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हम ब्लू-लेजर रोशनी से प्रेरित 50 और 300 K के बीच YBa2Cu3O6.96 (YBCO) सिरेमिक में उल्लेखनीय फोटोवोल्टिक प्रभाव की रिपोर्ट करते हैं, जो सीधे YBCO और YBCO-मेटालिक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस की सुपरकंडक्टिविटी से संबंधित है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग से प्रतिरोधक अवस्था में संक्रमण से गुजरता है तो ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc के लिए एक ध्रुवीयता उत्क्रमण होता है। हम दिखाते हैं कि सुपरकंडक्टर-सामान्य धातु इंटरफ़ेस में एक विद्युत क्षमता मौजूद है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े के लिए पृथक्करण बल प्रदान करती है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है तो यह इंटरफ़ेस क्षमता YBCO से धातु इलेक्ट्रोड की ओर निर्देशित होती है और जब YBCO नॉनसुपरकंडक्टिंग हो जाती है तो यह विपरीत दिशा में स्विच हो जाती है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है तो क्षमता की उत्पत्ति धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव से आसानी से जुड़ी हो सकती है और इसका मूल्य 502 mW/cm2 की लेजर तीव्रता के साथ 50 K पर ~ 10-8 mV होने का अनुमान है। सामान्य अवस्था में पी-प्रकार की सामग्री वाईबीसीओ का एन-प्रकार की सामग्री एजी-पेस्ट के साथ संयोजन एक अर्ध-पीएन जंक्शन बनाता है जो उच्च तापमान पर वाईबीसीओ सिरेमिक के फोटोवोल्टिक व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। हमारे निष्कर्ष फोटॉन-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के नए अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं और सुपरकंडक्टर-मेटल इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव पर और प्रकाश डाल सकते हैं।
उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स में फोटो-प्रेरित वोल्टेज की रिपोर्ट 1990 के दशक की शुरुआत में की गई थी और तब से बड़े पैमाने पर जांच की गई है, फिर भी इसकी प्रकृति और तंत्र अनिश्चित 1,2,3,4,5 बने हुए हैं। YBa2Cu3O7-δ (YBCO) पतली फिल्में6,7,8, विशेष रूप से, इसके समायोज्य ऊर्जा अंतर9,10,11,12,13 के कारण फोटोवोल्टिक (पीवी) सेल के रूप में गहन अध्ययन किया जाता है। हालाँकि, सब्सट्रेट का उच्च प्रतिरोध हमेशा डिवाइस की कम रूपांतरण दक्षता की ओर जाता है और YBCO8 के प्राथमिक पीवी गुणों को छिपा देता है। यहां हम 50 और 300 K (Tc ~ 90 K) के बीच YBa2Cu3O6.96 (YBCO) सिरेमिक में ब्लू-लेजर (λ = 450 एनएम) रोशनी से प्रेरित उल्लेखनीय फोटोवोल्टिक प्रभाव की रिपोर्ट करते हैं। हम दिखाते हैं कि पीवी प्रभाव सीधे YBCO की अतिचालकता और YBCO-धात्विक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस की प्रकृति से संबंधित है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग चरण से प्रतिरोधक अवस्था में संक्रमण से गुजरता है तो ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc के लिए एक ध्रुवीयता उत्क्रमण होता है। यह प्रस्तावित है कि सुपरकंडक्टर-सामान्य धातु इंटरफ़ेस में एक विद्युत क्षमता मौजूद है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े के लिए पृथक्करण बल प्रदान करती है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है तो यह इंटरफ़ेस क्षमता YBCO से धातु इलेक्ट्रोड की ओर निर्देशित होती है और जब नमूना गैर-सुपरकंडक्टिंग हो जाता है तो यह विपरीत दिशा में स्विच हो जाता है। क्षमता की उत्पत्ति स्वाभाविक रूप से धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव 14,15,16,17 से जुड़ी हो सकती है जब वाईबीसीओ सुपरकंडक्टिंग होता है और इसका मूल्य 502 मेगावाट की लेजर तीव्रता के साथ 50 K पर ~10−8 mV होने का अनुमान है। /सेमी2. सामान्य अवस्था में पी-प्रकार की सामग्री वाईबीसीओ का एन-प्रकार की सामग्री एजी-पेस्ट के साथ संयोजन, सबसे अधिक संभावना है, एक अर्ध-पीएन जंक्शन जो उच्च तापमान पर वाईबीसीओ सिरेमिक के पीवी व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। हमारे अवलोकन उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टिंग वाईबीसीओ सिरेमिक में पीवी प्रभाव की उत्पत्ति पर और प्रकाश डालते हैं और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे तेज निष्क्रिय प्रकाश डिटेक्टर आदि में इसके अनुप्रयोग का मार्ग प्रशस्त करते हैं।
चित्र 1a-c दर्शाता है कि 50 K पर YBCO सिरेमिक नमूने की IV विशेषताएँ। प्रकाश रोशनी के बिना, बदलते करंट के साथ नमूने में वोल्टेज शून्य पर रहता है, जैसा कि एक सुपरकंडक्टिंग सामग्री से उम्मीद की जा सकती है। स्पष्ट फोटोवोल्टिक प्रभाव तब प्रकट होता है जब लेजर बीम को कैथोड पर निर्देशित किया जाता है (चित्र 1 ए): आई-अक्ष के समानांतर IV वक्र बढ़ती लेजर तीव्रता के साथ नीचे की ओर बढ़ता है। यह स्पष्ट है कि बिना किसी करंट के भी एक नकारात्मक फोटो-प्रेरित वोल्टेज होता है (जिसे अक्सर ओपन सर्किट वोल्टेज वोक कहा जाता है)। IV वक्र का शून्य ढलान इंगित करता है कि नमूना अभी भी लेजर रोशनी के तहत अतिचालक है।
(ए-सी) और 300 के (ई-जी)। V(I) का मान निर्वात में -10 mA से +10 mA तक विद्युत धारा प्रवाहित करके प्राप्त किया गया। स्पष्टता के लिए प्रयोगात्मक डेटा का केवल एक भाग प्रस्तुत किया गया है। ए, वाईबीसीओ की वर्तमान-वोल्टेज विशेषताओं को कैथोड (i) पर स्थित लेजर स्पॉट से मापा जाता है। सभी IV वक्र क्षैतिज सीधी रेखाएं हैं जो दर्शाती हैं कि नमूना अभी भी लेजर विकिरण के साथ अतिचालक है। बढ़ती हुई लेजर तीव्रता के साथ वक्र नीचे की ओर बढ़ता है, जो दर्शाता है कि शून्य धारा के साथ भी दो वोल्टेज लीड के बीच एक नकारात्मक क्षमता (वोक) मौजूद है। जब लेज़र को नमूने के केंद्र में ईथर 50 K (b) या 300 K (f) पर निर्देशित किया जाता है तो IV वक्र अपरिवर्तित रहते हैं। एनोड के प्रकाशित होने पर क्षैतिज रेखा ऊपर की ओर बढ़ती है (सी)। 50 K पर धातु-सुपरकंडक्टर जंक्शन का एक योजनाबद्ध मॉडल d में दिखाया गया है। कैथोड और एनोड पर इंगित लेजर बीम से मापी गई 300 K पर सामान्य स्थिति YBCO की वर्तमान-वोल्टेज विशेषताएँ क्रमशः ई और जी में दी गई हैं। 50 K पर परिणामों के विपरीत, सीधी रेखाओं का गैर-शून्य ढलान इंगित करता है कि YBCO सामान्य स्थिति में है; वोक का मान विपरीत दिशा में प्रकाश की तीव्रता के साथ बदलता रहता है, जो एक अलग चार्ज पृथक्करण तंत्र का संकेत देता है। 300 K पर एक संभावित इंटरफ़ेस संरचना को hj में दर्शाया गया है, लीड के साथ नमूने की वास्तविक तस्वीर।
सुपरकंडक्टिंग अवस्था में ऑक्सीजन युक्त YBCO अपने बहुत छोटे ऊर्जा अंतराल (जैसे)9,10 के कारण सूर्य के प्रकाश के लगभग पूरे स्पेक्ट्रम को अवशोषित कर सकता है, जिससे इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े (ई-एच) बनते हैं। फोटॉन के अवशोषण द्वारा एक ओपन सर्किट वोल्टेज वोक का उत्पादन करने के लिए, पुनर्संयोजन होने से पहले फोटो-जनित एह जोड़े को स्थानिक रूप से अलग करना आवश्यक है।18। जैसा कि चित्र 1i में दिखाया गया है, कैथोड और एनोड के सापेक्ष नकारात्मक वोक, सुझाव देता है कि धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस में एक विद्युत क्षमता मौजूद है, जो इलेक्ट्रॉनों को एनोड में ले जाती है और कैथोड में छेद करती है। यदि यह मामला है, तो एनोड पर सुपरकंडक्टर से धातु इलेक्ट्रोड की ओर इशारा करने वाली एक संभावित क्षमता भी होनी चाहिए। नतीजतन, यदि एनोड के निकट नमूना क्षेत्र को रोशन किया जाता है तो एक सकारात्मक वोक प्राप्त किया जाएगा। इसके अलावा, जब लेज़र स्पॉट को इलेक्ट्रोड से दूर के क्षेत्रों की ओर इंगित किया जा रहा हो तो कोई फोटो-प्रेरित वोल्टेज नहीं होना चाहिए। यह निश्चित रूप से मामला है जैसा कि चित्र 1बी,सी! से देखा जा सकता है।
जब प्रकाश स्थान कैथोड इलेक्ट्रोड से नमूने के केंद्र (इंटरफेस से लगभग 1.25 मिमी अलग) की ओर बढ़ता है, तो लेजर तीव्रता को उपलब्ध अधिकतम मूल्य तक बढ़ाने के साथ IV वक्रों में कोई भिन्नता नहीं देखी जा सकती है और कोई वोक नहीं देखा जा सकता है (छवि 1 बी) . स्वाभाविक रूप से, इस परिणाम को फोटो-प्रेरित वाहकों के सीमित जीवनकाल और नमूने में पृथक्करण बल की कमी के कारण माना जा सकता है। जब भी नमूना प्रकाशित होता है तो इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े बनाए जा सकते हैं, लेकिन अधिकांश ई-एच जोड़े नष्ट हो जाएंगे और यदि लेजर स्पॉट किसी भी इलेक्ट्रोड से दूर के क्षेत्रों पर गिरता है तो कोई फोटोवोल्टिक प्रभाव नहीं देखा जाएगा। लेज़र स्पॉट को एनोड इलेक्ट्रोड की ओर ले जाने पर, I-अक्ष के समानांतर IV वक्र बढ़ती लेज़र तीव्रता के साथ ऊपर की ओर बढ़ता है (चित्र 1c)। एनोड पर धातु-सुपरकंडक्टर जंक्शन में समान अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र मौजूद होता है। हालाँकि, धात्विक इलेक्ट्रोड इस बार परीक्षण प्रणाली के सकारात्मक लीड से जुड़ता है। लेज़र द्वारा निर्मित छिद्रों को एनोड लीड की ओर धकेला जाता है और इस प्रकार एक सकारात्मक वोक देखा जाता है। यहां प्रस्तुत परिणाम इस बात का पुख्ता सबूत देते हैं कि वास्तव में सुपरकंडक्टर से धातु इलेक्ट्रोड की ओर इशारा करने वाली एक इंटरफ़ेस क्षमता मौजूद है।
300 K पर YBa2Cu3O6.96 सिरेमिक में फोटोवोल्टिक प्रभाव चित्र 1e-g में दिखाया गया है। प्रकाश रोशनी के बिना, नमूने का IV वक्र मूल बिंदु को पार करने वाली एक सीधी रेखा है। यह सीधी रेखा कैथोड लीड पर बढ़ती लेजर तीव्रता के साथ मूल रेखा के समानांतर ऊपर की ओर बढ़ती है (चित्र 1ई)। फोटोवोल्टिक उपकरण के लिए रुचि के दो सीमित मामले हैं। शॉर्ट-सर्किट की स्थिति तब होती है जब V = 0. इस मामले में करंट को शॉर्ट सर्किट करंट (Isc) कहा जाता है। दूसरा सीमित मामला ओपन-सर्किट स्थिति (Voc) है जो तब होता है जब R→∞ या करंट शून्य होता है। चित्र 1ई स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि वोक सकारात्मक है और प्रकाश की तीव्रता बढ़ने के साथ बढ़ता है, 50 K पर प्राप्त परिणाम के विपरीत; जबकि एक नकारात्मक आईएससी को प्रकाश रोशनी के साथ परिमाण में वृद्धि देखी गई है, जो सामान्य सौर कोशिकाओं का एक विशिष्ट व्यवहार है।
इसी प्रकार, जब लेज़र बीम को इलेक्ट्रोड से दूर के क्षेत्रों पर इंगित किया जाता है, तो V(I) वक्र लेज़र की तीव्रता से स्वतंत्र होता है और कोई फोटोवोल्टिक प्रभाव दिखाई नहीं देता है (चित्र 1f)। 50 K पर माप के समान, IV वक्र विपरीत दिशा में चलते हैं क्योंकि एनोड इलेक्ट्रोड विकिरणित होता है (चित्र 1g)। 300 K पर इस YBCO-Ag पेस्ट सिस्टम के लिए नमूने के विभिन्न स्थानों पर लेज़र विकिरण के साथ प्राप्त ये सभी परिणाम 50 K पर देखी गई इंटरफ़ेस क्षमता के विपरीत हैं।
अधिकांश इलेक्ट्रॉन सुपरकंडक्टिंग YBCO में इसके संक्रमण तापमान Tc से नीचे कूपर जोड़े में संघनित होते हैं। जबकि धातु इलेक्ट्रोड में सभी इलेक्ट्रॉन एकवचन रूप में रहते हैं। धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस के आसपास के क्षेत्र में एकवचन इलेक्ट्रॉनों और कूपर जोड़े दोनों के लिए एक बड़ा घनत्व ढाल है। धातु सामग्री में बहुसंख्यक-वाहक एकवचन इलेक्ट्रॉन सुपरकंडक्टर क्षेत्र में फैल जाएंगे, जबकि वाईबीसीओ क्षेत्र में बहुसंख्यक-वाहक कूपर-जोड़े धातु क्षेत्र में फैल जाएंगे। चूंकि कूपर जोड़े अधिक आवेश ले जाते हैं और एकल इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अधिक गतिशीलता रखते हैं, YBCO से धात्विक क्षेत्र में फैलते हैं, सकारात्मक रूप से आवेशित परमाणु पीछे रह जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र में एक विद्युत क्षेत्र बनता है। इस विद्युत क्षेत्र की दिशा योजनाबद्ध आरेख चित्र 1d में दिखाई गई है। अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र के पास घटना फोटॉन रोशनी एह जोड़े बना सकती है जो अलग हो जाएंगे और रिवर्स-बायस दिशा में एक फोटोकरंट का उत्पादन करेंगे। जैसे ही इलेक्ट्रॉन निर्मित विद्युत क्षेत्र से बाहर निकलते हैं, वे जोड़े में संघनित हो जाते हैं और बिना किसी प्रतिरोध के दूसरे इलेक्ट्रोड में प्रवाहित हो जाते हैं। इस मामले में, वोक पूर्व-निर्धारित ध्रुवता के विपरीत है और जब लेजर बीम नकारात्मक इलेक्ट्रोड के आसपास के क्षेत्र को इंगित करता है तो एक नकारात्मक मान प्रदर्शित करता है। वोक के मूल्य से, इंटरफ़ेस में क्षमता का अनुमान लगाया जा सकता है: दो वोल्टेज लीड डी के बीच की दूरी ~ 5 × 10-3 मीटर है, धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस की मोटाई, डी, परिमाण के समान क्रम में होनी चाहिए YBCO सुपरकंडक्टर (~1 एनएम)19,20 की सुसंगत लंबाई के रूप में, Voc = 0.03 mV का मान लें, धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर संभावित Vms का मूल्यांकन किया जाता है समीकरण का उपयोग करते हुए, 502 mW/cm2 की लेज़र तीव्रता के साथ 50 K पर ~10−11 V होना,
हम यहां इस बात पर जोर देना चाहते हैं कि फोटो-प्रेरित वोल्टेज को फोटो थर्मल प्रभाव द्वारा समझाया नहीं जा सकता है। यह प्रयोगात्मक रूप से स्थापित किया गया है कि सुपरकंडक्टर YBCO का सीबेक गुणांक Ss = 021 है। तांबे के लीड तारों के लिए सीबेक गुणांक SCu = 0.34–1.15 μV/K3 की सीमा में है। लेज़र स्पॉट पर तांबे के तार का तापमान 50 K पर उपलब्ध अधिकतम लेज़र तीव्रता के साथ 0.06 K की एक छोटी मात्रा तक बढ़ाया जा सकता है। इससे 6.9 × 10−8 V की थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता उत्पन्न हो सकती है जो कि इससे तीन ऑर्डर कम है। चित्र 1 (ए) में प्राप्त वोक। यह स्पष्ट है कि प्रायोगिक परिणामों की व्याख्या करने के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव बहुत छोटा है। वास्तव में, लेजर विकिरण के कारण होने वाला तापमान परिवर्तन एक मिनट से भी कम समय में गायब हो जाएगा ताकि थर्मल प्रभाव के योगदान को सुरक्षित रूप से नजरअंदाज किया जा सके।
कमरे के तापमान पर YBCO के इस फोटोवोल्टिक प्रभाव से पता चलता है कि यहां एक अलग चार्ज पृथक्करण तंत्र शामिल है। सामान्य अवस्था में सुपरकंडक्टिंग वाईबीसीओ एक पी-प्रकार की सामग्री है जिसमें चार्ज वाहक के रूप में छेद होते हैं, जबकि धात्विक एजी-पेस्ट में एन-प्रकार की सामग्री की विशेषताएं होती हैं। पीएन जंक्शनों के समान, सिल्वर पेस्ट में इलेक्ट्रॉनों का प्रसार और YBCO सिरेमिक में छेद एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाएंगे जो इंटरफ़ेस पर YBCO सिरेमिक की ओर इशारा करेगा (चित्र 1h)। यह आंतरिक क्षेत्र है जो पृथक्करण बल प्रदान करता है और कमरे के तापमान पर YBCO-Ag पेस्ट सिस्टम के लिए एक सकारात्मक Voc और नकारात्मक Isc की ओर ले जाता है, जैसा कि चित्र 1e में दिखाया गया है। वैकल्पिक रूप से, एजी-वाईबीसीओ एक पी-टाइप शोट्की जंक्शन बना सकता है जो ऊपर प्रस्तुत मॉडल के समान ध्रुवता के साथ एक इंटरफ़ेस क्षमता की ओर ले जाता है।
YBCO के सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के दौरान फोटोवोल्टिक गुणों की विस्तृत विकास प्रक्रिया की जांच करने के लिए, 80 K पर नमूने के IV वक्रों को कैथोड इलेक्ट्रोड पर प्रकाशित चयनित लेजर तीव्रता के साथ मापा गया था (चित्र 2)। लेजर विकिरण के बिना, नमूने में वोल्टेज वर्तमान की परवाह किए बिना शून्य पर रहता है, जो 80 K पर नमूने की अतिचालक स्थिति को दर्शाता है (चित्र 2a)। 50 K पर प्राप्त डेटा के समान, I-अक्ष के समानांतर IV वक्र बढ़ती हुई लेजर तीव्रता के साथ नीचे की ओर बढ़ता है जब तक कि एक महत्वपूर्ण मान Pc तक नहीं पहुंच जाता। इस महत्वपूर्ण लेजर तीव्रता (पीसी) के ऊपर, सुपरकंडक्टर एक सुपरकंडक्टिंग चरण से एक प्रतिरोधक चरण में संक्रमण से गुजरता है; सुपरकंडक्टर में प्रतिरोध की उपस्थिति के कारण करंट के साथ वोल्टेज बढ़ना शुरू हो जाता है। परिणामस्वरूप, IV वक्र I-अक्ष और V-अक्ष के साथ प्रतिच्छेद करना शुरू कर देता है, जिससे पहले एक नकारात्मक Voc और एक सकारात्मक Isc होता है। अब नमूना एक विशेष अवस्था में प्रतीत होता है जिसमें वोक और आईएससी की ध्रुवीयता प्रकाश की तीव्रता के प्रति बेहद संवेदनशील है; प्रकाश की तीव्रता में बहुत कम वृद्धि के साथ Isc को धनात्मक से ऋणात्मक और Voc को ऋणात्मक से धनात्मक मान में परिवर्तित किया जाता है, जो मूल को पार करता है (फोटोवोल्टिक गुणों की उच्च संवेदनशीलता, विशेष रूप से Isc का मान, प्रकाश रोशनी के लिए चित्र में अधिक स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है)। 2बी). उपलब्ध उच्चतम लेज़र तीव्रता पर, IV वक्र एक दूसरे के समानांतर होने का इरादा रखते हैं, जो YBCO नमूने की सामान्य स्थिति को दर्शाता है।
लेज़र स्पॉट सेंटर कैथोड इलेक्ट्रोड के आसपास स्थित होता है (चित्र 1i देखें)। ए, वाईबीसीओ के IV वक्र विभिन्न लेजर तीव्रता के साथ विकिरणित हैं। बी (शीर्ष), ओपन सर्किट वोल्टेज वोक और शॉर्ट सर्किट करंट आईएससी की लेजर तीव्रता निर्भरता। Isc मान कम प्रकाश तीव्रता (<110 mW/cm2) पर प्राप्त नहीं किया जा सकता क्योंकि जब नमूना अतिचालक अवस्था में होता है तो IV वक्र I-अक्ष के समानांतर होते हैं। बी (नीचे), लेजर तीव्रता के कार्य के रूप में विभेदक प्रतिरोध।
80 K पर Voc और Isc की लेज़र तीव्रता निर्भरता चित्र 2बी (शीर्ष) में दिखाई गई है। प्रकाश की तीव्रता के तीन क्षेत्रों में फोटोवोल्टिक गुणों पर चर्चा की जा सकती है। पहला क्षेत्र 0 और Pc के बीच है, जिसमें YBCO अतिचालक है, Voc ऋणात्मक है और प्रकाश की तीव्रता के साथ घटता है (पूर्ण मान बढ़ता है) और Pc पर न्यूनतम तक पहुंचता है। दूसरा क्षेत्र Pc से एक अन्य क्रांतिक तीव्रता P0 तक है, जिसमें प्रकाश की तीव्रता बढ़ने के साथ Voc बढ़ता है जबकि Isc घटता है और P0 पर दोनों शून्य तक पहुँच जाते हैं। तीसरा क्षेत्र YBCO की सामान्य स्थिति तक पहुंचने तक P0 से ऊपर है। हालाँकि Voc और Isc दोनों प्रकाश की तीव्रता के साथ क्षेत्र 2 की तरह ही भिन्न होते हैं, लेकिन उनकी क्रांतिक तीव्रता P0 के ऊपर विपरीत ध्रुवता होती है। P0 का महत्व इसमें निहित है कि इसमें कोई फोटोवोल्टिक प्रभाव नहीं होता है और इस विशेष बिंदु पर चार्ज पृथक्करण तंत्र गुणात्मक रूप से बदलता है। YBCO नमूना प्रकाश की तीव्रता की इस सीमा में गैर-अतिचालक हो जाता है लेकिन सामान्य स्थिति तक पहुंचना अभी बाकी है।
स्पष्ट रूप से, सिस्टम की फोटोवोल्टिक विशेषताएं YBCO की सुपरकंडक्टिविटी और इसके सुपरकंडक्टिंग संक्रमण से निकटता से संबंधित हैं। YBCO का विभेदक प्रतिरोध, dV/dI, लेजर तीव्रता के एक फ़ंक्शन के रूप में चित्र 2बी (नीचे) में दिखाया गया है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, सुपरकंडक्टर से धातु तक कूपर जोड़ी प्रसार बिंदुओं के कारण इंटरफ़ेस में निर्मित विद्युत क्षमता। 50 K पर देखे गए प्रभाव के समान, लेजर तीव्रता को 0 से पीसी तक बढ़ाने के साथ फोटोवोल्टिक प्रभाव बढ़ाया जाता है। जब लेज़र की तीव्रता Pc से थोड़ा ऊपर मान तक पहुँचती है, तो IV वक्र झुकना शुरू हो जाता है और नमूने का प्रतिरोध दिखाई देने लगता है, लेकिन इंटरफ़ेस क्षमता की ध्रुवीयता अभी तक नहीं बदली है। सुपरकंडक्टिविटी पर ऑप्टिकल उत्तेजना के प्रभाव की जांच दृश्यमान या निकट-आईआर क्षेत्र में की गई है। जबकि मूल प्रक्रिया कूपर जोड़े को तोड़ना और अतिचालकता को नष्ट करना है, कुछ मामलों में अतिचालकता संक्रमण को बढ़ाया जा सकता है, अतिचालकता के नए चरण भी प्रेरित किए जा सकते हैं। पीसी पर अतिचालकता की अनुपस्थिति को फोटो-प्रेरित जोड़ी टूटने के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। बिंदु P0 पर, इंटरफ़ेस पर क्षमता शून्य हो जाती है, यह दर्शाता है कि इंटरफ़ेस के दोनों किनारों में चार्ज घनत्व प्रकाश रोशनी की इस विशेष तीव्रता के तहत समान स्तर तक पहुंच जाता है। लेज़र की तीव्रता में और वृद्धि के परिणामस्वरूप अधिक कूपर जोड़े नष्ट हो जाते हैं और YBCO धीरे-धीरे वापस पी-प्रकार की सामग्री में बदल जाता है। इलेक्ट्रॉन और कूपर जोड़ी प्रसार के बजाय, इंटरफ़ेस की विशेषता अब इलेक्ट्रॉन और छेद प्रसार द्वारा निर्धारित की जाती है जो इंटरफ़ेस में विद्युत क्षेत्र की ध्रुवीयता को उलट देती है और परिणामस्वरूप एक सकारात्मक वोक (छवि 1 डी, एच की तुलना करें)। बहुत उच्च लेज़र तीव्रता पर, YBCO का विभेदक प्रतिरोध सामान्य अवस्था के अनुरूप मान से संतृप्त होता है और Voc और Isc दोनों लेज़र तीव्रता के साथ रैखिक रूप से भिन्न होते हैं (चित्र 2 बी)। इस अवलोकन से पता चलता है कि सामान्य स्थिति YBCO पर लेजर विकिरण अब इसकी प्रतिरोधकता और सुपरकंडक्टर-मेटल इंटरफ़ेस की विशेषता को नहीं बदलेगा बल्कि केवल इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की एकाग्रता में वृद्धि करेगा।
फोटोवोल्टिक गुणों पर तापमान के प्रभाव की जांच करने के लिए, धातु-सुपरकंडक्टर प्रणाली को कैथोड पर 502 mW/cm2 तीव्रता के नीले लेजर से विकिरणित किया गया था। 50 और 300 K के बीच चयनित तापमान पर प्राप्त IV वक्र चित्र 3ए में दिए गए हैं। ओपन सर्किट वोल्टेज वोक, शॉर्ट सर्किट करंट आईएससी और अंतर प्रतिरोध इन IV वक्रों से प्राप्त किया जा सकता है और चित्र 3 बी में दिखाया गया है। प्रकाश रोशनी के बिना, विभिन्न तापमानों पर मापे गए सभी IV वक्र उम्मीद के मुताबिक मूल बिंदु से गुजरते हैं (चित्र 3 ए का इनसेट)। जब सिस्टम को अपेक्षाकृत मजबूत लेजर बीम (502 मेगावाट/सेमी2) द्वारा प्रकाशित किया जाता है तो बढ़ते तापमान के साथ IV विशेषताएं काफी हद तक बदल जाती हैं। कम तापमान पर IV वक्र वोक के नकारात्मक मानों के साथ I-अक्ष के समानांतर सीधी रेखाएं होती हैं। यह वक्र बढ़ते तापमान के साथ ऊपर की ओर बढ़ता है और धीरे-धीरे एक महत्वपूर्ण तापमान टीसीपी (चित्र 3 ए (शीर्ष)) पर एक गैर-शून्य ढलान वाली रेखा में बदल जाता है। ऐसा लगता है कि सभी IV विशेषता वक्र तीसरे चतुर्थांश में एक बिंदु के चारों ओर घूमते हैं। Voc ऋणात्मक मान से धनात्मक मान की ओर बढ़ता है जबकि Isc धनात्मक से ऋणात्मक मान की ओर घटता है। YBCO के मूल सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान Tc के ऊपर, IV वक्र तापमान के साथ अलग तरह से बदलता है (चित्र 3a के नीचे)। सबसे पहले, IV वक्रों का घूर्णन केंद्र पहले चतुर्थांश में चला जाता है। दूसरे, बढ़ते तापमान के साथ Voc घटता रहता है और Isc बढ़ता रहता है (चित्र 3बी के शीर्ष पर)। तीसरा, IV वक्रों का ढलान तापमान के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है जिसके परिणामस्वरूप YBCO के लिए प्रतिरोध का एक सकारात्मक तापमान गुणांक होता है (चित्र 3 बी के नीचे)।
502 मेगावाट/सेमी2 लेजर रोशनी के तहत वाईबीसीओ-एजी पेस्ट सिस्टम के लिए फोटोवोल्टिक विशेषताओं की तापमान निर्भरता।
लेज़र स्पॉट सेंटर कैथोड इलेक्ट्रोड के आसपास स्थित होता है (चित्र 1i देखें)। a, IV वक्र क्रमशः 5 K और 20 K की तापमान वृद्धि के साथ 50 से 90 K (ऊपर) और 100 से 300 K (नीचे) तक प्राप्त होते हैं। इनसेट ए अंधेरे में कई तापमानों पर IV विशेषताएँ दिखाता है। सभी वक्र मूल बिंदु को पार करते हैं। बी, ओपन सर्किट वोल्टेज वोक और शॉर्ट सर्किट करंट आईएससी (ऊपर) और तापमान के एक फ़ंक्शन के रूप में वाईबीसीओ (नीचे) का अंतर प्रतिरोध, डीवी/डीआई। शून्य प्रतिरोध अतिचालक संक्रमण तापमान टीसीपी नहीं दिया गया है क्योंकि यह टीसी0 के बहुत करीब है।
चित्र 3 बी से तीन महत्वपूर्ण तापमानों को पहचाना जा सकता है: टीसीपी, जिसके ऊपर वाईबीसीओ गैर-सुपरकंडक्टिंग बन जाता है; Tc0, जिस पर Voc और Isc दोनों शून्य हो जाते हैं और Tc, लेजर विकिरण के बिना YBCO का मूल शुरुआत सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान है। टीसीपी ~ 55 के से नीचे, लेजर विकिरणित वाईबीसीओ कूपर जोड़े की अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता के साथ सुपरकंडक्टिंग स्थिति में है। लेजर विकिरण का प्रभाव फोटोवोल्टिक वोल्टेज और करंट उत्पन्न करने के अलावा कूपर जोड़ी एकाग्रता को कम करके शून्य प्रतिरोध सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान को 89 K से ~ 55 K (छवि 3 बी के नीचे) तक कम करना है। बढ़ते तापमान से कूपर जोड़े भी टूट जाते हैं जिससे इंटरफ़ेस में क्षमता कम हो जाती है। नतीजतन, वोक का निरपेक्ष मान छोटा हो जाएगा, हालांकि लेजर रोशनी की समान तीव्रता लागू की जाएगी। तापमान में और वृद्धि के साथ इंटरफ़ेस क्षमता छोटी और छोटी होती जाएगी और Tc0 पर शून्य तक पहुंच जाएगी। इस विशेष बिंदु पर कोई फोटोवोल्टिक प्रभाव नहीं है क्योंकि फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े को अलग करने के लिए कोई आंतरिक क्षेत्र नहीं है। इस महत्वपूर्ण तापमान के ऊपर क्षमता का एक ध्रुवीय परिवर्तन होता है क्योंकि एजी पेस्ट में मुक्त चार्ज घनत्व YBCO की तुलना में अधिक होता है जो धीरे-धीरे पी-प्रकार की सामग्री में वापस स्थानांतरित हो जाता है। यहां हम इस बात पर जोर देना चाहते हैं कि वोक और आईएससी की ध्रुवीयता का उलटा शून्य प्रतिरोध सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के तुरंत बाद होता है, चाहे संक्रमण का कारण कुछ भी हो। यह अवलोकन पहली बार स्पष्ट रूप से सुपरकंडक्टिविटी और धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस क्षमता से जुड़े फोटोवोल्टिक प्रभावों के बीच संबंध को प्रकट करता है। सुपरकंडक्टर-सामान्य धातु इंटरफ़ेस में इस क्षमता की प्रकृति पिछले कई दशकों से अनुसंधान का केंद्र रही है लेकिन अभी भी कई प्रश्न हैं जिनका उत्तर दिया जाना बाकी है। फोटोवोल्टिक प्रभाव का मापन इस महत्वपूर्ण क्षमता के विवरण (जैसे इसकी ताकत और ध्रुवता आदि) की खोज के लिए एक प्रभावी तरीका साबित हो सकता है और इसलिए उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग निकटता प्रभाव पर प्रकाश डाल सकता है।
Tc0 से Tc तक तापमान में और वृद्धि से कूपर जोड़े की सांद्रता कम हो जाती है और इंटरफ़ेस क्षमता में वृद्धि होती है और परिणामस्वरूप बड़ा Voc होता है। टीसी पर कूपर जोड़ी की सांद्रता शून्य हो जाती है और इंटरफ़ेस पर बिल्ड-इन क्षमता अधिकतम तक पहुंच जाती है, जिसके परिणामस्वरूप अधिकतम वोक और न्यूनतम आईएससी होता है। इस तापमान सीमा में Voc और Isc (पूर्ण मान) की तीव्र वृद्धि सुपरकंडक्टिंग संक्रमण से मेल खाती है जिसे 502 mW/cm2 तीव्रता के लेजर विकिरण द्वारा ΔT ~ 3 K से ~ 34 K तक बढ़ाया जाता है (चित्र 3 बी)। टीसी से ऊपर की सामान्य अवस्था में, ओपन सर्किट वोल्टेज वोक तापमान (छवि 3 बी के शीर्ष) के साथ घटता है, पीएन जंक्शनों31,32,33 पर आधारित सामान्य सौर कोशिकाओं के लिए वोक के रैखिक व्यवहार के समान। यद्यपि तापमान के साथ Voc की परिवर्तन दर (−dVoc/dT), जो कि लेजर तीव्रता पर दृढ़ता से निर्भर करती है, सामान्य सौर कोशिकाओं की तुलना में बहुत कम है, YBCO-Ag जंक्शन के लिए Voc के तापमान गुणांक का परिमाण का क्रम समान है सौर कोशिकाओं का. एक सामान्य सौर सेल उपकरण के लिए पीएन जंक्शन का लीकेज करंट बढ़ते तापमान के साथ बढ़ता है, जिससे तापमान बढ़ने पर वोक में कमी आती है। इस एजी-सुपरकंडक्टर प्रणाली के लिए देखे गए रैखिक IV वक्र, सबसे पहले बहुत छोटी इंटरफ़ेस क्षमता और दूसरे दो हेटेरोजंक्शन के बैक-टू-बैक कनेक्शन के कारण, रिसाव धारा को निर्धारित करना मुश्किल हो जाता है। फिर भी, इसकी बहुत अधिक संभावना है कि हमारे प्रयोग में देखे गए वोक व्यवहार के लिए लीकेज करंट की समान तापमान निर्भरता जिम्मेदार है। परिभाषा के अनुसार, आईएससी वोक की भरपाई के लिए एक नकारात्मक वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए आवश्यक वर्तमान है ताकि कुल वोल्टेज शून्य हो। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, वोक छोटा हो जाता है जिससे नकारात्मक वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए कम धारा की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, YBCO का प्रतिरोध Tc (चित्र 3बी के नीचे) से ऊपर तापमान के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है, जो उच्च तापमान पर Isc के छोटे निरपेक्ष मूल्य में भी योगदान देता है।
ध्यान दें कि चित्र 2,3 में दिए गए परिणाम कैथोड इलेक्ट्रोड के आसपास के क्षेत्र में लेजर विकिरण द्वारा प्राप्त किए जाते हैं। एनोड पर स्थित लेजर स्पॉट के साथ माप भी दोहराया गया है और समान IV विशेषताओं और फोटोवोल्टिक गुणों को देखा गया है, सिवाय इसके कि इस मामले में वोक और आईएससी की ध्रुवीयता उलट गई है। ये सभी डेटा फोटोवोल्टिक प्रभाव के लिए एक तंत्र की ओर ले जाते हैं, जो सुपरकंडक्टर-मेटल इंटरफ़ेस से निकटता से संबंधित है।
संक्षेप में, लेजर विकिरणित सुपरकंडक्टिंग YBCO-Ag पेस्ट सिस्टम की IV विशेषताओं को तापमान और लेजर तीव्रता के कार्यों के रूप में मापा गया है। 50 से 300 K तक के तापमान रेंज में उल्लेखनीय फोटोवोल्टिक प्रभाव देखा गया है। यह पाया गया है कि फोटोवोल्टिक गुण YBCO सिरेमिक की अतिचालकता से दृढ़ता से संबंधित हैं। फोटो-प्रेरित सुपरकंडक्टिंग से गैर-सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के तुरंत बाद वोक और आईएससी का ध्रुवीयता उत्क्रमण होता है। निश्चित लेजर तीव्रता पर मापी गई वोक और आईएससी की तापमान निर्भरता एक महत्वपूर्ण तापमान पर एक अलग ध्रुवीयता उलटा भी दिखाती है जिसके ऊपर नमूना प्रतिरोधी हो जाता है। नमूने के विभिन्न हिस्सों में लेजर स्पॉट का पता लगाकर, हम दिखाते हैं कि इंटरफ़ेस में एक विद्युत क्षमता मौजूद है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े के लिए पृथक्करण बल प्रदान करती है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है तो यह इंटरफ़ेस क्षमता YBCO से धातु इलेक्ट्रोड की ओर निर्देशित होती है और जब नमूना गैर-सुपरकंडक्टिंग हो जाता है तो यह विपरीत दिशा में स्विच हो जाता है। क्षमता की उत्पत्ति स्वाभाविक रूप से धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव से जुड़ी हो सकती है जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है और 502 mW/cm2 की लेजर तीव्रता के साथ 50 K पर ~10−8 mV होने का अनुमान लगाया जाता है। सामान्य अवस्था में पी-प्रकार की सामग्री वाईबीसीओ का एन-प्रकार की सामग्री एजी-पेस्ट के साथ संपर्क एक अर्ध-पीएन जंक्शन बनाता है जो उच्च तापमान पर वाईबीसीओ सिरेमिक के फोटोवोल्टिक व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। उपरोक्त अवलोकन उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग वाईबीसीओ सिरेमिक में पीवी प्रभाव पर प्रकाश डालते हैं और तेज निष्क्रिय प्रकाश डिटेक्टर और एकल फोटॉन डिटेक्टर जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में नए अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त करते हैं।
फोटोवोल्टिक प्रभाव प्रयोग 0.52 मिमी मोटाई और 8.64 × 2.26 मिमी2 आयताकार आकार के वाईबीसीओ सिरेमिक नमूने पर किए गए थे और त्रिज्या में 1.25 मिमी के लेजर स्पॉट आकार के साथ निरंतर तरंग ब्लू-लेजर (λ = 450 एनएम) द्वारा प्रकाशित किया गया था। पतली फिल्म नमूने के बजाय बल्क का उपयोग करने से हम सब्सट्रेट6,7 के जटिल प्रभाव से निपटने के बिना सुपरकंडक्टर के फोटोवोल्टिक गुणों का अध्ययन करने में सक्षम होते हैं। इसके अलावा, थोक सामग्री अपनी सरल तैयारी प्रक्रिया और अपेक्षाकृत कम लागत के लिए अनुकूल हो सकती है। तांबे के सीसे के तारों को YBCO नमूने पर चांदी के पेस्ट के साथ जोड़कर लगभग 1 मिमी व्यास के चार गोलाकार इलेक्ट्रोड बनाए जाते हैं। दो वोल्टेज इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी लगभग 5 मिमी है। नमूने की IV विशेषताओं को क्वार्ट्ज क्रिस्टल विंडो के साथ कंपन नमूना मैग्नेटोमीटर (वर्सालैब, क्वांटम डिज़ाइन) का उपयोग करके मापा गया था। IV वक्र प्राप्त करने के लिए मानक चार-तार विधि को नियोजित किया गया था। इलेक्ट्रोड और लेज़र स्पॉट की सापेक्ष स्थिति चित्र 1i में दिखाई गई है।
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इस कार्य को चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान संख्या 60571063), हेनान प्रांत, चीन के मौलिक अनुसंधान परियोजनाओं (अनुदान संख्या 122300410231) द्वारा समर्थित किया गया है।
FY ने पेपर का पाठ लिखा और MYH ने YBCO सिरेमिक नमूना तैयार किया। FY और MYH ने प्रयोग किया और परिणामों का विश्लेषण किया। एफजीसी ने परियोजना और डेटा की वैज्ञानिक व्याख्या का नेतृत्व किया। सभी लेखकों ने पांडुलिपि की समीक्षा की।
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पोस्ट करने का समय: अप्रैल-22-2020