Täname, et külastasite veebisaiti nature.com. Kasutate brauseri versiooni, millel on piiratud CSS-i tugi. Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame teil kasutada ajakohasemat brauserit (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja). Vahepeal kuvame jätkuva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Teatame märkimisväärsest fotogalvaanilisest efektist YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keraamikas vahemikus 50–300 K, mis on indutseeritud sinise laseri valgustusega, mis on otseselt seotud YBCO ülijuhtivusega ja YBCO-metallilise elektroodi liidesega. Kui YBCO läheb üle ülijuhtivast olekusse takistuslikku olekusse, toimub avatud ahela pinge Voc ja lühisevoolu Isc polaarsuse pöördumine. Näitame, et ülijuhi ja normaalse metalli liidesel on elektriline potentsiaal, mis tagab fotoindutseeritud elektron-augu paaride eraldusjõu. See liidese potentsiaal suunab YBCO-lt metallelektroodile, kui YBCO on ülijuhtiv, ja lülitub vastupidisesse suunda, kui YBCO muutub mitteülijuhtivaks. Potentsiaali päritolu võib kergesti seostada lähedusefektiga metall-ülijuhi liidesel, kui YBCO on ülijuhtiv ja selle väärtus on hinnanguliselt ~ 10–8 mV temperatuuril 50 K laseri intensiivsusega 502 mW/cm2. Tavalises olekus p-tüüpi materjali YBCO kombineerimine n-tüüpi materjaliga Ag-pasta moodustab kvaasi-pn-siirde, mis vastutab YBCO keraamika fotogalvaanilise käitumise eest kõrgetel temperatuuridel. Meie leiud võivad sillutada teed footon-elektrooniliste seadmete uutele rakendustele ja heita täiendavat valgust ülijuhi-metalli liidese lähedusefektile.
Fotoindutseeritud pingest kõrge temperatuuriga ülijuhtides on teatatud 1990. aastate alguses ja sellest ajast alates on seda põhjalikult uuritud, kuid selle olemus ja mehhanism on endiselt ebaselged1,2,3,4,5. Eelkõige YBa2Cu3O7-δ (YBCO) õhukesi kilesid 6, 7, 8 uuritakse intensiivselt fotogalvaanilise (PV) elemendi kujul selle reguleeritava energiavahe 9, 10, 11, 12, 13 tõttu. Substraadi kõrge vastupidavus viib aga alati seadme madala konversioonitõhususeni ja varjab YBCO8 esmaseid PV-omadusi. Siin kirjeldame tähelepanuväärset fotogalvaanilist efekti, mis on põhjustatud YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keraamikast sinise laseri (λ = 450 nm) valgustusest vahemikus 50–300 K (Tc ~ 90 K). Näitame, et PV-efekt on otseselt seotud YBCO ülijuhtivuse ja YBCO-metallilise elektroodi liidese olemusega. Avatud ahela pinge Voc ja lühisevoolu Isc polaarsus muutub, kui YBCO läheb üle ülijuhtivast faasist takistuslikku olekusse. Arvatakse, et ülijuhi ja normaalse metalli liidesel on elektripotentsiaal, mis tagab fotoindutseeritud elektron-augu paaride eraldusjõu. See liidese potentsiaal suunab YBCO-lt metallelektroodile, kui YBCO on ülijuhtiv, ja lülitub vastupidisesse suunda, kui proov muutub mitteülijuhtivaks. Potentsiaali päritolu võib loomulikult seostada lähedusefektiga 14, 15, 16, 17 metall-ülijuhi liidesel, kui YBCO on ülijuhtiv ja selle väärtus on hinnanguliselt ~ 10-8 mV temperatuuril 50 K laseri intensiivsusega 502 mW /cm2. Tavalises olekus p-tüüpi materjali YBCO kombineerimine n-tüüpi materjaliga Ag-pasta moodustab suure tõenäosusega kvaasi-pn-siirde, mis vastutab YBCO keraamika PV käitumise eest kõrgetel temperatuuridel. Meie tähelepanekud valgustavad täiendavalt PV-efekti päritolu kõrgel temperatuuril ülijuhtivas YBCO keraamikas ja sillutavad teed selle rakendamiseks optoelektroonilistes seadmetes, nagu kiire passiivne valgusdetektor jne.
Joonistel 1a–c on näidatud, et YBCO keraamilise proovi IV karakteristikud temperatuuril 50 K. Ilma valguse valgustuseta jääb proovi pinge muutuva voolu korral nulliks, nagu võib eeldada ülijuhtivast materjalist. Ilmne fotogalvaaniline efekt ilmneb, kui laserkiir on suunatud katoodile (joonis 1a): I-teljega paralleelsed IV kõverad liiguvad laseri intensiivsuse suurenedes allapoole. On ilmne, et fotoga indutseeritud negatiivne pinge on olemas ka ilma vooluta (sageli nimetatakse seda avatud ahela pingeks Voc). IV kõvera nullkalle näitab, et proov on laservalgustuse all endiselt ülijuhtiv.
(a–c) ja 300 K (e–g). V(I) väärtused saadi voolu pühkides vaakumis vahemikus –10 mA kuni +10 mA. Selguse huvides on esitatud ainult osa katseandmetest. a, YBCO voolu-pinge karakteristikud, mõõdetuna katoodile (i) paigutatud laserpunktiga. Kõik IV kõverad on horisontaalsed sirgjooned, mis näitavad, et proov on laserkiirgusega endiselt ülijuhtiv. Kõver liigub laseri intensiivsuse suurenemisega allapoole, mis näitab, et kahe pingejuhtme vahel on negatiivne potentsiaal (Voc) isegi nullvoolu korral. IV kõverad jäävad muutumatuks, kui laser on suunatud proovi keskpunkti eetri temperatuuril 50 K (b) või 300 K (f). Horisontaalne joon liigub üles, kui anood on valgustatud (c). Metall-ülijuhi ristmiku skemaatiline mudel temperatuuril 50 K on näidatud punktis d. Katoodile ja anoodile suunatud laserkiirega mõõdetud normaaloleku YBCO voolu-pinge karakteristikud 300 K juures on antud vastavalt e ja g. Erinevalt 50 K juures saadud tulemustest näitab sirgjoonte nullist erinev kalle, et YBCO on normaalses olekus; Voc väärtused varieeruvad sõltuvalt valguse intensiivsusest vastupidises suunas, mis näitab erinevat laengu eraldamise mehhanismi. Võimalik liidese struktuur 300 K juures on kujutatud hj. Näidise tegelik pilt koos juhtmetega.
Ülijuhtivas olekus hapnikurikas YBCO suudab oma väga väikese energiavahe (Eg) 9,10 tõttu neelata peaaegu kogu päikesevalguse spektri, luues seeläbi elektron-augu paare (e – h). Avatud vooluahela pinge Voc tekitamiseks footonite neeldumise teel on vaja enne rekombinatsiooni toimumist ruumiliselt eraldada fotoga genereeritud eh-paarid18. Negatiivne Voc katoodi ja anoodi suhtes, nagu on näidatud joonisel 1i, viitab sellele, et metalli ja ülijuhi liideses on elektripotentsiaal, mis pühib elektronid anoodile ja augud katoodile. Sel juhul peaks olema ka potentsiaal, mis osutab ülijuhist anoodil asuvale metallelektroodile. Järelikult saadakse positiivne Voc, kui anoodi lähedal olev prooviala on valgustatud. Peale selle ei tohiks olla fotoindutseeritud pingeid, kui laserpunkt on suunatud elektroodidest kaugel asuvatele aladele. See on kindlasti nii, nagu on näha joonistelt 1b, c!.
Kui valguspunkt liigub katoodelektroodilt proovi keskele (ligikaudu 1,25 mm kaugusel liidestest), ei saa laseri intensiivsuse suurenemisel maksimaalse saadaoleva väärtuseni täheldada IV kõverate muutusi ega Voc-i (joonis 1b). . Loomulikult võib selle tulemuse seostada fotoindutseeritud kandjate piiratud elueaga ja eraldusjõu puudumisega proovis. Elektron-augu paare saab luua alati, kui proov on valgustatud, kuid suurem osa e-h paaridest hävib ja fotogalvaanilist efekti ei täheldata, kui laserpunkt langeb elektroodidest kaugel asuvatele aladele. Liigutades laserpunkti anoodielektroodidele, liiguvad I-teljega paralleelsed IV kõverad laseri intensiivsusega ülespoole (joonis 1c). Sarnane sisseehitatud elektriväli eksisteerib anoodi metalli-ülijuhi ristmikul. Metallelektrood ühendub aga seekord testsüsteemi positiivse juhtmega. Laseri tekitatud augud surutakse anoodijuhtme külge ja seega täheldatakse positiivset Voc-i. Siin esitatud tulemused annavad kindlaid tõendeid selle kohta, et ülijuhist metallelektroodile osutav liidesepotentsiaal on tõepoolest olemas.
Fotogalvaaniline efekt YBa2Cu3O6.96 keraamikas temperatuuril 300 K on näidatud joonistel 1e–g. Valguse valguseta on proovi IV kõver alguspunkti ületav sirgjoon. See sirgjoon liigub ülespoole paralleelselt algse joonega, kusjuures laseri intensiivsus kiiritatakse katoodijuhtmetes (joonis 1e). Fotogalvaanilise seadme puhul on huvipakkuvad kaks piiravat juhtumit. Lühis tekib siis, kui V = 0. Sel juhul nimetatakse voolu lühisevooluks (Isc). Teine piirjuhtum on avatud vooluahela seisund (Voc), mis tekib siis, kui R →∞ või vool on null. Joonisel 1e on selgelt näha, et Voc on positiivne ja suureneb valguse intensiivsuse suurenemisega, erinevalt 50 K juures saadud tulemusest; samas kui negatiivne Isc suureneb valguse valguses, on see tavaliste päikesepatareide tüüpiline käitumine.
Samamoodi, kui laserkiir on suunatud elektroodidest kaugel asuvatele aladele, ei sõltu V(I) kõver laseri intensiivsusest ja fotogalvaanilist efekti ei ilmne (joonis 1f). Sarnaselt mõõtmisele 50 K juures liiguvad IV kõverad anoodi elektroodi kiiritamisel vastupidises suunas (joonis 1g). Kõik need tulemused, mis saadi selle YBCO-Ag pastasüsteemi jaoks 300 K juures proovi erinevates asendites kiiritatud laseriga, on kooskõlas liidese potentsiaaliga, mis on vastupidine 50 K juures täheldatule.
Enamik elektrone kondenseeruvad Cooperi paarides ülijuhtivas YBCO-s alla selle üleminekutemperatuuri Tc. Metallelektroodis viibides jäävad kõik elektronid ainsuse vormis. Metall-ülijuhi liidese läheduses on nii ainsuse elektronide kui ka Cooperi paaride jaoks suur tihedusgradient. Metallilise materjali enamuse kandja ainsuse elektronid difundeeruvad ülijuhtide piirkonda, samas kui enamuskandja Cooperi paarid YBCO piirkonnas difundeeruvad metalli piirkonda. Kuna Cooperi paarid, mis kannavad rohkem laenguid ja millel on suurem liikuvus kui üksikutel elektronidel, hajuvad YBCO-st metallipiirkonda, jäetakse maha positiivselt laetud aatomid, mille tulemusena tekib ruumilaengu piirkonnas elektriväli. Selle elektrivälja suund on näidatud skemaatilisel diagrammil Joon. 1d. Kosmoselaengu piirkonna lähedal tekkiv fotonivalgustus võib luua eh-paare, mis eraldatakse ja pühitakse välja, tekitades vastupidise eelpingestuse suunas fotovoolu. Niipea, kui elektronid sisseehitatud elektriväljast väljuvad, kondenseeruvad nad paarideks ja voolavad takistuseta teisele elektroodile. Sel juhul on Voc eelseadistatud polaarsusega vastupidine ja kuvab negatiivse väärtuse, kui laserkiir osutab negatiivse elektroodi ümbritsevale alale. Voc väärtuse põhjal saab hinnata liidese potentsiaali: kahe pingejuhtme vaheline kaugus d on ~5 × 10-3 m, metall-ülijuhi liidese paksus di peaks olema samas suurusjärgus YBCO ülijuhi koherentsuse pikkuseks (~1 nm) 19,20, võta Voc = 0,03 mV, potentsiaal Vms metalli-ülijuhi liidesel hinnatakse laseri intensiivsusega ~10-11 V temperatuuril 50 K 502 mW/cm2, kasutades võrrandit,
Siinkohal tahame rõhutada, et foto indutseeritud pinget ei saa seletada foto termilise efektiga. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et ülijuhi YBCO Seebecki koefitsient on Ss = 021. Seebecki koefitsient vaskjuhtmete puhul jääb vahemikku SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Vasktraadi temperatuuri laserpunktis saab tõsta veidi 0,06 K võrra, kusjuures laseri maksimaalne intensiivsus on saadaval 50 K juures. See võib tekitada termoelektrilise potentsiaali 6,9 × 10–8 V, mis on kolm suurusjärku väiksem kui joonisel 1 (a) saadud Voc. On ilmne, et termoelektriline efekt on katsetulemuste selgitamiseks liiga väike. Tegelikult kaoks laserkiirgusest tingitud temperatuurimuutus vähem kui ühe minutiga, nii et termilise efekti panust saab ohutult ignoreerida.
See YBCO fotogalvaaniline efekt toatemperatuuril näitab, et siin on tegemist erineva laengu eraldamise mehhanismiga. Normaalses olekus ülijuhtiv YBCO on p-tüüpi materjal, mille laengukandjaks on augud 22, 23, samas kui metallilisel Ag-pastal on n-tüüpi materjali omadused. Sarnaselt pn-siirtele moodustab elektronide difusioon hõbepastas ja YBCO keraamika aukudes sisemise elektrivälja, mis osutab liideses YBCO keraamikale (joonis 1h). Just see siseväli annab eraldusjõu ja viib toatemperatuuril YBCO-Ag pastasüsteemi positiivse Voc ja negatiivse Isc-ni, nagu on näidatud joonisel 1e. Teise võimalusena võib Ag-YBCO moodustada p-tüüpi Schottky ristmiku, mis viib ka liidese potentsiaalini, millel on sama polaarsus nagu ülaltoodud mudelis24.
Fotogalvaaniliste omaduste üksikasjaliku arenguprotsessi uurimiseks YBCO ülijuhtiva ülemineku ajal mõõdeti proovi IV kõverad temperatuuril 80 K, kusjuures valitud laseri intensiivsused valgustasid katoodelektroodil (joonis 2). Ilma laserkiirguseta jääb proovi pinge sõltumata voolust nulli, mis näitab proovi ülijuhtivust 80 K juures (joonis 2a). Sarnaselt 50 K juures saadud andmetega liiguvad I-teljega paralleelsed IV kõverad laseri intensiivsusega allapoole, kuni saavutatakse kriitiline väärtus Pc. Sellest kriitilisest laserintensiivsusest (Pc) kõrgemal toimub ülijuht ülemineku ülijuhtivast faasist takistusfaasi; pinge hakkab vooluga kasvama ülijuhi takistuse ilmnemise tõttu. Selle tulemusena hakkab IV kõver ristuma I-telje ja V-teljega, mis viib alguses negatiivse Voc ja positiivse Isc-ni. Nüüd näib proov olevat erilises olekus, kus Voc ja Isc polaarsus on valguse intensiivsuse suhtes äärmiselt tundlik; Valguse intensiivsuse väga väikese suurenemisega muudetakse Isc positiivsest negatiivseks ja Voc negatiivsest positiivseks väärtuseks, edastades lähtepunkti (fotogalvaaniliste omaduste, eriti Isc väärtuse, kõrge tundlikkus valguse valgustuse suhtes on selgemini näha joonisel 1). 2b). Suurima saadaoleva laseri intensiivsuse korral kavatsevad IV kõverad olla üksteisega paralleelsed, mis tähistab YBCO proovi normaalset olekut.
Laserpunkti keskpunkt paikneb ümber katoodelektroodide (vt joonis 1i). a, IV erineva laserintensiivsusega kiiritatud YBCO kõverad. b (ülemine), Laseri intensiivsuse sõltuvus avatud ahela pingest Voc ja lühisvoolust Isc. Isc väärtusi ei saa saada madala valgustugevusega (< 110 mW/cm2), kuna IV kõverad on paralleelsed I-teljega, kui proov on ülijuhtivas olekus. b (alumine), diferentsiaaltakistus laseri intensiivsuse funktsioonina.
Voc ja Isc laseri intensiivsuse sõltuvus 80 K juures on näidatud joonisel 2b (ülemine). Fotogalvaanilisi omadusi saab arutada kolmes valguse intensiivsuse piirkonnas. Esimene piirkond on vahemikus 0 kuni Pc, milles YBCO on ülijuhtiv, Voc on negatiivne ja väheneb (absoluutväärtus suureneb) koos valguse intensiivsusega ja jõudes miinimumini Pc juures. Teine piirkond on Pc-st teise kriitilise intensiivsusega P0, milles Voc suureneb, samas kui Isc väheneb valguse intensiivsuse suurenemisega ja mõlemad jõuavad P0 juures nullini. Kolmas piirkond on üle P0 kuni YBCO normaalse oleku saavutamiseni. Kuigi nii Voc kui ka Isc varieeruvad valguse intensiivsusega samamoodi nagu piirkonnas 2, on neil vastupidine polaarsus üle kriitilise intensiivsuse P0. P0 tähtsus seisneb selles, et fotogalvaanilist efekti pole ja laengu eraldamise mehhanism muutub selles konkreetses punktis kvalitatiivselt. YBCO proov muutub selles valguse intensiivsuse vahemikus mitteülijuhtivaks, kuid normaalset seisundit ei ole veel saavutatud.
On selge, et süsteemi fotogalvaanilised omadused on tihedalt seotud YBCO ülijuhtivuse ja selle ülijuhtiva üleminekuga. YBCO diferentsiaaltakistus dV/dI on näidatud joonisel 2b (all) laseri intensiivsuse funktsioonina. Nagu varem mainitud, liidese sisseehitatud elektripotentsiaal, mis on tingitud Cooperi paarist, difusioonipunktid ülijuhist metallini. Sarnaselt 50 K juures täheldatule tugevneb fotogalvaaniline efekt laseri intensiivsuse suurenemisega 0-lt PC-ni. Kui laseri intensiivsus jõuab veidi üle Pc väärtuse, hakkab IV kõver kalduma ja ilmnema proovi takistus, kuid liidese potentsiaali polaarsus ei muutu veel. Optilise ergastuse mõju ülijuhtivusele on uuritud nähtavas või IR-lähedases piirkonnas. Kui põhiprotsess on Cooperi paaride lõhkumine ja ülijuhtivuse hävitamine25, 26, siis mõnel juhul saab ülijuhtivuse üleminekut tõhustada 27, 28, 29 ja isegi uusi ülijuhtivuse faase esile kutsuda30. Ülijuhtivuse puudumist PC-s võib seostada fotoga indutseeritud paari purunemisega. Punktis P0 muutub liidese potentsiaal nulliks, mis näitab, et liidese mõlema poole laengutihedus saavutab selle konkreetse valguse valgustuse intensiivsuse korral sama taseme. Laseri intensiivsuse edasine suurenemine toob kaasa rohkemate Cooperi paaride hävimise ja YBCO muudetakse järk-järgult tagasi p-tüüpi materjaliks. Elektronide ja Cooperi paaride difusiooni asemel määrab liidese omaduse nüüd elektronide ja aukude difusioon, mis viib liidese elektrivälja polaarsuse muutumiseni ja sellest tulenevalt positiivse Voc-ni (vrd joonis 1d, h). Väga suure laserintensiivsuse korral küllastub YBCO diferentsiaaltakistus normaalsele olekule vastava väärtuseni ja nii Voc kui ka Isc kipuvad laseri intensiivsusega lineaarselt muutuma (joonis 2b). See tähelepanek näitab, et laserkiirgus normaalolekus YBCO ei muuda enam selle takistust ja ülijuht-metalli liidese omadust, vaid suurendab ainult elektron-augu paaride kontsentratsiooni.
Temperatuuri mõju fotogalvaanilistele omadustele uurimiseks kiiritati metall-ülijuhtide süsteemi katoodil sinise laseriga intensiivsusega 502 mW/cm2. IV kõverad, mis on saadud valitud temperatuuridel vahemikus 50 kuni 300 K, on toodud joonisel 3a. Avatud vooluahela pinge Voc, lühisevoolu Isc ja diferentsiaaltakistust saab seejärel saada nendest IV kõveratest ja need on näidatud joonisel 3b. Ilma valgustuseta läbivad kõik erinevatel temperatuuridel mõõdetud IV kõverad ootuspäraselt lähtepunkti (joonis 3a). IV omadused muutuvad drastiliselt temperatuuri tõustes, kui süsteem on valgustatud suhteliselt tugeva laserkiirega (502 mW/cm2). Madalatel temperatuuridel on IV kõverad I-teljega paralleelsed sirged Voc negatiivsete väärtustega. See kõver liigub temperatuuri tõustes ülespoole ja muutub järk-järgult nullist erineva kaldega jooneks kriitilisel temperatuuril Tcp (joonis 3a (ülemine)). Näib, et kõik IV tunnuskõverad pöörlevad ümber kolmandas kvadrandis oleva punkti. Voc suureneb negatiivsest väärtusest positiivseks, samas kui Isc väheneb positiivsest väärtusest negatiivseks. YBCO algsest ülijuhtiva ülemineku temperatuurist Tc kõrgemal muutub IV kõver temperatuuriga võrreldes üsna erinevalt (joonisel 3a alumine). Esiteks liigub IV kõverate pöörlemiskeskus esimesse kvadrandi. Teiseks väheneb Voc pidevalt ja Isc suureneb temperatuuri tõustes (joonise 3b ülemine osa). Kolmandaks, IV kõverate kalle suureneb lineaarselt temperatuuriga, mille tulemuseks on YBCO positiivne temperatuuritakistustegur (joonisel 3b alumine).
YBCO-Ag pastasüsteemi fotogalvaaniliste karakteristikute temperatuurisõltuvus 502 mW/cm2 laservalgustuse korral.
Laserpunkti keskpunkt paikneb ümber katoodelektroodide (vt joonis 1i). a, IV kõverad, mis on saadud 50 kuni 90 K (ülemine) ja 100 kuni 300 K (alumine) temperatuuritõusuga vastavalt 5 K ja 20 K. Inset a näitab IV omadusi mitmel temperatuuril pimedas. Kõik kõverad ületavad lähtepunkti. b, avatud vooluahela pinge Voc ja lühisevool Isc (ülemine) ja YBCO diferentsiaaltakistus dV/dI (alumine) temperatuuri funktsioonina. Nulltakistuse ülijuhtiva ülemineku temperatuuri Tcp ei ole antud, kuna see on Tc0-le liiga lähedal.
Jooniselt 3b saab ära tunda kolm kriitilist temperatuuri: Tcp, millest kõrgemal muutub YBCO mitteülijuhtivaks; Tc0, mille juures nii Voc kui ka Isc muutuvad nulliks ja Tc, YBCO algne ülijuhtiva ülemineku temperatuur ilma laserkiirguseta. Alla Tcp ~ 55 K on laseriga kiiritatud YBCO ülijuhtivas olekus ja Cooperi paaride kontsentratsioon on suhteliselt kõrge. Laserkiirguse mõjuks on nulltakistusega ülijuhtiva ülemineku temperatuuri vähendamine 89 K-lt ~ 55 K-ni (joonisel 3b alumine osa), vähendades lisaks fotogalvaanilise pinge ja voolu tekitamisele Cooperi paari kontsentratsiooni. Temperatuuri tõus lõhub ka Cooperi paare, mis põhjustab liidese madalama potentsiaali. Järelikult väheneb Voci absoluutväärtus, kuigi rakendatakse sama intensiivsusega laservalgustust. Liidese potentsiaal muutub temperatuuri edasise tõusuga järjest väiksemaks ja jõuab nullini Tc0 juures. Selles eripunktis fotogalvaanilist efekti ei ole, kuna puudub sisemine väli, mis eraldaks fotoindutseeritud elektron-augu paare. Potentsiaali polaarsus muutub sellest kriitilisest temperatuurist kõrgemal, kuna vaba laengu tihedus Ag-pastas on suurem kui YBCO-s, mis kandub järk-järgult tagasi p-tüüpi materjalile. Siinkohal tahame rõhutada, et Voc ja Isc polaarsuse pöördumine toimub vahetult pärast nulltakistusega ülijuhtiva üleminekut, sõltumata ülemineku põhjusest. See tähelepanek näitab esimest korda selgelt korrelatsiooni ülijuhtivuse ja metalli-ülijuhi liidese potentsiaaliga seotud fotogalvaaniliste efektide vahel. Selle potentsiaali olemus ülijuhi ja normaalse metalli liideses on olnud viimaste aastakümnete jooksul uurimistöö keskmes, kuid vastust ootavad veel paljud küsimused. Fotogalvaanilise efekti mõõtmine võib osutuda tõhusaks meetodiks selle olulise potentsiaali üksikasjade (nagu selle tugevus ja polaarsus jne) uurimiseks ja seega valgustada kõrge temperatuuri ülijuhtiva läheduse efekti.
Temperatuuri edasine tõus Tc0-lt Tc-le toob kaasa Cooperi paaride väiksema kontsentratsiooni ja liidese potentsiaali suurenemise ja sellest tulenevalt suurema Voc. Tc juures muutub Cooperi paari kontsentratsioon nulliks ja liidese sisseehitatud potentsiaal saavutab maksimumi, mille tulemuseks on maksimaalne Voc ja minimaalne Isc. Voc ja Isc (absoluutväärtuse) kiire tõus selles temperatuurivahemikus vastab ülijuhtivuse üleminekule, mida laiendatakse ΔT ~ 3 K-lt ~ 34 K-ni intensiivsusega 502 mW/cm2 laserkiirgusega (joonis 3b). Normaalsetes olekutes üle Tc väheneb avatud vooluahela pinge Voc koos temperatuuriga (joonis 3b ülaosas), sarnaselt Voc lineaarsele käitumisele tavaliste päikesepatareide puhul, mis põhinevad pn-siirtel31, 32, 33. Kuigi Voc muutumiskiirus temperatuuriga (−dVoc/dT), mis sõltub tugevalt laseri intensiivsusest, on palju väiksem kui tavalistel päikesepatareidel, on Voc temperatuurikoefitsient YBCO-Ag ristmiku jaoks samas suurusjärgus kui sellel. päikesepatareidest. Tavalise päikesepatarei seadme pn-siirde lekkevool suureneb temperatuuri tõustes, mis viib temperatuuri tõustes Voc vähenemiseni. Selle Ag-ülijuhtide süsteemi puhul täheldatud lineaarsed IV kõverad muudavad lekkevoolu määramise keeruliseks esiteks väga väikese liidese potentsiaali ja teiseks kahe heterosiirde vastastikuse ühenduse tõttu. Sellegipoolest tundub väga tõenäoline, et meie katses täheldatud Voc käitumise eest vastutab lekkevoolu sama temperatuurisõltuvus. Definitsiooni kohaselt on Isc vool, mis on vajalik negatiivse pinge tekitamiseks, et kompenseerida Voc nii, et kogupinge oleks null. Temperatuuri tõustes muutub Voc väiksemaks, nii et negatiivse pinge tekitamiseks on vaja vähem voolu. Lisaks suureneb YBCO takistus lineaarselt temperatuuriga üle Tc (joonisel 3b alumine), mis aitab kaasa ka Isc väiksemale absoluutväärtusele kõrgetel temperatuuridel.
Pange tähele, et joonistel 2, 3 toodud tulemused saadakse katoodelektroodide ümbruse laserkiirguse teel. Mõõtmisi on korratud ka anoodile paigutatud laserpunktiga ning täheldatud on sarnaseid IV karakteristikuid ja fotogalvaanilisi omadusi, välja arvatud see, et Voc ja Isc polaarsus on antud juhul vastupidine. Kõik need andmed viivad fotogalvaanilise efekti mehhanismini, mis on tihedalt seotud ülijuhi-metalli liidesega.
Kokkuvõttes on laseriga kiiritatud ülijuhtiva YBCO-Ag pastasüsteemi IV omadusi mõõdetud temperatuuri ja laseri intensiivsuse funktsioonidena. Märkimisväärset fotogalvaanilist efekti on täheldatud temperatuurivahemikus 50–300 K. On leitud, et fotogalvaanilised omadused on tugevas korrelatsioonis YBCO keraamika ülijuhtivusega. Voc ja Isc polaarsuse pöördumine toimub vahetult pärast fotoga indutseeritud ülijuhtivuse üleminekut mitteülijuhtivaks. Fikseeritud laserintensiivsusega mõõdetud Voc ja Isc temperatuurisõltuvus näitab ka selget polaarsuse pöördumist kriitilisel temperatuuril, millest kõrgemal muutub proov takistuseks. Määrates laserpunkti proovi erinevasse ossa, näitame, et liidesel on elektriline potentsiaal, mis tagab fotoindutseeritud elektron-augu paaride eraldusjõu. See liidese potentsiaal suunab YBCO-lt metallelektroodile, kui YBCO on ülijuhtiv, ja lülitub vastupidisesse suunda, kui proov muutub mitteülijuhtivaks. Potentsiaali päritolu võib loomulikult seostada lähedusefektiga metalli-ülijuhi liidesel, kui YBCO on ülijuhtiv ja see on hinnanguliselt ~ 10–8 mV temperatuuril 50 K laseri intensiivsusega 502 mW/cm2. P-tüüpi materjali YBCO kokkupuude normaalses olekus n-tüüpi materjaliga Ag-pasta moodustab kvaasi-pn-siirde, mis vastutab YBCO keraamika fotogalvaanilise käitumise eest kõrgetel temperatuuridel. Ülaltoodud tähelepanekud valgustavad PV-efekti kõrgel temperatuuril ülijuhtivas YBCO keraamikas ja sillutavad teed uutele rakendustele optoelektroonilistes seadmetes, nagu kiire passiivne valgusdetektor ja ühe footoni detektor.
Fotogalvaanilise efekti katsed viidi läbi YBCO keraamilise prooviga, mille paksus oli 0, 52 mm ja ristkülikukujuline 8, 64 × 2, 26 mm2 ja mida valgustati pidevlaine sinise laseriga (λ = 450 nm), mille laserpunkti raadius oli 1, 25 mm. Hulgi-, mitte õhukese kileproovi kasutamine võimaldab meil uurida ülijuhi fotogalvaanilisi omadusi, ilma et peaksime tegelema substraadi keeruka mõjuga6, 7. Peale selle võib puistematerjal soodustada selle lihtsat valmistamisprotseduuri ja suhteliselt madalat hinda. Vase juhttraadid ühendatakse YBCO proovis hõbedase pastaga, moodustades neli ringikujulist elektroodi, mille läbimõõt on umbes 1 mm. Kahe pingeelektroodi vaheline kaugus on umbes 5 mm. Proovi IV karakteristikud mõõdeti vibratsiooniproovi magnetomeetriga (VersaLab, Quantum Design) koos kvartskristalli aknaga. IV kõverate saamiseks kasutati standardset neljajuhtmelist meetodit. Elektroodide ja laserpunkti suhtelised asukohad on näidatud joonisel 1i.
Kuidas seda artiklit tsiteerida: Yang, F. et al. Fotogalvaanilise efekti päritolu ülijuhtivas YBa2Cu3O6.96 keraamikas. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Sümmeetriaga keelatud laser-indutseeritud pinged YBa2Cu3O7-s. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O anomaalse fotogalvaanilise signaali päritolu. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Ülijuhtiva Bi-Sr-Ca-Cu-O laseriga indutseeritud pingete mõõtmine. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL jt. Mööduvad laser-indutseeritud pinged YBa2Cu3O7-x toatemperatuuril kiledes. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomaalne fotogalvaaniline reaktsioon YBa2Cu3O7-s. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenereeritud auku kandja süstimine YBa2Cu3O7−x-le oksiidi heterostruktuuris. Rakendus Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. YBa2Cu3Oy õhukeste kilede fotoemissiooniuuring valguse valguses. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Erineva hapniku osarõhu juures lõõmutatud YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroühenduse fotogalvaaniline efekt. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA jt. Kahe vahega struktuur Yb(Y)Ba2Cu3O7-x üksikkristallides. J. Superkond. 7, 361-365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Quasipartticle 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 & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heteroühenduse alaldatavad omadused. Rakendus Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Eksitooniline absorptsioon ja ülijuhtivus YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Mööduv fotoindutseeritud juhtivus YBa2Cu3O6.3 pooljuhtkristallides: fotoindutseeritud metallilise oleku ja fotoindutseeritud ülijuhtivuse otsimine. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Ülijuhtiva lähedusefekti tunnelmudel. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Ülijuhtiva läheduse efekti uuriti mesoskoopilise pikkuse skaalal. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Lähedusefekt mittetsentrosümmeetriliste ülijuhtidega. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM jt. Tugev ülijuhtiv lähedusefekt Pb-Bi2Te3 hübriidstruktuurides. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Uus räni pn-siirde fotosilm päikesekiirguse muundamiseks elektrienergiaks. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Lisandite mõju ülijuhtiva koherentsuse pikkusele Zn- või Ni-leegitud YBa2Cu3O6.9 monokristallides. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Untwinned YBa2Cu3Oy monokristallide magnetresistentsus laias dopinguvalikus: koherentsuse pikkuse anomaalne auk-dopingu sõltuvus. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Süstemaatika kõrge T-ga oksiidide termoelektrilises võimsuses. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. P-tüüpi kõrge Tc-ga ülijuhtides koherentse piigi ja LO-fononi režiimi kandja tihedusest sõltuv impulsi nihe. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Aukude vähendamine ja elektronide akumulatsioon YBa2Cu3Oy õhukestes kiledes elektrokeemilise tehnika abil: tõendid n-tüüpi metallilise oleku kohta. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Schottky barjääri kõrguse füüsika ja keemia. Rakendus Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effects of Dynamic External Pair Breaking in Superconducting Films. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Ülijuhtivuse fotoindutseeritud suurendamine. Rakendus Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI jt. Püsiv fotojuhtivus YBa2Cu3O6+x kiledes kui meetod fotodopinguks metalliliste ja ülijuhtivate faaside suunas. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Mittelineaarne võre dünaamika kui YBa2Cu3O6.5 ülijuhtivuse suurendamise alus. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Valgusest põhjustatud ülijuhtivus triibulise järjestusega kupraadis. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Päikesepatarei lenduvate orgaaniliste ühendite temperatuuri funktsionaalne sõltuvus seoses selle tõhususe uue lähenemisviisiga. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatuuriefektid Schottky barjääriga räni päikesepatareides. Rakendus Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Polümeer-fullereeni päikesepatareide fotogalvaanilise seadme parameetrite temperatuurisõltuvus töötingimustes. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Seda tööd on toetanud Hiina riiklik loodusteaduste sihtasutus (grandi nr 60571063), Hiina Henani provintsi fundamentaaluuringute projektid (grandi nr 122300410231).
FY kirjutas paberi teksti ja MYH valmistas ette YBCO keraamikaproovi. FY ja MYH viisid läbi katse ja analüüsisid tulemusi. FGC juhtis projekti ja andmete teaduslikku tõlgendamist. Kõik autorid vaatasid käsikirja üle.
See teos on litsentsitud Creative Commonsi Attribution 4.0 rahvusvahelise litsentsi alusel. Selles artiklis olevad pildid või muu kolmanda osapoole materjal sisaldub artikli Creative Commonsi litsentsis, kui krediidilimiidil ei ole märgitud teisiti; kui materjal ei kuulu Creative Commonsi litsentsi alla, peavad kasutajad materjali reprodutseerimiseks hankima loa litsentsiomanikult. Selle litsentsi koopia vaatamiseks külastage aadressi http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Fotogalvaanilise efekti päritolu ülijuhtivas YBa2Cu3O6.96 keraamikas. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Kommentaari saates nõustute järgima meie tingimusi ja kogukonna juhiseid. Kui leiate midagi solvavat või mis ei vasta meie tingimustele või juhistele, märkige see sobimatuks.
Postitusaeg: 22.04.2020