از بازدید شما از nature.com سپاسگزاریم. شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود از CSS استفاده می کنید. برای به دست آوردن بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روزتر استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر خاموش کنید). در همین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مستمر، ما سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نمایش می دهیم.
ما اثر فتوولتائیک قابل‌توجهی را در سرامیک YBa2Cu3O6.96 (YBCO) بین 50 تا 300 K ناشی از روشنایی لیزر آبی گزارش می‌کنیم که مستقیماً با ابررسانایی YBCO و رابط الکترود YBCO-فلزی مرتبط است. هنگامی که YBCO از حالت ابررسانا به حالت مقاومتی عبور می کند، یک معکوس قطبیت برای ولتاژ مدار باز Voc و جریان اتصال کوتاه Isc وجود دارد. ما نشان می‌دهیم که یک پتانسیل الکتریکی در سراسر رابط ابررسانا-فلز عادی وجود دارد، که نیروی جدایی را برای جفت‌های الکترون-حفره ناشی از عکس فراهم می‌کند. این پتانسیل رابط زمانی که YBCO ابررسانا است از YBCO به الکترود فلزی هدایت می‌شود و زمانی که YBCO غیرابررسانا می‌شود به جهت مخالف سوئیچ می‌کند. منشأ پتانسیل ممکن است به آسانی با اثر مجاورت در رابط فلز-ابررسانا در زمانی که YBCO ابررسانا است مرتبط باشد و مقدار آن ~ 10-8 میلی ولت در 50 K با شدت لیزر 502 mW/cm2 تخمین زده شود. ترکیب یک ماده P-type YBCO در حالت عادی با یک ماده نوع n - خمیر Ag یک اتصال شبه pn را تشکیل می دهد که مسئول رفتار فتوولتائیک سرامیک YBCO در دماهای بالا است. یافته‌های ما ممکن است راه را برای کاربردهای جدید دستگاه‌های فوتون-الکترونیک هموار کند و تأثیر مجاورت در رابط ابررسانا-فلز را روشن کند.
ولتاژ ناشی از عکس در ابررساناهای دمای بالا در اوایل دهه 1990 گزارش شده است و از آن زمان تاکنون به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است، با این حال ماهیت و مکانیسم آن ثابت مانده است1،2،3،4،5. به ویژه فیلم های نازک YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6،7،8، به دلیل شکاف انرژی قابل تنظیم 9،10،11،12،13، به طور فشرده در قالب سلول فتوولتائیک (PV) مورد مطالعه قرار می گیرند. با این حال، مقاومت بالای بستر همیشه منجر به راندمان تبدیل پایین دستگاه می شود و ویژگی های اولیه PV YBCO8 را پنهان می کند. در اینجا ما اثر فتوولتائیک قابل توجه ناشی از نور لیزر آبی (λ = 450 نانومتر) را در سرامیک YBa2Cu3O6.96 (YBCO) بین 50 تا 300 K (Tc ~ 90 K) گزارش می‌کنیم. ما نشان می‌دهیم که اثر PV مستقیماً با ابررسانایی YBCO و ماهیت رابط YBCO-الکترود فلزی مرتبط است. هنگامی که YBCO از فاز ابررسانا به حالت مقاومتی تغییر می کند، یک معکوس قطبیت برای ولتاژ مدار باز Voc و جریان اتصال کوتاه Isc وجود دارد. پیشنهاد شده است که یک پتانسیل الکتریکی در سراسر رابط ابررسانا-فلز عادی وجود دارد که نیروی جدایی را برای جفت الکترون-حفره القا شده با عکس فراهم می کند. این پتانسیل رابط زمانی که YBCO ابررسانا است از YBCO به الکترود فلزی هدایت می شود و زمانی که نمونه غیرابررسانا می شود به جهت مخالف سوئیچ می کند. منشأ پتانسیل ممکن است به طور طبیعی با اثر مجاورتی 14،15،16،17 در رابط فلز-ابررسانا مرتبط باشد، زمانی که YBCO ابررسانا است و مقدار آن ~10-8 میلی ولت در 50 K با شدت لیزر 502 میلی وات تخمین زده می شود. /cm2. ترکیبی از یک ماده نوع p YBCO در حالت عادی با یک ماده از نوع n-خمیر نقره، به احتمال زیاد، یک اتصال شبه pn را تشکیل می دهد که مسئول رفتار PV سرامیک های YBCO در دماهای بالا است. مشاهدات ما منشأ اثر PV را در سرامیک های ابررسانای YBCO با دمای بالا روشن می کند و راه را برای کاربرد آن در دستگاه های الکترونیک نوری مانند آشکارساز نور غیرفعال سریع و غیره هموار می کند.
شکل 1a-c نشان می دهد که ویژگی های IV نمونه سرامیکی YBCO در 50 K. بدون روشنایی نور، ولتاژ در سراسر نمونه با تغییر جریان در صفر باقی می ماند، همانطور که می توان از یک ماده ابررسانا انتظار داشت. اثر فتوولتائیک آشکار زمانی ظاهر می شود که پرتو لیزر به سمت کاتد هدایت شود (شکل 1a): منحنی های IV موازی با محور I با افزایش شدت لیزر به سمت پایین حرکت می کنند. بدیهی است که یک ولتاژ ناشی از عکس منفی حتی بدون هیچ جریانی وجود دارد (که اغلب به آن ولتاژ مدار باز Voc گفته می شود). شیب صفر منحنی IV نشان می دهد که نمونه هنوز در زیر نور لیزر ابررسانا است.
(a–c) و 300 K (e–g). مقادیر V (I) با جارو کردن جریان از -10 میلی آمپر به +10 میلی آمپر در خلاء به دست آمد. تنها بخشی از داده های تجربی برای وضوح ارائه شده است. الف، مشخصه های جریان ولتاژ YBCO با نقطه لیزری که در کاتد (i) قرار دارد اندازه گیری می شود. تمام منحنی های IV خطوط مستقیم افقی هستند که نشان می دهد نمونه هنوز با تابش لیزر ابررسانا است. منحنی با افزایش شدت لیزر به سمت پایین حرکت می کند، که نشان می دهد یک پتانسیل منفی (Voc) بین دو سیم ولتاژ حتی با جریان صفر وجود دارد. منحنی های IV بدون تغییر باقی می مانند زمانی که لیزر به مرکز نمونه در اتر 50 K (b) یا 300 K (f) هدایت شود. با روشن شدن آند، خط افقی به سمت بالا حرکت می کند (c). یک مدل شماتیک از اتصال فلز-ابررسانا در 50 K در d نشان داده شده است. مشخصه های جریان ولتاژ حالت عادی YBCO در 300 K اندازه گیری شده با پرتو لیزر به سمت کاتد و آند به ترتیب در e و g آورده شده است. بر خلاف نتایج در 50 K، شیب غیر صفر خطوط مستقیم نشان می دهد که YBCO در حالت عادی است. مقادیر Voc با شدت نور در جهت مخالف تغییر می کند که نشان دهنده مکانیسم جداسازی بار متفاوت است. یک ساختار رابط ممکن در 300 K در hj تصویر واقعی نمونه با لیدها نشان داده شده است.
YBCO غنی از اکسیژن در حالت ابررسانا می تواند تقریباً طیف کاملی از نور خورشید را به دلیل شکاف انرژی بسیار کوچک خود جذب کند (به عنوان مثال) 9،10، در نتیجه جفت الکترون-حفره (e-h) ایجاد می کند. برای تولید یک ولتاژ مدار باز Voc با جذب فوتون ها، لازم است قبل از اینکه ترکیب مجدد اتفاق بیفتد، جفت های eh تولید شده توسط عکس به صورت مکانی جدا شوند. Voc منفی نسبت به کاتد و آند همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، نشان می دهد که یک پتانسیل الکتریکی در سرتاسر رابط فلز-ابررسانا وجود دارد که الکترون ها را به آند و سوراخ ها را به کاتد می برد. اگر چنین باشد، باید یک پتانسیل از ابررسانا به الکترود فلزی در آند نیز وجود داشته باشد. در نتیجه، اگر ناحیه نمونه نزدیک آند روشن باشد، یک Voc مثبت به دست می آید. علاوه بر این، هنگامی که نقطه لیزر به مناطق دور از الکترودها اشاره می شود، نباید ولتاژهای ناشی از عکس وجود داشته باشد. همانطور که از شکل 1b,c مشاهده می شود، مطمئناً چنین است.
هنگامی که نقطه نوری از الکترود کاتد به مرکز نمونه حرکت می کند (حدود 1.25 میلی متر جدا از سطوح مشترک)، هیچ گونه تغییری در منحنی های IV و هیچ Voc با افزایش شدت لیزر تا حداکثر مقدار موجود مشاهده نمی شود (شکل 1b). . به طور طبیعی، این نتیجه را می توان به طول عمر محدود حامل های ناشی از عکس و فقدان نیروی جداسازی در نمونه نسبت داد. هر زمان که نمونه روشن شود، می توان جفت الکترون-حفره ایجاد کرد، اما بیشتر جفت های e-h از بین می روند و اگر لکه لیزر در مناطق دور از هر یک از الکترودها بیفتد، اثر فتوولتائیک مشاهده نمی شود. با حرکت دادن نقطه لیزر به سمت الکترودهای آند، منحنی های IV موازی با محور I با افزایش شدت لیزر به سمت بالا حرکت می کنند (شکل 1c). میدان الکتریکی داخلی مشابهی در اتصال فلز-ابررسانا در آند وجود دارد. با این حال، الکترود فلزی این بار به سرب مثبت سیستم تست متصل می شود. سوراخ های تولید شده توسط لیزر به سمت سرب آند رانده می شوند و بنابراین یک Voc مثبت مشاهده می شود. نتایج ارائه شده در اینجا شواهد قوی را ارائه می دهد که در واقع یک پتانسیل رابط وجود دارد که از ابررسانا به الکترود فلزی اشاره می کند.
اثر فتوولتائیک در سرامیک های YBa2Cu3O6.96 در 300 K در شکل 1-g نشان داده شده است. بدون روشنایی نور، منحنی IV نمونه یک خط مستقیم است که از مبدا عبور می کند. این خط مستقیم به موازات خط اصلی به سمت بالا حرکت می کند و شدت لیزر افزایش می یابد که در سرنخ های کاتد تابش می شود (شکل 1e). دو مورد محدود کننده برای یک دستگاه فتوولتائیک وجود دارد. شرایط اتصال کوتاه زمانی رخ می دهد که V = 0 باشد. جریان در این مورد به عنوان جریان اتصال کوتاه (Isc) نامیده می شود. دومین مورد محدود کننده، شرایط مدار باز (Voc) است که زمانی رخ می دهد که R∞ یا جریان صفر باشد. شکل 1e به وضوح نشان می دهد که Voc مثبت است و با افزایش شدت نور افزایش می یابد، برخلاف نتیجه به دست آمده در 50 K. در حالی که یک Isc منفی مشاهده می‌شود که با تابش نور، بزرگی افزایش می‌یابد، که یک رفتار معمولی سلول‌های خورشیدی عادی است.
به طور مشابه، هنگامی که پرتو لیزر در مناطق دور از الکترودها قرار می گیرد، منحنی V(I) مستقل از شدت لیزر است و هیچ اثر فتوولتاییکی ظاهر نمی شود (شکل 1f). مشابه اندازه‌گیری در 50 K، منحنی‌های IV با تابش الکترود آند به جهت مخالف حرکت می‌کنند (شکل 1g). تمام این نتایج به دست آمده برای این سیستم خمیر YBCO-Ag در 300 K با لیزر تابش شده در موقعیت های مختلف نمونه با پتانسیل رابط مخالف با پتانسیل مشاهده شده در 50 K سازگار است.
بیشتر الکترون‌ها به صورت جفت کوپر در YBCO ابررسانا زیر دمای انتقال آن Tc متراکم می‌شوند. در حالی که در الکترود فلزی، تمام الکترون ها به شکل منفرد باقی می مانند. یک گرادیان چگالی بزرگ برای هر دو الکترون منفرد و جفت کوپر در مجاورت رابط فلز-ابررسانا وجود دارد. الکترون‌های منفرد حامل اکثریت در مواد فلزی در ناحیه ابررسانا منتشر می‌شوند، در حالی که جفت‌های کوپر حامل اکثریت در ناحیه YBCO در ناحیه فلزی منتشر می‌شوند. از آنجایی که جفت‌های کوپر بارهای بیشتری را حمل می‌کنند و تحرک بیشتری نسبت به الکترون‌های منفرد دارند، از YBCO به ناحیه فلزی پراکنده می‌شوند، اتم‌های با بار مثبت باقی می‌مانند و در نتیجه میدان الکتریکی در ناحیه بار فضایی ایجاد می‌شود. جهت این میدان الکتریکی در نمودار شماتیک شکل 1d نشان داده شده است. روشنایی فوتون تصادفی در نزدیکی ناحیه بار فضایی می‌تواند جفت‌های eh را ایجاد کند که از هم جدا شده و خارج می‌شوند و یک جریان نوری در جهت بایاس معکوس تولید می‌کنند. به محض اینکه الکترون ها از میدان الکتریکی داخلی خارج می شوند، به صورت جفت متراکم می شوند و بدون مقاومت به سمت الکترود دیگر جریان می یابند. در این حالت، Voc مخالف قطبیت از پیش تنظیم شده است و زمانی که پرتو لیزر به ناحیه اطراف الکترود منفی اشاره می کند، مقدار منفی را نشان می دهد. از مقدار Voc، پتانسیل در سراسر رابط را می توان تخمین زد: فاصله بین دو سیم ولتاژ d ~ 5 × 10-3 متر است، ضخامت رابط فلز-ابررسانا، di، باید به همان ترتیب بزرگی باشد. به عنوان طول پیوستگی ابررسانای YBCO (~1 نانومتر) 19،20، مقدار Voc = 0.03 میلی ولت، Vms پتانسیل در رابط فلز-ابررسانا با استفاده از معادله 10-11 ولت در 50 کلوین با شدت لیزر 502 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع ارزیابی می‌شود.
در اینجا می خواهیم تأکید کنیم که ولتاژ ناشی از عکس را نمی توان با اثر حرارتی عکس توضیح داد. به طور تجربی ثابت شده است که ضریب Seebeck ابررسانا YBCO Ss = 021 است. ضریب Seebeck برای سیم‌های سربی مسی در محدوده SCu = 0.34-1.15 μV/K3 است. دمای سیم مسی در نقطه لیزر را می توان با مقدار کمی 0.06 K با حداکثر شدت لیزر موجود در 50 K افزایش داد. این می تواند یک پتانسیل ترموالکتریک 6.9 × 10-8 V ایجاد کند که سه مرتبه قدر کوچکتر از Voc بدست آمده در شکل 1 (a). واضح است که اثر ترموالکتریک برای توضیح نتایج تجربی بسیار کوچک است. در واقع، تغییرات دمایی ناشی از تابش لیزر در کمتر از یک دقیقه ناپدید می‌شود، به طوری که می‌توان سهم اثر حرارتی را با خیال راحت نادیده گرفت.
این اثر فتوولتائیک YBCO در دمای اتاق نشان می دهد که مکانیسم جداسازی بار متفاوتی در اینجا دخیل است. YBCO ابر رسانا در حالت عادی یک ماده از نوع p با سوراخ هایی به عنوان حامل بار22،23 است، در حالی که خمیر نقره فلزی ویژگی های یک ماده نوع n را دارد. مشابه اتصالات pn، انتشار الکترون ها در خمیر نقره و حفره های سرامیک YBCO یک میدان الکتریکی داخلی را تشکیل می دهد که به سرامیک YBCO در سطح مشترک اشاره می کند (شکل 1h). این میدان داخلی است که نیروی جداسازی را فراهم می کند و منجر به Voc مثبت و Isc منفی برای سیستم خمیر YBCO-Ag در دمای اتاق می شود، همانطور که در شکل 1e نشان داده شده است. روش دیگر، Ag-YBCO می تواند یک اتصال شاتکی نوع p را تشکیل دهد که همچنین منجر به یک پتانسیل رابط با همان قطبیت مدل ارائه شده در بالا می شود.
برای بررسی فرآیند تکامل دقیق خواص فتوولتائیک در طول انتقال ابررسانایی YBCO، منحنی‌های IV نمونه در 80 K با شدت‌های لیزر انتخابی که در الکترود کاتد روشن می‌شوند اندازه‌گیری شد (شکل 2). بدون تابش لیزر، ولتاژ در سراسر نمونه بدون توجه به جریان در صفر باقی می ماند، که نشان دهنده وضعیت ابررسانایی نمونه در 80 K است (شکل 2a). مشابه داده‌های به‌دست‌آمده در 50 K، منحنی‌های IV موازی با محور I با افزایش شدت لیزر به سمت پایین حرکت می‌کنند تا زمانی که یک مقدار بحرانی Pc به دست آید. بالاتر از این شدت لیزر بحرانی (Pc)، ابررسانا تحت یک انتقال از فاز ابررسانا به فاز مقاومتی قرار می‌گیرد. ولتاژ به دلیل ظهور مقاومت در ابررسانا با جریان شروع به افزایش می کند. در نتیجه، منحنی IV شروع به تقاطع با محور I و محور V می کند که در ابتدا به یک Voc منفی و یک Isc مثبت منجر می شود. اکنون به نظر می رسد که نمونه در حالت خاصی قرار دارد که در آن قطبیت Voc و Isc به شدت نور بسیار حساس است. با افزایش بسیار کمی در شدت نور، Isc از مثبت به منفی و Voc از مقدار منفی به مثبت تبدیل می‌شود و از مبدأ عبور می‌کند (حساسیت بالای خواص فتوولتائیک، به‌ویژه مقدار Isc، به روشنایی نور را می‌توان به وضوح در شکل مشاهده کرد. 2b). در بالاترین شدت لیزر موجود، منحنی‌های IV قصد دارند با یکدیگر موازی باشند، که بیانگر وضعیت طبیعی نمونه YBCO است.
مرکز نقطه لیزر در اطراف الکترودهای کاتد قرار گرفته است (شکل 1i را ببینید). a، منحنی های IV YBCO تابش شده با شدت های مختلف لیزر. b (بالا)، وابستگی شدت لیزر ولتاژ مدار باز Voc و جریان اتصال کوتاه Isc. مقادیر Isc را نمی توان در شدت نور کم (<110 mW/cm2) به دست آورد زیرا منحنی های IV با محور I موازی هستند زمانی که نمونه در حالت ابررسانا قرار دارد. b (پایین)، مقاومت افتراقی به عنوان تابعی از شدت لیزر.
وابستگی شدت لیزر Voc و Isc در 80 K در شکل 2b (بالا) نشان داده شده است. خواص فتوولتائیک را می توان در سه ناحیه شدت نور مورد بحث قرار داد. ناحیه اول بین 0 و PC است که در آن YBCO ابررسانا است، Voc منفی است و با شدت نور و رسیدن به حداقل در PC کاهش می یابد (مقدار مطلق افزایش می یابد). ناحیه دوم از PC تا P0 با شدت بحرانی دیگر است که در آن Voc افزایش می یابد در حالی که Isc با افزایش شدت نور کاهش می یابد و هر دو در P0 به صفر می رسند. ناحیه سوم بالای P0 است تا زمانی که به حالت عادی YBCO برسد. اگرچه هر دو Voc و Isc با شدت نور به همان روشی که در ناحیه 2 وجود دارد تغییر می کنند، قطبیت مخالف بالاتر از شدت بحرانی P0 دارند. اهمیت P0 در این است که هیچ اثر فتوولتائیک وجود ندارد و مکانیسم جداسازی بار به طور کیفی در این نقطه خاص تغییر می کند. نمونه YBCO در این محدوده از شدت نور غیرابررسانا می شود، اما هنوز به حالت عادی رسیده است.
واضح است که ویژگی های فتوولتائیک سیستم ارتباط نزدیکی با ابررسانایی YBCO و انتقال ابررسانایی آن دارد. مقاومت دیفرانسیل، dV/dI، YBCO در شکل 2b (پایین) به عنوان تابعی از شدت لیزر نشان داده شده است. همانطور که قبلا ذکر شد، پتانسیل الکتریکی داخلی در رابط به دلیل نقاط انتشار جفت کوپر از ابررسانا به فلز است. مشابه آنچه در 50 K مشاهده شد، اثر فتوولتائیک با افزایش شدت لیزر از 0 به PC افزایش می یابد. هنگامی که شدت لیزر به مقدار کمی بالاتر از Pc می رسد، منحنی IV شروع به کج شدن می کند و مقاومت نمونه ظاهر می شود، اما قطبیت پتانسیل رابط هنوز تغییر نکرده است. اثر تحریک نوری بر روی ابررسانایی در ناحیه مرئی یا نزدیک به IR بررسی شده است. در حالی که فرآیند اساسی شکستن جفت‌های کوپر و از بین بردن ابررسانایی است25،26، در برخی موارد انتقال ابررسانایی را می‌توان افزایش داد27،28،29، حتی می‌توان فازهای جدیدی از ابررسانایی را القا کرد. عدم وجود ابررسانایی در کامپیوتر را می توان به شکستن جفت ناشی از عکس نسبت داد. در نقطه P0، پتانسیل در سراسر رابط صفر می شود، که نشان می دهد چگالی بار در هر دو طرف رابط تحت این شدت نور خاص به یک سطح می رسد. افزایش بیشتر در شدت لیزر منجر به از بین رفتن جفت‌های کوپر بیشتر می‌شود و YBCO به تدریج به یک ماده از نوع p تبدیل می‌شود. به جای انتشار جفت الکترون و کوپر، ویژگی رابط اکنون توسط انتشار الکترون و حفره تعیین می شود که منجر به معکوس شدن قطبیت میدان الکتریکی در سطح مشترک و در نتیجه یک Voc مثبت می شود (شکل 1d,h را مقایسه کنید). در شدت لیزر بسیار بالا، مقاومت دیفرانسیل YBCO به مقداری مطابق با حالت عادی اشباع می شود و هر دو Voc و Isc تمایل دارند به صورت خطی با شدت لیزر تغییر کنند (شکل 2b). این مشاهدات نشان می دهد که تابش لیزر در حالت عادی YBCO دیگر مقاومت آن و ویژگی رابط ابررسانا-فلز را تغییر نمی دهد، بلکه فقط غلظت جفت الکترون-حفره را افزایش می دهد.
برای بررسی تأثیر دما بر خواص فتوولتائیک، سیستم ابررسانای فلزی در کاتد با لیزر آبی با شدت 502 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع تابش شد. منحنی های IV بدست آمده در دماهای انتخابی بین 50 تا 300 کلوین در شکل 3a آورده شده است. سپس ولتاژ مدار باز Voc، جریان اتصال کوتاه Isc و مقاومت دیفرانسیل را می توان از این منحنی های IV بدست آورد و در شکل 3b نشان داده شده است. بدون روشنایی نور، تمام منحنی های IV اندازه گیری شده در دماهای مختلف، همانطور که انتظار می رود از مبدا عبور می کنند (داخل شکل 3a). هنگامی که سیستم توسط یک پرتو لیزر نسبتاً قوی (502 mW/cm2) روشن می شود، ویژگی های IV با افزایش دما به شدت تغییر می کند. در دماهای پایین منحنی های IV خطوط مستقیم موازی با محور I با مقادیر منفی Voc هستند. این منحنی با افزایش دما به سمت بالا حرکت می کند و به تدریج در دمای بحرانی Tcp به خطی با شیب غیر صفر تبدیل می شود (شکل 3a (بالا)). به نظر می رسد که تمام منحنی های مشخصه IV حول یک نقطه در ربع سوم می چرخند. Voc از مقدار منفی به مثبت افزایش می یابد در حالی که Isc از مقدار مثبت به مقدار منفی کاهش می یابد. در بالای دمای انتقال ابررسانای اصلی Tc YBCO، منحنی IV نسبتاً متفاوت با دما تغییر می کند (پایین شکل 3a). ابتدا مرکز چرخش منحنی های IV به ربع اول حرکت می کند. ثانیا، Voc همچنان کاهش می‌یابد و Isc با افزایش دما افزایش می‌یابد (بالای شکل 3b). ثالثاً، شیب منحنی‌های IV به صورت خطی با دما افزایش می‌یابد که منجر به یک ضریب دمایی مقاومت مثبت برای YBCO می‌شود (پایین شکل 3b).
وابستگی دما ویژگی های فتوولتائیک برای سیستم خمیر YBCO-Ag تحت نور لیزر 502 mW/cm2.
مرکز نقطه لیزر در اطراف الکترودهای کاتد قرار گرفته است (شکل 1i را ببینید). a، منحنی های IV به ترتیب از 50 تا 90 کلوین (بالا) و از 100 تا 300 کلوین (پایین) با افزایش دما 5 K و 20 K به دست آمد. Inset a ویژگی های IV را در چندین دما در تاریکی نشان می دهد. تمام منحنی ها از نقطه مبدا عبور می کنند. b، ولتاژ مدار باز Voc و جریان اتصال کوتاه Isc (بالا) و مقاومت دیفرانسیل، dV/dI، YBCO (پایین) به عنوان تابعی از دما. دمای انتقال ابررسانا با مقاومت صفر Tcp داده نشده است زیرا به Tc0 بسیار نزدیک است.
سه دمای بحرانی را می توان از شکل 3b تشخیص داد: Tcp، که بالاتر از آن YBCO غیر ابررسانا می شود. Tc0، که در آن هر دو Voc و Isc صفر می شوند و Tc، دمای انتقال ابررسانا شروع اولیه YBCO بدون تابش لیزر است. زیر Tcp ~ 55 K، YBCO تابش شده با لیزر در حالت ابررسانا با غلظت نسبتاً بالایی از جفت کوپر قرار دارد. اثر تابش لیزر کاهش مقاومت صفر درجه حرارت انتقال ابررسانا از 89 K به ~ 55 K (پایین شکل 3b) با کاهش غلظت جفت کوپر علاوه بر تولید ولتاژ و جریان فتوولتائیک است. افزایش دما همچنین جفت های کوپر را از بین می برد که منجر به پتانسیل پایین تر در رابط می شود. در نتیجه، مقدار مطلق Voc کوچکتر می شود، اگرچه شدت روشنایی لیزری یکسان اعمال می شود. پتانسیل رابط با افزایش بیشتر دما کوچکتر و کوچکتر می شود و در Tc0 به صفر می رسد. هیچ اثر فتوولتاییکی در این نقطه خاص وجود ندارد زیرا هیچ میدان داخلی برای جداسازی جفت الکترون-حفره ناشی از عکس وجود ندارد. معکوس شدن قطبیت پتانسیل بالاتر از این دمای بحرانی رخ می دهد زیرا چگالی بار آزاد در خمیر Ag بیشتر از YBCO است که به تدریج به یک ماده نوع p منتقل می شود. در اینجا می خواهیم تأکید کنیم که معکوس شدن قطبیت Voc و Isc بدون در نظر گرفتن علت انتقال، بلافاصله پس از انتقال ابررسانا با مقاومت صفر رخ می دهد. این مشاهدات برای اولین بار به وضوح ارتباط بین ابررسانایی و اثرات فتوولتائیک مرتبط با پتانسیل رابط فلز-ابررسانا را نشان می‌دهد. ماهیت این پتانسیل در سرتاسر رابط ابررسانا-فلز معمولی در چندین دهه گذشته مورد توجه تحقیقاتی قرار گرفته است، اما هنوز سوالات زیادی وجود دارد که منتظر پاسخ هستند. اندازه‌گیری اثر فتوولتائیک ممکن است روش مؤثری برای کاوش جزئیات (مانند قدرت و قطبیت آن و غیره) این پتانسیل مهم باشد و از این رو تأثیر مجاورت ابررسانا با دمای بالا را روشن کند.
افزایش بیشتر دما از Tc0 به Tc منجر به غلظت کمتر جفت کوپر و افزایش پتانسیل رابط و در نتیجه Voc بزرگتر می شود. در Tc غلظت جفت کوپر صفر می شود و پتانسیل ساخت در رابط به حداکثر می رسد و در نتیجه حداکثر Voc و حداقل Isc به دست می آید. افزایش سریع Voc و Isc (مقدار مطلق) در این محدوده دما مربوط به انتقال ابررسانایی است که با تابش لیزر با شدت 502 mW/cm2 از ΔT ~ 3 K به ~ 34 K افزایش یافته است (شکل 3b). در حالت های عادی بالای Tc، ولتاژ مدار باز Voc با دما کاهش می یابد (بالای شکل 3b)، مشابه رفتار خطی Voc برای سلول های خورشیدی معمولی بر اساس اتصالات pn31،32،33. اگرچه نرخ تغییر Voc با دما (-dVoc/dT)، که به شدت به شدت لیزر بستگی دارد، بسیار کمتر از سلول های خورشیدی معمولی است، ضریب دمایی Voc برای اتصال YBCO-Ag همان مرتبه بزرگی را دارد که از سلول های خورشیدی جریان نشتی یک اتصال pn برای یک دستگاه سلول خورشیدی معمولی با افزایش دما افزایش می‌یابد که منجر به کاهش Voc با افزایش دما می‌شود. منحنی های خطی IV مشاهده شده برای این سیستم ابررسانای Ag، اولاً به دلیل پتانسیل رابط بسیار کوچک و ثانیاً اتصال پشت سر هم دو اتصال ناهمگون، تعیین جریان نشتی را دشوار می کند. با این وجود، به نظر بسیار محتمل است که همان وابستگی دمایی جریان نشتی مسئول رفتار Voc مشاهده شده در آزمایش ما باشد. طبق تعریف، Isc جریانی است که برای تولید یک ولتاژ منفی برای جبران Voc لازم است تا ولتاژ کل صفر شود. با افزایش دما، Voc کوچکتر می شود به طوری که جریان کمتری برای تولید ولتاژ منفی مورد نیاز است. علاوه بر این، مقاومت YBCO به صورت خطی با دمای بالاتر از Tc افزایش می‌یابد (پایین شکل 3b)، که همچنین به قدر مطلق کوچکتر Isc در دماهای بالا کمک می‌کند.
توجه داشته باشید که نتایج ارائه شده در شکل 2،3 با تابش لیزر در ناحیه اطراف الکترودهای کاتد به دست می آید. اندازه‌گیری‌ها نیز با نقطه لیزری که در آند قرار گرفته است، تکرار شده‌اند و ویژگی‌های IV مشابه و خواص فتوولتائیک مشاهده شده‌اند، با این تفاوت که قطبیت Voc و Isc در این مورد معکوس شده است. همه این داده ها منجر به مکانیزمی برای اثر فتوولتائیک می شود که ارتباط نزدیکی با رابط ابررسانا و فلز دارد.
به طور خلاصه، ویژگی های IV سیستم خمیر ابررسانای YBCO-Ag تابش شده با لیزر به عنوان تابعی از دما و شدت لیزر اندازه گیری شده است. اثر فتوولتائیک قابل توجهی در محدوده دمایی 50 تا 300 کلوین مشاهده شده است. مشخص شد که خواص فتوولتائیک به شدت با ابررسانایی سرامیک‌های YBCO مرتبط است. معکوس شدن قطبیت Voc و Isc بلافاصله پس از انتقال ابررسانا به غیر ابررسانا ناشی از عکس رخ می دهد. وابستگی دمایی Voc و Isc که در شدت لیزر ثابت اندازه‌گیری می‌شود، یک معکوس قطبیت مشخص را در دمای بحرانی نشان می‌دهد که بالاتر از آن نمونه مقاومتی می‌شود. با قرار دادن نقطه لیزر در قسمت‌های مختلف نمونه، نشان می‌دهیم که یک پتانسیل الکتریکی در سرتاسر سطح مشترک وجود دارد که نیروی جدایی را برای جفت‌های الکترون-حفره ناشی از عکس فراهم می‌کند. این پتانسیل رابط زمانی که YBCO ابررسانا است از YBCO به الکترود فلزی هدایت می شود و زمانی که نمونه غیرابررسانا می شود به جهت مخالف سوئیچ می کند. منشأ پتانسیل ممکن است به طور طبیعی با اثر مجاورت در رابط فلز-ابررسانا مرتبط باشد، زمانی که YBCO ابررسانا است و تخمین زده می‌شود ~10-8 mV در 50 K با شدت لیزر 502 mW/cm2 باشد. تماس یک ماده از نوع p YBCO در حالت عادی با یک ماده نوع n خمیر Ag یک اتصال شبه pn را تشکیل می دهد که مسئول رفتار فتوولتائیک سرامیک های YBCO در دماهای بالا است. مشاهدات فوق تأثیر PV را در سرامیک های ابررسانای YBCO با دمای بالا روشن می کند و راه را برای کاربردهای جدید در دستگاه های الکترونیک نوری مانند آشکارساز نور غیرفعال سریع و آشکارساز تک فوتون هموار می کند.
آزمایش‌های اثر فتوولتائیک بر روی یک نمونه سرامیکی YBCO به ضخامت 0.52 میلی‌متر و شکل مستطیلی 8.64 × 2.26 میلی‌متر مربع انجام شد و توسط لیزر آبی موج پیوسته (λ = 450 نانومتر) با اندازه نقطه لیزری 1.25 میلی‌متر در شعاع روشن شد. استفاده از نمونه حجیم به جای لایه نازک، ما را قادر می سازد تا خواص فتوولتائیک ابررسانا را بدون نیاز به مقابله با تأثیر پیچیده زیرلایه مطالعه کنیم. علاوه بر این، مواد فله می تواند برای روش آماده سازی ساده و هزینه نسبتا کم آن مفید باشد. سیم‌های سربی مسی روی نمونه YBCO با خمیر نقره به هم چسبیده و چهار الکترود دایره‌ای به قطر حدود 1 میلی‌متر را تشکیل می‌دهند. فاصله بین دو الکترود ولتاژ حدود 5 میلی متر است. مشخصات IV نمونه با استفاده از مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی (VersaLab، Quantum Design) با پنجره کریستال کوارتز اندازه گیری شد. برای به دست آوردن منحنی های IV از روش استاندارد چهار سیمه استفاده شد. موقعیت نسبی الکترودها و نقطه لیزر در شکل 1i نشان داده شده است.
نحوه استناد به این مقاله: Yang, F. et al. منشأ اثر فتوولتائیک در سرامیک های ابررسانا YBa2Cu3O6.96. علمی Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang، CL، Kleinhammes، A.، Moulton، WG & Testardi، LR ولتاژهای ناشی از لیزر تقارن ممنوع در YBa2Cu3O7. فیزیک Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok، HS، Zheng، JP & Dong، SY منشأ سیگنال فتوولتائیک غیرعادی در Y-Ba-Cu-O. فیزیک Rev. B 43, 6270-6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW اندازه گیری ولتاژهای القا شده توسط لیزر ابررسانا Bi-Sr-Ca-Cu-O. فیزیک Rev. B 46, 5773-5776 (1992).
Tate، KL، و همکاران. ولتاژهای گذرا ناشی از لیزر در فیلم های دمای اتاق YBa2Cu3O7-x. J. Appl. فیزیک 67, 4375-4376 (1990).
پاسخ فتوولتائیک غیرعادی Kwok، HS و Zheng، JP در YBa2Cu3O7. فیزیک Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. تزریق حامل سوراخ به YBa2Cu3O7-x در یک ساختار ناهمسان اکسیدی. Appl. فیزیک Lett. 85، 2950-2952 (2004).
آساکورا، دی و همکاران. مطالعه انتشار نوری لایه‌های نازک YBa2Cu3Oy تحت نور نور. فیزیک کشیش لِت 93, 247006 (2004).
یانگ، اف و همکاران. اثر فتوولتائیک YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3: Nb ناهمگونی بازپخت شده در فشار جزئی اکسیژن مختلف. ماتر Lett. 130، 51-53 (2014).
امینوف، BA و همکاران. ساختار دو شکاف در تک بلورهای Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. جی. سوپرکاند. 7, 361-365 (1994).
Kabanov، VV، Demsar، J.، Podobnik، B. & Mihailovic، D. دینامیک آرامش شبه ذره در ابررساناها با ساختارهای شکاف مختلف: نظریه و آزمایشات بر روی YBa2Cu3O7-δ. فیزیک Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun، JR، Xiong، CM، Zhang، YZ و Shen، BG خواص اصلاحی ناهمگونی YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. فیزیک Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás، K.، Porter، CD، Doss، MG، Herr، SL و Tanner، DB جذب Excitonic و ابررسانایی در YBa2Cu3O7-δ. فیزیک کشیش لِت 59، 919-922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. رسانایی القای نوری گذرا در تک بلورهای نیمه هادی YBa2Cu3O6.3: جستجو برای حالت فلزی ناشی از نور و ابررسانایی القا شده با نور. جامعه حالت جامد. 72، 345-349 (1989).
مک میلان، مدل تونل زنی WL اثر مجاورت ابررسانا. فیزیک Rev. 175, 537-542 (1968).
Guéron، S. و همکاران. اثر مجاورتی ابررسانا در مقیاس طول مزوسکوپی بررسی شد. فیزیک کشیش لِت 77, 3025-3028 (1996).
Annunziata، G. & Manske، D. اثر مجاورت با ابررساناهای غیرمتقارن. فیزیک Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu، FM و همکاران. اثر مجاورتی ابررسانا قوی در ساختارهای هیبریدی Pb-Bi2Te3. علمی Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL یک فتوسل اتصال pn سیلیکونی جدید برای تبدیل تابش خورشیدی به نیروی الکتریکی. J. App. فیزیک 25, 676-677 (1954).
Tomimoto، K. اثرات ناخالصی بر طول پیوستگی ابررسانا در تک بلورهای دوپ شده با روی یا نیکل YBa2Cu3O6.9. فیزیک Rev. B 60, 114-117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. مقاومت مغناطیسی تک کریستالهای Untwinned YBa2Cu3Oy در طیف گسترده ای از دوپینگ: وابستگی غیرعادی سوراخ-دوپینگ طول همدوسی. فیزیک کشیش لِت 88, 167005 (2002).
Obertelli، SD & Cooper، JR Systematics در قدرت ترموالکتریک اکسیدهای با T بالا. فیزیک Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai، S. et al. تغییر تکانه وابسته به چگالی حامل اوج منسجم و حالت فونون LO در ابررساناهای Tc بالا نوع p. فیزیک Rev. B 68, 184504 (2003).
نوجیما، تی و همکاران کاهش سوراخ و تجمع الکترون در لایه‌های نازک YBa2Cu3Oy با استفاده از تکنیک الکتروشیمیایی: شواهدی برای حالت فلزی نوع n فیزیک Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT فیزیک و شیمی ارتفاع مانع شاتکی. Appl. فیزیک Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz، GA، Chi، CC، Denenstein، A. & Langenberg، DN Effects of Dynamic External Pair Breaking در فیلم های ابررسانا. فیزیک کشیش لِت 33، 215-219 (1974).
نیوا، جی و همکاران. افزایش ابررسانایی ناشی از نور. Appl. فیزیک Lett. 60، 2159-2161 (1992).
کودینوف، VI و همکاران. رسانایی نوری پایدار در فیلم‌های YBa2Cu3O6+x به عنوان روشی برای فتوداپینگ به سمت فازهای فلزی و ابررسانا. فیزیک Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky، R. و همکاران. دینامیک شبکه غیرخطی به عنوان مبنایی برای افزایش ابررسانایی در YBa2Cu3O6.5. Nature 516، 71-74 (2014).
فاوستی، دی و همکاران. ابررسانایی ناشی از نور در یک کوپرات مرتب شده با نوار. Science 331, 189-191 (2011).
El-Adawi، MK & Al-Naim، IA وابستگی عملکردی دمایی VOC برای یک سلول خورشیدی در رابطه با کارایی آن رویکرد جدید. نمک زدایی 209، 91-96 (2007).
ورنون، اس ام و اندرسون، WA اثرات دما در سلول های خورشیدی سیلیکونی مانع شاتکی. Appl. فیزیک Lett. 26, 707 (1975).
Katz، EA، Faiman، D. & Tuladhar، SM وابستگی به دما برای پارامترهای دستگاه فتوولتائیک سلول‌های خورشیدی پلیمری-فولرن تحت شرایط عملیاتی. J. Appl. فیزیک 90, 5343-5350 (2002).
این کار توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین (Grant No. 60571063)، پروژه های تحقیقاتی بنیادی استان هنان، چین (Grant No. 122300410231) پشتیبانی شده است.
FY متن مقاله را نوشت و MYH نمونه سرامیک YBCO را آماده کرد. FY و MYH آزمایش را انجام دادند و نتایج را تجزیه و تحلیل کردند. FGC پروژه و تفسیر علمی داده ها را رهبری کرد. همه نویسندگان مقاله را بررسی کردند.
این اثر تحت مجوز Creative Commons Attribution 4.0 بین المللی مجوز دارد. تصاویر یا سایر مطالب شخص ثالث در این مقاله در مجوز Creative Commons مقاله گنجانده شده است، مگر اینکه در خط اعتباری غیر از این مشخص شده باشد. اگر مطالب تحت مجوز Creative Commons گنجانده نشده باشد، کاربران باید برای بازتولید مطالب از دارنده مجوز مجوز بگیرند. برای مشاهده نسخه ای از این مجوز، به http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ مراجعه کنید
Yang, F., Han, M. & Chang, F. منشا اثر فتوولتائیک در سرامیک های ابررسانا YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
با ارسال نظر، موافقت می کنید که از شرایط و دستورالعمل های انجمن ما پیروی کنید. اگر موردی توهین آمیز یافتید یا با شرایط یا دستورالعمل های ما مطابقت نداشت، لطفاً آن را به عنوان نامناسب پرچم گذاری کنید.
زمان ارسال: آوریل-22-2020