos pli malgranda, kvankam la sama intenseco de lasera lumigo estas aplikata. La interfaca potencialo fariĝos pli kaj pli malgranda kun plia pliiĝo de temperaturo kaj atingos nulon ĉe Tc0. Ne estas fotovoltaika efiko ĉe ĉi tiu speciala punkto, ĉar ne ekzistas interna kampo por apartigi la foto-induktitajn elektron-truajn parojn. Polareca inversigo de la potencialo okazas super ĉi tiu kritika temperaturo, ĉar la libera ŝarga denseco en Ag-pasto estas pli granda ol tiu en YBCO, kiu iom post iom transdoniĝas reen al p-tipa materialo. Ĉi tie ni volas emfazi, ke la polureca inversigo de Voc kaj Isc okazas tuj post la nul-rezistanca superkondukta transiro, sendepende de la kaŭzo de la transiro. Ĉi tiu observado klare malkaŝas, por la unua fojo, la korelacion inter superkonduktiveco kaj la fotovoltaikaj efikoj asociitaj kun la metal-superkondukta interfaca potencialo. La naturo de ĉi tiu potencialo trans la superkondukta-normala metala interfaco estis esplora fokuso dum la lastaj jardekoj, sed multaj demandoj ankoraŭ atendas respondon. Mezurado de la fotovoltaika efiko povus esti efika metodo por esplori la detalojn (kiel ĝia forto kaj poluseco ktp.) de ĉi tiu grava potencialo kaj tiel klarigi la alt-temperaturan superkonduktan proksimecan efikon.
Plia plialtiĝo de temperaturo de Tc0 al Tc kondukas al pli malgranda koncentriĝo de Cooper-paroj kaj plifortigo de la interfaca potencialo kaj sekve pli granda Voc. Ĉe Tc la koncentriĝo de Cooper-paroj fariĝas nulo kaj la enkonstruita potencialo ĉe la interfaco atingas maksimumon, rezultante en maksimuma Voc kaj minimuma Isc. La rapida plialtiĝo de Voc kaj Isc (absoluta valoro) en ĉi tiu temperaturintervalo korespondas al la superkondukta transiro, kiu plilarĝiĝas de ΔT ~ 3 K al ~34 K per lasera surradiado kun intenseco de 502 mW/cm2 (Fig. 3b). En la normalaj statoj super Tc, la malfermcirkvita tensio Voc malpliiĝas kun temperaturo (supro de Fig. 3b), simile al la lineara konduto de Voc por normalaj sunĉeloj bazitaj sur pn-krucvojoj31,32,33. Kvankam la ŝanĝrapideco de Voc kun temperaturo (−dVoc/dT), kiu forte dependas de la lasera intenseco, estas multe pli malgranda ol tiu de normalaj sunĉeloj, la temperaturkoeficiento de Voc por YBCO-Ag-krucvojo havas la saman grandordon kiel tiu de la sunĉeloj. La elflua kurento de pn-krucvojo por normala sunĉela aparato pliiĝas kun kreskanta temperaturo, kondukante al malpliiĝo de Voc kiam la temperaturo pliiĝas. La linearaj IV-kurboj observitaj por ĉi tiu Ag-superkondukanta sistemo, pro unue la tre malgranda interfaca potencialo kaj due la dors-al-dorsa konekto de la du heterokrucvojoj, malfaciligas determini la elfluan kurenton. Tamen, ŝajnas tre probable, ke la sama temperaturdependeco de la elflua kurento respondecas pri la Voc-konduto observita en nia eksperimento. Laŭ la difino, Isc estas la kurento bezonata por produkti negativan tension por kompensi Voc tiel ke la totala tensio estas nulo. Kiam la temperaturo pliiĝas, Voc fariĝas pli malgranda tiel ke malpli da kurento estas bezonata por produkti la negativan tension. Krome, la rezisto de YBCO pliiĝas linie kun temperaturo super Tc (fundo de Fig. 3b), kio ankaŭ kontribuas al la pli malgranda absoluta valoro de Isc ĉe altaj temperaturoj.
Rimarku, ke la rezultoj donitaj en Figuroj 2,3 estas akiritaj per lasera surradiado ĉe la areo ĉirkaŭ katodelektrodoj. Mezuradoj ankaŭ estis ripetitaj kun lasera punkto poziciigita ĉe anodo kaj similaj IV-karakterizaĵoj kaj fotovoltaecaj ecoj estis observitaj, escepte ke la poluseco de Voc kaj Isc estis inversigita en ĉi tiu kazo. Ĉiuj ĉi tiuj datumoj kondukas al mekanismo por la fotovoltaeca efiko, kiu estas proksime rilata al la interfaco inter superkonduktanto kaj metalo.
Resumante, la IV-karakterizaĵoj de lasere surradiita superkondukta YBCO-Ag-pastsistemo estis mezuritaj kiel funkcioj de temperaturo kaj lasera intenseco. Rimarkinda fotovoltaika efiko estis observita en la temperaturintervalo de 50 ĝis 300 K. Oni trovis, ke la fotovoltaikaj ecoj forte korelacias kun la superkonduktiveco de YBCO-ceramikaĵoj. Polareca inversigo de Voc kaj Isc okazas tuj post la foto-induktita superkondukta al ne-superkondukta transiro. Temperatura dependeco de Voc kaj Isc mezurita ĉe fiksa lasera intenseco montras ankaŭ klaran polurecan inversigon ĉe kritika temperaturo super kiu la specimeno fariĝas rezista. Lokigante la laseran punkton en malsama parto de la specimeno, ni montras, ke ekzistas elektra potencialo trans la interfaco, kiu provizas la apartigan forton por la foto-induktitaj elektron-truaj paroj. Ĉi tiu interfaca potencialo direktas de YBCO al la metala elektrodo kiam YBCO estas superkondukta kaj ŝanĝas al la kontraŭa direkto kiam la specimeno fariĝas ne-superkondukta. La origino de la potencialo povas esti nature asociita kun la proksimeca efiko ĉe la metalo-superkondukanta interfaco kiam YBCO estas superkondukanta kaj estas taksita je ~10−8 mV je 50 K kun lasera intenseco de 502 mW/cm2. Kontakto de p-tipa materialo YBCO en normala stato kun n-tipa materialo Ag-pasto formas kvazaŭ-pn-kruciĝon, kiu respondecas pri la fotovoltaika konduto de YBCO-ceramikaĵoj je altaj temperaturoj. La supraj observoj lumigas la PV-efikon en alttemperaturaj superkonduktaj YBCO-ceramikaĵoj kaj pavimas la vojon al novaj aplikoj en optoelektronikaj aparatoj kiel rapida pasiva lumdetektilo kaj unuopa fotona detektilo.
La eksperimentoj pri fotovoltaeca efiko estis faritaj sur YBCO-ceramika provaĵo kun dikeco de 0,52 mm kaj rektangula formo de 8,64 × 2,26 mm², lumigita per kontinua onda blua lasero (λ = 450 nm) kun lasera punktograndeco de radiuso de 1,25 mm. La uzo de groca anstataŭ maldika filmoprovaĵo ebligas al ni studi la fotovoltaecajn ecojn de la superkonduktanto sen devi trakti la kompleksan influon de la substrato6,7. Krome, la groca materialo povus esti favora por ĝia simpla preparproceduro kaj relative malalta kosto. La kupraj konduktaj dratoj estas kunligitaj sur la YBCO-provaĵo kun arĝenta pasto, formante kvar cirklajn elektrodojn ĉirkaŭ 1 mm en diametro. La distanco inter la du tensielektrodoj estas ĉirkaŭ 5 mm. La IV-karakterizaĵoj de la provaĵo estis mezuritaj uzante la vibran provaĵmagnetmezurilon (VersaLab, Quantum Design) kun kvarckristala fenestro. Norma kvar-drata metodo estis uzata por akiri la IV-kurbojn. La relativaj pozicioj de la elektrodoj kaj la lasera punkto estas montritaj en Fig. 1i.
Kiel citi ĉi tiun artikolon: Yang, F. et al. Origino de fotovoltaika efiko en superkonduktaj YBa2Cu3O6.96 ceramikaĵoj. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Simetri-malpermesitaj laser-induktitaj tensioj en YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Origino de la anomalia fotovoltaika signalo en Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Mezurado de laser-induktitaj tensioj de superkondukta Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Pasemaj laser-induktitaj tensioj en ĉambratemperaturaj filmoj de YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP. Nenormala fotovoltaeca respondo en YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenerita injekto de truoportanto al YBa2Cu3O7−x en oksida heterostrukturo. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Fotoemisia studo de YBa2Cu3Oy maldikaj filmoj sub luma lumigo. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotovoltaeca efiko de YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunkcio kalcinigita en malsamaj oksigenaj partaj premoj. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Du-interspaco-strukturo en Yb(Y)Ba2Cu3O7-x unuopaj kristaloj. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kvazaŭpartikla malstreĉiĝa dinamiko en superkondukantoj kun malsamaj interspacaj strukturoj: Teorio kaj eksperimentoj pri YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Rektifikaj ecoj de la YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunkcio. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Ekscitona sorbado kaj superkonduktiveco en YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Pasema fotoinduktita konduktiveco en duonkonduktaj unuopaj kristaloj de YBa2Cu3O6.3: serĉo por fotoinduktita metala stato kaj por fotoinduktita superkonduktiveco. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunela modelo de la superkondukta proksimeca efiko. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Superkondukta proksimeca efiko esplorita sur mezoskopa longoskalo. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Proksimeca efiko kun necentrosimetriaj superkondukantoj. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Forta superkondukta proksimeca efiko en Pb-Bi2Te3 hibridaj strukturoj. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Nova silicia pn-transira fotoĉelo por konverti sunan radiadon en elektran energion. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Malpuraĵaj efikoj sur la superkonduktan koherecan longon en Zn- aŭ Ni-dopitaj YBa2Cu3O6.9 unuopaj kristaloj. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetorezisto de Neplektitaj YBa2Cu3Oy unuopaj kristaloj en vasta gamo de dopado: anomalia truo-dopada dependeco de la kohereclongo. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematiko pri la termoelektra povo de alt-T, oksidoj. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Ŝovo de la momentumo dependa de la kohera pinto kaj la LO-fonona reĝimo en p-tipaj alt-Tc-superkondukantoj. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Truoredukto kaj elektronamasiĝo en maldikaj filmoj de YBa2Cu3Oy uzante elektrokemian teknikon: Indikoj por n-tipa metala stato. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT La fiziko kaj kemio de la alteco de la Schottky-barilo. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efikoj de Dinamika Ekstera Parrompo en Superkonduktaj Filmoj. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotoinduktita plifortigo de superkonduktiveco. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Persista fotokonduktiveco en YBa2Cu3O6+x filmoj kiel metodo de fotodopado al metalaj kaj superkonduktivaj fazoj. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Nelineara krada dinamiko kiel bazo por plibonigita superkonduktiveco en YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Lum-induktita superkonduktiveco en stri-ordigita kuprato. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA La temperatur-funkcia dependeco de VOC por sunĉelo rilate al ĝia efikeco: nova aliro. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperaturaj efikoj en sunĉeloj kun Schottky-bariero kaj siliciaj ĉeloj. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperatura dependeco por la fotovoltaecaj aparataj parametroj de polimero-fulerenaj sunĉeloj sub funkciaj kondiĉoj. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Ĉi tiun laboron subtenis la Nacia Naturscienca Fonduso de Ĉinio (Stipendio n-ro 60571063), kaj la Fundamentaj Esplorprojektoj de la provinco Henano, Ĉinio (Stipendio n-ro 122300410231).
FY verkis la tekston de la artikolo kaj MYH preparis la ceramikan specimenon de YBCO. FY kaj MYH faris la eksperimenton kaj analizis la rezultojn. FGC gvidis la projekton kaj la sciencan interpreton de la datumoj. Ĉiuj aŭtoroj reviziis la manuskripton.
Ĉi tiu verko estas disponebla laŭ permesilo Krea Komunaĵo Atribuite 4.0 Internacia. La bildoj aŭ alia triaparta materialo en ĉi tiu artikolo estas inkluzivitaj en la permesilo Krea Komunaĵo de la artikolo, krom se alie indikite en la kreditlinio; se la materialo ne estas inkluzivita sub la permesilo Krea Komunaĵo, uzantoj devos akiri permeson de la licencposedanto por reprodukti la materialon. Por vidi kopion de ĉi tiu permesilo, vizitu http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Origino de fotovoltaeca efiko en superkonduktaj YBa2Cu3O6.96 ceramikaĵoj. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Per sendado de komento vi konsentas obei niajn Kondiĉojn kaj Komunumajn Gvidliniojn. Se vi trovas ion ofendan aŭ ne konforman al niaj kondiĉoj aŭ gvidlinioj, bonvolu marki ĝin kiel maltaŭgan.
Afiŝtempo: 22-a de aprilo 2020