Tankewol foar it besykjen fan nature.com. Jo brûke in browserferzje mei beheinde stipe foar CSS. Om de bêste ûnderfining te krijen, riede wy oan dat jo in mear bywurke blêder brûke (of kompatibiliteitsmodus útsette yn Internet Explorer). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Wy rapportearje opmerklike fotovoltaïske effekt yn YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramyk tusken 50 en 300 K feroarsake troch blauwe laserferljochting, dy't direkt relatearre is oan de supergeleiding fan YBCO en de YBCO-metallyske elektrode-ynterface. Der is in polariteit omkearing foar de iepen circuit spanning Voc en koartsluting hjoeddeistige Isc doe't YBCO ûndergiet in oergong fan superconducting nei resistive steat. Wy litte sjen dat der in elektrysk potinsjeel bestiet oer de superconductor-normale metalen ynterface, dy't de skiedingskrêft leveret foar de foto-induzearre elektroanen-gat-pearen. Dit ynterface potinsjeel rjochtet fan YBCO nei de metalen elektrodes doe't YBCO is superconducting en skeakelt nei de tsjinoerstelde rjochting doe't YBCO wurdt nonsuperconducting. De oarsprong fan it potinsjeel kin maklik assosjeare wurde mei it proximity-effekt by metaal-supergeleider-ynterface as YBCO supergelieder is en syn wearde wurdt rûsd op ~10-8 mV by 50 K mei in laserintensiteit fan 502 mW/cm2. Kombinaasje fan in p-type materiaal YBCO yn normale steat mei in n-type materiaal Ag-paste foarmet in kwasi-pn knooppunt dy't ferantwurdlik is foar it fotovoltaïske gedrach fan YBCO keramyk by hege temperatueren. Us befiningen kinne it paad nei nije tapassingen fan foton-elektroanyske apparaten pleatse en fierder ljocht werpe op it tichtby-effekt by de superconductor-metaal-ynterface.
Foto-induzearre spanning yn supergelieders mei hege temperatuer is rapportearre yn 'e iere 1990's en sûnt wiidweidich ûndersocht, dochs bliuwe har aard en meganisme ûnrêstich1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tinne films6,7,8, benammen, wurde yntinsyf studearre yn 'e foarm fan fotovoltaïsche (PV) sel fanwege syn ferstelbere enerzjy gat9,10,11,12,13. Hege wjerstân fan it substraat liedt lykwols altyd ta in lege konverzje-effisjinsje fan it apparaat en maskearret de primêre PV-eigenskippen fan YBCO8. Hjir melde wy opmerklik fotovoltaïsk effekt feroarsake troch blauwe laser (λ = 450 nm) ferljochting yn YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramyk tusken 50 en 300 K (Tc ~ 90 K). Wy litte sjen dat it PV-effekt direkt relatearre is oan de superkonduktiviteit fan YBCO en de aard fan 'e YBCO-metallyske elektrodes ynterface. Der is in polariteit omkearing foar de iepen circuit spanning Voc en koartsluting hjoeddeistige Isc doe't YBCO ûndergiet in oergong fan superconducting faze nei in resistive steat. It wurdt foarsteld dat d'r in elektryske potinsjeel bestiet oer de superconductor-normale metalen ynterface, dy't de skiedingskrêft leveret foar de foto-induzearre elektroanen-gat-pearen. Dit ynterface potinsjeel rjochtet fan YBCO nei de metalen elektrodes doe't YBCO is superconducting en skeakelt nei de tsjinoerstelde rjochting as it stekproef wurdt nonsuperconducting. De oarsprong fan it potinsjeel kin natuerlik assosjeare wurde mei it proximity-effekt14,15,16,17 by metal-supergeleider-ynterface as YBCO supergelieder is en syn wearde wurdt rûsd op ~10-8 mV by 50 K mei in laserintensiteit fan 502 mW /cm2. Kombinaasje fan in p-type materiaal YBCO yn normale steat mei in n-type materiaal Ag-paste foarmet, nei alle gedachten, in kwasy-pn knooppunt dat is ferantwurdlik foar de PV gedrach fan YBCO keramyk by hege temperatueren. Us waarnimmings smyt fierder ljocht op 'e oarsprong fan PV effekt yn hege temperatuer superconducting YBCO keramyk en pave it paad foar syn tapassing yn opto-elektroanyske apparaten lykas flugge passive ljocht detector etc.
Figure 1a-c lit sjen dat de IV skaaimerken fan YBCO keramyske sample by 50 K. Sûnder ljocht ferljochting, de spanning oer de stekproef bliuwt op nul mei wikseljende stroom, lykas kin wurde ferwachte út in superconducting materiaal. Dúdlik photovoltaïsk effekt ferskynt as laser beam wurdt rjochte op cathode (figuer 1a): de IV curves parallel oan de I-as beweecht nei ûnderen mei tanimmende laser yntinsiteit. It is dúdlik dat d'r in negative foto-induzearre spanning is, sels sûnder stroom (faak neamd iepen circuit spanning Voc). De nulhelling fan 'e IV-kromme jout oan dat it stekproef noch altyd superliedt ûnder laserferljochting.
(a–c) en 300 K (e–g). Wearden fan V (I) waarden krigen troch sweeping de hjoeddeiske fan -10 mA nei +10 mA yn fakuüm. Allinnich in diel fan 'e eksperimintele gegevens wurdt foar de dúdlikens presintearre. a, Strom-voltage skaaimerken fan YBCO mjitten mei laser spot gepositioneerd by de kathode (i). Alle IV-kurven binne horizontale rjochte linen dy't oanjaan dat it stekproef noch altyd superleitend is mei laserbestraling. De kromme beweecht nei ûnderen mei tanimmende laserintensiteit, wat oanjout dat der in negatyf potinsjeel (Voc) bestiet tusken de twa spanningsliedingen sels mei nulstroom. De IV-kurven bliuwe net feroare as de laser rjochte is op it sintrum fan 'e stekproef op ether 50 K (b) of 300 K (f). De horizontale line beweecht omheech as de anode wurdt ferljochte (c). In skematysk model fan metaal-supergeleider-knooppunt by 50 K wurdt werjûn yn d. Stromspanningskarakteristiken fan normale steat YBCO by 300 K mjitten mei laserstraal rjochte op kathode en anode wurde respektivelik yn e en g jûn. Yn tsjinstelling ta de resultaten op 50 K jout net-nul helling fan de rjochte linen oan dat YBCO is yn normale steat; de wearden fan Voc fariearje mei ljocht yntinsiteit yn in tsjinoerstelde rjochting, wat oanjout in oare lading skieding meganisme. In mooglike ynterface struktuer op 300 K wurdt ôfbylde yn hj It echte byld fan de stekproef mei leads.
Oxygen-rike YBCO yn supergeleidende steat kin hast folslein spektrum fan sinneljocht absorbearje fanwege syn tige lytse enerzjy gap (Bygelyks) 9,10, dêrmei it meitsjen fan elektron-gat pearen (e–h). Om produsearje in iepen circuit voltage Voc troch opname fan fotonen, is it nedich om romtlik skieden foto-generearre eh pearen foar rekombinaasje optreedt18. De negative Voc, relatyf oan de kathode en anode lykas oanjûn yn figuer 1i, suggerearret dat der in elektryske potinsje oer de metaal-supergeleider ynterface, dy't sweeps de elektroanen oan 'e anode en gatten oan' e kathode. As dit it gefal is, moat der ek in potinsjeel wêze dy't fan superconductor nei de metalen elektrode by anode wiist. Dêrtroch soe in positive Voc wurde krigen as it stekproefgebiet tichtby de anode wurdt ferljochte. Fierder moat der gjin foto-induzearre spanningen wêze as it laserspot wurdt wiisd op gebieten fier fan 'e elektroden. It is grif it gefal sa't bliken docht út figuer 1b,c!.
Wannear't it ljocht spot beweecht fan de kathode elektrodes nei it sintrum fan it stekproef (sawat 1,25 mm apart fan de ynterfaces), kin gjin fariaasje fan IV curves en gjin Voc wurde waarnommen mei tanimmende laser yntinsiteit oant de maksimale wearde beskikber (figuer 1b) . Natuerlik kin dit resultaat wurde taskreaun oan it beheinde libben fan foto-induzearre dragers en it gebrek oan skiedingskrêft yn 'e stekproef. Elektronen-gat-pearen kinne wurde makke as it stekproef ferljochte wurdt, mar de measte fan 'e e-h-pearen sille wurde ferneatige en gjin fotovoltaïsk effekt wurdt waarnommen as it laserspot falt op gebieten fier fuort fan ien fan 'e elektroden. It ferpleatsen fan de laser spot nei de anode elektroden, de IV curves parallel oan de I-as beweecht omheech mei tanimmende laser yntinsiteit (figuer 1c). Soartgelikense ynboude elektryske fjild bestiet yn 'e metalen-supergeleider-knooppunt by de anode. De metallyske elektrode ferbynt lykwols dizze kear mei de positive lead fan it testsysteem. De gatten produsearre troch de laser wurde skood nei de anode lead en dus in positive Voc wurdt waarnommen. De hjir presintearre resultaten jouwe sterk bewiis dat d'r yndie in ynterfacepotinsjeel bestiet dy't wiist fan 'e supergeleider nei de metalen elektrodes.
Photovoltaic effekt yn YBa2Cu3O6.96 keramyk op 300 K wurdt werjûn yn figuer 1e-g. Sûnder ljocht ferljochting, IV kromme fan it stekproef is in rjochte line krúst de oarsprong. Dizze rjochte line beweecht omheech parallel oan de oarspronklike ien mei tanimmende laser yntinsiteit irradiating by de cathode leads (figuer 1e). D'r binne twa beheinende gefallen fan belang foar in fotovoltaïsk apparaat. De koartsluting betingst komt as V = 0. De aktuele yn dit gefal wurdt oantsjutten as de koartsluting stroom (Isc). It twadde beheinende gefal is de iepen-circuit-betingsten (Voc) dy't optreedt as R→∞ of de stroom nul is. Figure 1e lit dúdlik sjen dat Voc is posityf en nimt ta mei tanimmende ljocht yntinsiteit, yn tsjinstelling ta it resultaat krigen by 50 K; wylst in negative Isc wurdt waarnommen om te fergrutsjen yn omfang mei ljocht ferljochting, in typysk gedrach fan normale sinnesellen.
Lykas, doe't de laser beam wurdt wiisd op gebieten fier fuort fan 'e elektroden, de V (I) kromme is ûnôfhinklik fan de laser yntinsiteit en der is gjin photovoltaic effekt ferskynde (figuer 1f). Fergelykber mei de mjitting by 50 K, ferpleatse de IV-kurven nei de tsjinoerstelde rjochting as de anode-elektrode wurdt bestraald (fig. 1g). Al dizze resultaten krigen foar dit YBCO-Ag-pastsysteem by 300 K mei laser bestraling op ferskate posysjes fan 'e stekproef binne konsistint mei in ynterfacepotinsjeel tsjinoer dat waarnommen by 50 K.
De measte elektroanen kondensearje yn Cooper-pearen yn supergeleidende YBCO ûnder syn oergongtemperatuer Tc. Wylst yn 'e metalen elektrodes, alle elektroanen bliuwe yn iental foarm. D'r is in grutte tichtensgradient foar sawol ientallige elektroanen as Cooper-pearen yn 'e omkriten fan' e metaal-supergeleider-ynterface. Mearderheid-drager iental elektroanen yn metallysk materiaal sil diffúsje yn de superconductor regio, wylst mearderheid-drager Cooper-pearen yn YBCO regio sil diffúsje yn de metalen regio. As Cooper-pearen dy't mear ladingen drage en in gruttere mobiliteit hawwe as ientallige elektroanen diffúsje fan YBCO yn metallysk gebiet, wurde posityf opladen atomen efterlitten, wat resulteart yn in elektrysk fjild yn 'e romteladingsregio. De rjochting fan dit elektryske fjild wurdt werjûn yn it skematyske diagram Fig.. 1d. Incident photon ferljochting tichtby de romte lading regio kin meitsje eh pearen dy't sil wurde skieden en sweept produsearje in photocurrent yn 'e omkearde-bias rjochting. Sadree't de elektroanen út it ynboude elektryske fjild komme, wurde se yn pearen kondinsearre en streame sûnder wjerstân nei de oare elektrode. Yn dit gefal is de Voc tsjinoer de foarynstelde polariteit en toant in negative wearde as de laserstraal wiist nei it gebiet om 'e negative elektrodes hinne. Fanút de wearde fan Voc kin it potinsjeel oer de ynterface wurde rûsd: de ôfstân tusken de twa spanningsliedingen d is ~5 × 10-3 m, de dikte fan 'e metaal-supergeleider-ynterface, di, moat deselde folchoarder fan grutte wêze as de gearhing lingte fan YBCO superconductor (~ 1 nm) 19,20, nim de wearde fan Voc = 0,03 mV, de potinsjele Vms by de metaal-supergeleider-ynterface wurdt evaluearre om ~ 10-11 V te wêzen by 50 K mei in laserintensiteit fan 502 mW/cm2, mei help fan fergeliking,
Wy wolle hjir beklamje dat de foto-induzearre spanning net kin wurde ferklearre troch fototermyske effekt. It is eksperiminteel fêststeld dat de Seebeck-koëffisjint fan superconductor YBCO Ss = 021 is. De Seebeck-koëffisjint foar koperen leaddraden is yn it berik fan SCu = 0,34–1,15 μV/K3. De temperatuer fan 'e koperdraad op it laserplak kin opheft wurde troch in lyts bedrach fan 0,06 K mei maksimale laserintensiteit beskikber op 50 K. Dit kin in thermoelektrysk potensjeel fan 6,9 × 10-8 V produsearje, wat trije oarders lytser is as de Voc krigen yn Fig. 1 (a). It is evident dat it thermoelektryske effekt te lyts is om de eksperimintele resultaten te ferklearjen. Yn feite soe de temperatuerfariaasje troch laserbestraling yn minder dan ien minút ferdwine, sadat de bydrage fan thermyske effekt feilich negearre wurde kin.
Dit fotovoltaïske effekt fan YBCO by keamertemperatuer docht bliken dat in oare lading skieding meganisme is belutsen hjir. Superconducting YBCO yn normale steat is in p-type materiaal mei gatten as lading carrier22,23, wylst metallysk Ag-paste hat skaaimerken fan in n-type materiaal. Similar to pn junctions, de diffusion fan elektroanen yn 'e sulveren paste en gatten yn YBCO keramyk sil foarmje in ynterne elektryske fjild wiist op de YBCO keramyk by de ynterface (figuer 1h). It is dit ynterne fjild dat jout de skieding krêft en liedt ta in positive Voc en negative Isc foar de YBCO-Ag paste systeem by keamertemperatuer, lykas werjûn yn figuer 1e. As alternatyf, Ag-YBCO koe foarmje in p-type Schottky knooppunt dat ek liedt ta in ynterface potinsjeel mei deselde polariteit as yn it model presintearre hjirboppe24.
Om it detaillearre evolúsjeproses fan 'e fotovoltaïske eigenskippen te ûndersiikjen yn' e superkonduktearjende oergong fan YBCO, waarden IV-kurven fan 'e stekproef op 80 K metten mei selektearre laserintensiteiten dy't ferljochtsje op kathodeelektrode (figuer 2). Sûnder laser irradiation, de spanning oer de stekproef hâldt op nul nettsjinsteande aktuele, oanjout de superconducting steat fan it stekproef op 80 K (Fig. 2a). Fergelykber mei de gegevens krigen by 50 K, bewege IV-kurven parallel oan 'e I-as nei ûnderen mei tanimmende laserintensiteit oant in krityske wearde Pc wurdt berikt. Boppe dizze krityske laserintensiteit (Pc) ûndergiet de supergeleider in oergong fan in supergeleidende faze nei in resistive faze; de spanning begjint te ferheegjen mei aktuele troch it ferskinen fan wjerstân yn 'e superconductor. As gefolch, de IV-kromme begjint te snijen mei de I-as en V-as dy't liedt ta in negative Voc en in positive Isc earst. No liket it monster yn in spesjale steat te wêzen wêryn de polariteit fan Voc en Isc ekstreem gefoelich is foar ljochtintensiteit; mei in heul lytse ferheging fan ljochtintensiteit wurdt Isc omboud fan posityf nei negatyf en Voc fan negatyf nei positive wearde, troch de oarsprong (de hege gefoelichheid fan fotovoltaïske eigenskippen, benammen de wearde fan Isc, foar ljochtferljochting is dúdliker te sjen yn Fig. 2b). By de heechste beskikbere laserintensiteit binne de IV-kurven fan doel om parallel mei elkoar te wêzen, wat de normale steat fan 'e YBCO-monster oanjout.
De laser spot sintrum wurdt pleatst om de kathode elektroden (sjoch fig. 1i). a, IV-kurven fan YBCO bestraald mei ferskillende laserintensiteiten. b (top), Laser yntinsiteit ôfhinklikheid fan iepen circuit spanning Voc en koartsluting hjoeddeistige Isc. De Isc-wearden kinne net wurde krigen by lege ljochtintensiteit (<110 mW / cm2), om't de IV-kurven parallel binne oan 'e I-as as it stekproef yn supergeleidende steat is. b (ûnder), differinsjaaloperator ferset as funksje fan laser yntinsiteit.
De ôfhinklikens fan laserintensiteit fan Voc en Isc by 80 K wurdt werjûn yn figuer 2b (top). De fotovoltaïske eigenskippen kinne wurde besprutsen yn trije regio's fan ljochtintensiteit. De earste regio is tusken 0 en Pc, dêr't YBCO is superconducting, Voc is negatyf en nimt ôf (absolute wearde nimt ta) mei ljocht yntinsiteit en it berikken fan in minimum by Pc. De twadde regio is fan Pc nei in oare krityske yntensiteit P0, wêryn Voc ferheget wylst Isc ôfnimt mei tanimmende ljochtintensiteit en beide berikke nul by P0. De tredde regio is boppe P0 oant normale steat fan YBCO wurdt berikt. Hoewol sawol Voc as Isc fariearje mei ljochtintensiteit op deselde wize as yn regio 2, hawwe se tsjinoerstelde polariteit boppe de krityske yntinsiteit P0. De betsjutting fan P0 leit yn dat d'r gjin fotovoltaïsk effekt is en it ladingskiedingsmeganisme feroaret kwalitatyf op dit bepaalde punt. It YBCO-monster wurdt net-supergeleidend yn dit berik fan ljochtintensiteit, mar de normale steat is noch te berikken.
Dúdlik binne de fotovoltaïske skaaimerken fan it systeem nau besibbe oan de superkonduktiviteit fan YBCO en syn superkonduktyf oergong. De differinsjaaloperator ferset, dV / dI, fan YBCO wurdt werjûn yn figuer 2b (ûnder) as funksje fan laser yntinsiteit. Lykas earder neamd, is it ynboude elektryske potinsjeel yn 'e ynterface troch Cooper-peardiffusjonspunten fan' e supergeleider nei metaal. Fergelykber mei dat waarnommen by 50 K, wurdt fotovoltaïske effekt ferbettere mei tanimmende laserintensiteit fan 0 nei Pc. Doe't de laser yntinsiteit berikt in wearde wat boppe Pc, de IV kromme begjint te tilt en de wjerstân fan de stekproef begjint te ferskinen, mar de polariteit fan de ynterface potinsjeel is noch net feroare. It effekt fan optyske excitaasje op 'e superkonduktiviteit is ûndersocht yn' e sichtbere of near-IR-regio. Wylst it basisproses is om de Cooper-pearen op te brekken en de supergeleiding te ferneatigjen25,26, yn guon gefallen kin de oergong fan supergeleiding wurde ferbettere27,28,29, nije fazen fan supergeduktiviteit kinne sels wurde feroarsake30. It ûntbrekken fan supergeleiding by Pc kin wurde taskreaun oan it foto-induzearre pear brekken. Op it punt P0 wurdt it potinsjeel oer de ynterface nul, wat oanjout dat de ladingstichtens oan beide kanten fan 'e ynterface itselde nivo berikt ûnder dizze bepaalde yntensiteit fan ljochtferljochting. Fierdere tanimming fan laser yntinsiteit resultearret yn mear Cooper pearen wurde ferneatige en YBCO wurdt stadichoan omfoarme werom nei in p-type materiaal. Yn stee fan elektron en Cooper pear diffusion, wurdt it skaaimerk fan de ynterface no bepaald troch elektron en gat diffusion dy't liedt ta in polariteit omkearing fan it elektryske fjild yn de ynterface en dêrtroch in positive Voc (ferlykje Fig.1d, h). By tige hege laser yntinsiteit, de differinsjaaloperator ferset fan YBCO saturates nei in wearde oerienkommende mei de normale steat en sawol Voc en Isc tend to fariearje lineêr mei laser yntinsiteit (figuer 2b). Dizze observaasje docht bliken dat laser bestraling op normale steat YBCO sil net langer feroarje syn resistivity en de funksje fan de superconductor-metaal ynterface, mar allinnich fergrutsje de konsintraasje fan de elektroanen-gat pearen.
Om it effekt fan temperatuer op 'e fotovoltaïske eigenskippen te ûndersykjen, waard it metaal-supergeleidersysteem op' e kathode bestraald mei blauwe laser fan yntinsiteit 502 mW / cm2. IV-kurven krigen by selektearre temperatueren tusken 50 en 300 K wurde jûn yn figuer 3a. De iepen circuit spanning Voc, koartsluting stroom Isc en de differinsjaaloperator ferset kin dan wurde krigen út dizze IV curves en wurde werjûn yn figuer 3b. Sûnder ljochtferljochting passe alle IV-kurven mjitten op ferskillende temperatueren de oarsprong lykas ferwachte (ynset fan Fig. 3a). De IV skaaimerken feroarje drastysk mei tanimmende temperatuer as it systeem wurdt ferljochte troch in relatyf sterke laser beam (502 mW / cm2). By lege temperatueren binne de IV-kurven rjochte linen parallel oan de I-as mei negative wearden fan Voc. Dizze kromme beweecht nei boppen mei tanimmende temperatuer en stadichoan feroaret yn in line mei in net-nul helling by in krityske temperatuer Tcp (fig. 3a (boppe)). It liket derop dat alle IV karakteristike bochten draaie om in punt yn it tredde kwadrant. Voc nimt ta fan in negative wearde nei in positive, wylst Isc ôfnimt fan in positive nei in negative wearde. Boppe de oarspronklike supergeleidende oergongtemperatuer Tc fan YBCO feroaret de IV-kromme frijwat oars mei temperatuer (ûnderoan Fig. 3a). As earste beweecht it rotaasjesintrum fan 'e IV-kurven nei it earste kwadrant. Twads, Voc bliuwt ôfnimme en Isc tanimmend mei tanimmende temperatuer (boppeste fan Fig. 3b). Tredde, de helling fan de IV curves tanimme lineêr mei temperatuer resultearret yn in positive temperatuer koëffisjint fan wjerstân foar YBCO (ûnderkant fan Fig. 3b).
Temperatuer ôfhinklikens fan fotovoltaïske skaaimerken foar YBCO-Ag paste systeem ûnder 502 mW / cm2 laser ferljochting.
De laser spot sintrum wurdt pleatst om de kathode elektroden (sjoch fig. 1i). a, IV-kurven krigen fan 50 oant 90 K (boppe) en fan 100 oant 300 K (ûnder) mei in temperatuerferheging fan respektivelik 5 K en 20 K. Inset in lit IV skaaimerken op ferskate temperatueren yn tsjuster. Alle bochten krúsje it oarsprongspunt. b, iepen circuit voltage Voc en koartsluting hjoeddeistige Isc (top) en de differinsjaaloperator ferset, dV / dI, fan YBCO (ûnder) as funksje fan temperatuer. De nul wjerstân superconducting oergong temperatuer Tcp wurdt net jûn omdat it is te ticht by Tc0.
Trije krityske temperatueren kinne wurde werkend út figuer 3b: Tcp, dêr't YBCO wurdt net-supergeleider; Tc0, wêrby't sawol Voc as Isc nul wurde en Tc, de oarspronklike oanset supergeleidende oergongtemperatuer fan YBCO sûnder laserbestraling. Under Tcp ~ 55 K is de laser-bestraalde YBCO yn supergeleidende steat mei relatyf hege konsintraasje fan Cooper-pearen. It effekt fan laser irradiation is te ferminderjen de nul wjerstân superconducting oergong temperatuer fan 89 K nei ~ 55 K (ûnderkant fan Fig. 3b) troch it ferminderjen fan de Cooper pear konsintraasje neist it produsearjen fan fotovoltaïsche spanning en stroom. Tanimmende temperatuer brekt ek de Cooper-pearen ôf dy't liede ta in legere potinsjeel yn 'e ynterface. Dêrtroch sil de absolute wearde fan Voc lytser wurde, hoewol deselde yntinsiteit fan laserferljochting wurdt tapast. It ynterfacepotinsjeel sil lytser en lytser wurde mei fierdere tanimming fan temperatuer en berikt nul by Tc0. D'r is gjin fotovoltaïsk effekt op dit spesjale punt, om't d'r gjin ynterne fjild is om de foto-induzearre elektroanen-gat-pearen te skieden. In polariteit omkearing fan it potinsjeel komt boppe dizze krityske temperatuer as de frije lading tichtens yn Ag paste is grutter as dy yn YBCO dat wurdt stadichoan oerbrocht werom nei in p-type materiaal. Hjir wolle wy beklamje dat de polariteit omkearing fan Voc en Isc direkt nei de nulresistinsje-supergeleidende oergong komt, nettsjinsteande de oarsaak fan 'e oergong. Dizze observaasje lit dúdlik, foar it earst, de korrelaasje sjen tusken supergeleiding en de fotovoltaïske effekten dy't ferbûn binne mei it potinsjeel foar metaal-supergeleider-ynterface. De aard fan dit potensjeel oer de superconductor-normale metalen ynterface hat de lêste ferskate desennia in ûndersyksfokus west, mar d'r binne in protte fragen dy't noch wachtsje om te beantwurdzjen. It mjitten fan it fotovoltaïske effekt kin blike te wêzen in effektive metoade foar it ferkennen fan de details (lykas syn sterkte en polariteit ensfh.)
Fierdere ferheging fan temperatuer fan Tc0 nei Tc liedt ta in lytsere konsintraasje fan Cooper-pearen en in ferbettering fan 'e ynterfacepotinsjeel en dêrtroch gruttere Voc. By Tc wurdt de Cooper-pearkonsintraasje nul en it ynboude potinsjeel by de ynterface berikt in maksimum, wat resulteart yn maksimale Voc en minimale Isc. De rappe ferheging fan Voc en Isc (absolute wearde) yn dit temperatuerberik komt oerien mei de supergeleidende oergong dy't ferbrede wurdt fan ΔT ~ 3 K nei ~ 34 K troch laserbestraling fan yntinsiteit 502 mW / cm2 (fig. 3b). Yn de normale steaten boppe Tc, de iepen circuit spanning Voc nimt ôf mei temperatuer (top fan Fig. 3b), fergelykber mei de lineêre gedrach fan Voc foar normale sinnesellen basearre op pn junctions31,32,33. Hoewol't de feroaringsfrekwinsje fan Voc mei temperatuer (−dVoc/dT), dy't sterk ôfhinget fan laserintensiteit, folle lytser is as dy fan normale sinnesellen, hat de temperatuerkoëffisjint fan Voc foar YBCO-Ag-knooppunt deselde folchoarder fan grutte as dy fan de sinnesellen. De lekstroom fan in pn-knooppunt foar in normaal sinneselapparaat nimt ta mei tanimmende temperatuer, wat liedt ta in fermindering fan Voc as temperatuer ferheget. De lineêre IV-kurven dy't foar dit Ag-supergeleidersysteem waarnommen binne, fanwegen earst it tige lytse ynterfacepotinsjeel en twadde de efter-oan-werom ferbining fan de twa heterojunctions, makket it dreech om de lekstroom te bepalen. Dochs liket it heul wierskynlik dat deselde temperatuerôfhinklikens fan lekstroom ferantwurdlik is foar it Voc-gedrach dat is waarnommen yn ús eksperimint. Neffens de definysje is Isc de stroom dy't nedich is om in negative spanning te produsearjen om Voc te kompensearjen sadat de totale spanning nul is. As de temperatuer ferheget, wurdt Voc lytser, sadat minder stroom nedich is om de negative spanning te produsearjen. Fierder nimt de wjerstân fan YBCO lineêr ta mei temperatuer boppe Tc (ûnderoan fan Fig. 3b), wat ek bydraacht oan de lytsere absolute wearde fan Isc by hege temperatueren.
Merk op dat de resultaten jûn yn Fig. 2,3 wurde krigen troch laser bestraling op it gebiet om kathode elektroden. Mjittingen binne ek werhelle mei laserspot pleatst by anode en ferlykbere IV-kenmerken en fotovoltaïske eigenskippen binne waarnommen, útsein dat de polariteit fan Voc en Isc yn dit gefal is omkeard. Al dizze gegevens liede ta in meganisme foar it fotovoltaïske effekt, dat is nau besibbe oan de superconductor-metaal-ynterface.
Gearfetsjend, de IV skaaimerken fan laser bestraling superconducting YBCO-Ag paste systeem binne metten as funksjes fan temperatuer en laser yntinsiteit. Opmerklike fotovoltaïske effekt is waarnommen yn it temperatuergebiet fan 50 oant 300 K. It is fûn dat de fotovoltaïske eigenskippen sterk korrelearje mei de superkonduktiviteit fan YBCO-keramyk. In polariteit omkearing fan Voc en Isc komt fuort nei de foto-induced superconducting nei net-supergeleidende oergong. Temperatuerôfhinklikens fan Voc en Isc mjitten by fêste laserintensiteit toant ek in ûnderskate polariteit omkearing op in krityske temperatuer boppe dêr't it stekproef resistyf wurdt. Troch it lokalisearjen fan it laserplak nei in oar diel fan 'e stekproef, litte wy sjen dat d'r in elektryske potinsjeel bestiet oer de ynterface, dy't de skiedingskrêft leveret foar de foto-induzearre elektroanen-hole-pearen. Dit ynterface potinsjeel rjochtet fan YBCO nei de metalen elektrodes doe't YBCO is superconducting en skeakelt nei de tsjinoerstelde rjochting as it stekproef wurdt nonsuperconducting. De oarsprong fan it potinsjeel kin natuerlik assosjeare wurde mei it proximity-effekt by metaal-supergeleider-ynterface as YBCO supergelieder is en wurdt rûsd op ~10-8 mV by 50 K mei in laserintensiteit fan 502 mW/cm2. Kontakt fan in p-type materiaal YBCO yn normale steat mei in n-type materiaal Ag-paste foarmet in kwasi-pn knooppunt dat is ferantwurdlik foar de fotovoltaïske gedrach fan YBCO keramyk by hege temperatueren. De boppesteande waarnimmings smyt ljocht op it PV effekt yn hege temperatuer superconducting YBCO keramyk en pave it paad nei nije applikaasjes yn opto-elektroanyske apparaten lykas flugge passive ljocht detector en single photon detector.
De fotovoltaïske effekt eksperiminten waarden útfierd op in YBCO keramyske stekproef fan 0.52 mm dikte en 8.64 × 2.26 mm2 rjochthoekige foarm en ferljochte troch trochgeande wave blau-laser (λ = 450 nm) mei laser spot grutte fan 1.25 mm yn radius. It brûken fan bulk ynstee fan tinne filmmonster lit ús de fotovoltaïske eigenskippen fan 'e superconductor studearje sûnder te meitsjen mei de komplekse ynfloed fan it substraat6,7. Boppedat koe it bulkmateriaal befoarderlik wêze foar syn ienfâldige tariedingproseduere en relatyf lege kosten. De koper lead triedden wurde gearhing op de YBCO monster mei sulveren paste foarmje fjouwer sirkelfoarmige elektroden oer 1 mm yn diameter. De ôfstân tusken de twa spanning elektroden is likernôch 5 mm. IV skaaimerken fan it stekproef waarden metten mei help fan de trilling sample magnetometer (VersaLab, Quantum Design) mei in kwarts kristal finster. De standert fjouwer-wire metoade waard brûkt om de IV-kurven te krijen. De relative posysjes fan elektroden en de laser spot wurde werjûn yn figuer 1i.
Hoe sitearje dit artikel: Yang, F. et al. Oarsprong fan photovoltaic effekt yn superconducting YBa2Cu3O6.96 keramyk. Sci. Rep 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG, Testardi, LR. Phys. Rev. B 41, 11564-11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oarsprong fan it anomale fotovoltaïske sinjaal yn Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270-6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW. Phys. Rev. B 46, 5773-5776 (1992).
Tate, KL, et al. Transient laser-induzearre spanningen yn keamertemperatuerfilms fan YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375-4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomale fotovoltaïske reaksje yn YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692-3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Photogenerated gat carrier ynjeksje oan YBa2Cu3O7-x yn in okside heterostructure. Appl. Phys. Lett. 85, 2950-2952 (2004).
Asakura, D. et al. Photoemission stúdzje fan YBa2Cu3Oy tinne films ûnder ljocht ferljochting. Phys. Ds. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Photovoltaïsk effekt fan YBa2Cu3O7-δ / SrTiO3: Nb heterojunction annealed yn ferskate soerstof parsjele druk. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Twa-Gap struktuer yn Yb (Y) Ba2Cu3O7-x inkele kristallen. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Quasiparticle ûntspanning dynamyk yn superconductors mei ferskillende gap struktueren: Teory en eksperiminten op YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497-1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB. Excitonic absorption and superconductivity in YBa2Cu3O7-δ. Phys. Ds. Lett. 59, 919-922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transient photoinduced conductivity yn semiconducting single kristallen fan YBa2Cu3O6.3: sykje foar photoinduced metallyske steat en foar photoinduced superconductivity. Solid State Commun. 72, 345-349 (1989).
McMillan, WL Tunnelingmodel fan it superkonduktearjende proximity-effekt. Phys. Rev. 175, 537-542 (1968).
Guéron, S. et al. Superconducting tichtby effekt ûndersocht op in mesoskopyske lingte skaal. Phys. Ds. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Proximity effekt mei noncentrosymmetric superconductors. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Sterk supergeleidend tichtby effekt yn Pb-Bi2Te3 hybride struktueren. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL In nije silisium pn-knooppunt fotosel foar it konvertearjen fan sinnestrieling yn elektryske krêft. J. App. Phys. 25, 676-677 (1954).
Tomimoto, K. Impurity effekten op de superconducting gearhing lingte yn Zn- of Ni-doped YBa2Cu3O6.9 single kristallen. Phys. Rev. B 60, 114-117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistance fan Untwinned YBa2Cu3Oy inkele kristallen yn in breed skala oan doping: anomalous gat-doping ôfhinklikens fan de gearhing lingte. Phys. Ds. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR. Phys. Rev. B 46, 14928-14931, (1992).
Sugai, S. et al. Carrier-tichtens-ôfhinklike momentum ferskowing fan de gearhingjende pyk en de LO fonon modus yn p-type hege-Tc superconductors. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Hole reduksje en elektron accumulation yn YBa2Cu3Oy tinne films mei help fan in elektrogemyske technyk: Bewiis foar in n-type metallyske steat. Phys. Rev B 84, 020502 (2011).
Tung, RT De natuerkunde en skiekunde fan 'e Schottky-barriêrehichte. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effects of Dynamic External Pair Breaking in Superconducting Films. Phys. Ds. Lett. 33, 215-219 (1974).
Nieva, G. et al. Photoinduced ferbettering fan superconductivity. Appl. Phys. Lett. 60, 2159-2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Persistente fotokonduktiviteit yn YBa2Cu3O6+x-films as in metoade foar fotodoping nei metallyske en supergeleidende fazen. Phys. Rev. B 14, 9017-9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Nonlinear lattice dynamyk as basis foar ferbettere superconductivity yn YBa2Cu3O6.5. Natuer 516, 71-74 (2014).
Fausti, D. et al. Ljocht-induced superconductivity yn in stripe-oardere cuprate. Wittenskip 331, 189-191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA De temperatuer funksjonele ôfhinklikens fan VOC foar in sinnesel yn relaasje ta syn effisjinsje nije oanpak. Desalination 209, 91-96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatuer effekten yn Schottky-barriêre silisium sinnesellen. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperatuerôfhinklikens foar de fotovoltaïske apparaatparameters fan polymear-fullerene sinnesellen ûnder bedriuwsbetingsten. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Dit wurk is stipe troch de National Natural Science Foundation fan Sina (Grant No. 60571063), de Fundamental Research Projects fan Henan Provinsje, Sina (Grant No. 122300410231).
FY skreau de tekst fan it papier en MYH makke de YBCO keramyske sample. FY en MYH hawwe it eksperimint útfierd en de resultaten analysearre. FGC late it projekt en de wittenskiplike ynterpretaasje fan de gegevens. Alle auteurs hawwe it manuskript besjoen.
Dit wurk is lisinsje ûnder in Creative Commons Attribution 4.0 International License. De ôfbyldings of oar materiaal fan tredden yn dit artikel binne opnommen yn 'e Creative Commons-lisinsje fan it artikel, útsein as oars oanjûn yn 'e kredytline; as it materiaal net opnommen is ûnder de Creative Commons-lisinsje, moatte brûkers tastimming krije fan de lisinsjehâlder om it materiaal te reprodusearjen. Om in kopy fan dizze lisinsje te besjen, besykje http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oarsprong fan photovoltaic effekt yn superconducting YBa2Cu3O6.96 keramyk. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Troch it yntsjinjen fan in reaksje stimme jo yn om te hâlden oan ús Betingsten en Mienskipsrjochtlinen. As jo wat misbrûk fine of dat net foldocht oan ús betingsten of rjochtlinen, markearje it dan as net geskikt.
Posttiid: Apr-22-2020