תודה שביקרת ב-nature.com. אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכה מוגבלת ב-CSS. כדי לקבל את החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן יותר (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
אנו מדווחים על אפקט פוטו-וולטאי יוצא דופן בקרמיקה YBa2Cu3O6.96 (YBCO) בין 50 ל-300 K המושרה על ידי תאורת לייזר כחול, הקשורה ישירות למוליכות העל של YBCO ולממשק האלקטרודה המתכתית של YBCO. קיים היפוך קוטביות למתח המעגל הפתוח Voc ולזרם הקצר Isc כאשר YBCO עובר מעבר ממוליך-על למצב התנגדות. אנו מראים שקיים פוטנציאל חשמלי על פני ממשק מתכת-על-מוליך-על-נורמלי, המספק את כוח ההפרדה עבור זוגות האלקטרון-חורים המושרים בצילום. פוטנציאל ממשק זה מפנה מ-YBCO לאלקטרודת המתכת כאשר YBCO מוליך-על ועובר לכיוון ההפוך כאשר YBCO הופך ללא-מוליך. מקור הפוטנציאל עשוי להיות קשור בקלות להשפעת הקרבה בממשק מתכת-מוליך-על כאשר YBCO מוליך-על וערכו מוערך ב-~10-8 mV ב-50 K עם עוצמת לייזר של 502 mW/cm2. שילוב של חומר מסוג p YBCO במצב רגיל עם חומר מסוג n Ag-paste יוצר צומת מעין-pn אשר אחראי על ההתנהגות הפוטו-וולטאית של קרמיקה YBCO בטמפרטורות גבוהות. הממצאים שלנו עשויים לסלול את הדרך ליישומים חדשים של התקנים פוטון-אלקטרוניים ולשפוך אור נוסף על אפקט הקרבה בממשק מוליך-על-מתכת.
מתח המושרה על ידי צילום במוליכי-על בטמפרטורה גבוהה דווח בתחילת שנות ה-90 ונחקר רבות מאז, אך האופי והמנגנון שלו נותרו מעורפלים1,2,3,4,5. סרטים דקים של YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, במיוחד, נחקרים באופן אינטנסיבי בצורה של תא פוטו-וולטאי (PV) בשל פער האנרגיה המתכוונן שלו9,10,11,12,13. עם זאת, התנגדות גבוהה של המצע תמיד מובילה ליעילות המרה נמוכה של המכשיר ומסווה את תכונות ה-PV העיקריות של YBCO8. כאן אנו מדווחים על אפקט פוטו-וולטאי יוצא דופן המושרה על ידי תאורת לייזר כחול (λ = 450 ננומטר) בקרמיקה YBa2Cu3O6.96 (YBCO) בין 50 ל-300 K (Tc ~ 90 K). אנו מראים כי אפקט ה-PV קשור ישירות למוליכות העל של YBCO ולאופי ממשק האלקטרודה המתכתית של YBCO. יש היפוך קוטביות למתח המעגל הפתוח Voc ולזרם הקצר Isc כאשר YBCO עובר מעבר משלב מוליך-על למצב התנגדות. מוצע כי קיים פוטנציאל חשמלי על פני ממשק מתכת מוליך-על-נורמלי, המספק את כוח ההפרדה עבור זוגות האלקטרונים-חורים המושרים על ידי צילום. פוטנציאל ממשק זה מפנה מ-YBCO לאלקטרודת המתכת כאשר YBCO מוליך-על ועובר לכיוון ההפוך כאשר המדגם הופך ללא-מול-על. מקור הפוטנציאל עשוי להיות קשור באופן טבעי להשפעת הקרבה 14,15,16,17 בממשק מתכת-מוליכים-על כאשר YBCO מוליך-על וערכו מוערך כ~10-8 mV ב-50 K עם עוצמת לייזר של 502 mW /cm2. שילוב של חומר YBCO מסוג p במצב רגיל עם חומר מסוג n Ag-paste יוצר, ככל הנראה, צומת מעין-pn אשר אחראי על התנהגות ה-PV של קרמיקה YBCO בטמפרטורות גבוהות. התצפיות שלנו שופכות אור נוסף על מקור אפקט ה-PV בקרמיקת YBCO מוליכת-על בטמפרטורה גבוהה וסוללות את הדרך ליישום שלה במכשירים אופטו-אלקטרוניים כגון גלאי אור פסיבי מהיר וכו'.
איור 1a-c מראה שהמאפיינים IV של מדגם קרמי של YBCO ב-50 K. ללא תאורת אור, המתח על פני המדגם נשאר על אפס עם זרם משתנה, כפי שניתן לצפות מחומר מוליך-על. אפקט פוטו-וולטאי ברור מופיע כאשר קרן הלייזר מכוונת אל הקתודה (איור 1א): עקומות ה-IV במקביל לציר ה-I נעות כלפי מטה בעוצמת הלייזר הגוברת. ניכר כי קיים מתח שלילי המושרה בצילום גם ללא זרם כלשהו (נקרא לעתים קרובות מתח מעגל פתוח Voc). השיפוע האפס של עקומת IV מצביע על כך שהדגימה עדיין מוליכת-על תחת תאורת לייזר.
(a–c) ו-300 K (e–g). ערכי V(I) התקבלו על ידי סחיפת הזרם מ-10 mA ל-+10 mA בוואקום. רק חלק מנתוני הניסוי מוצג למען הבהירות. א, מאפייני מתח זרם של YBCO נמדד עם נקודת לייזר הממוקמת בקתודה (i). כל עקומות ה-IV הם קווים ישרים אופקיים המציינים שהדגימה עדיין מוליך-על עם קרינת לייזר. העקומה נעה מטה בעוצמת לייזר גוברת, מה שמצביע על כך שקיים פוטנציאל שלילי (Voc) בין שני מובילי המתח אפילו עם זרם אפס. עקומות IV נשארות ללא שינוי כאשר הלייזר מכוון למרכז הדגימה ב-ether 50 K (b) או 300 K (f). הקו האופקי נע למעלה כשהאנודה מוארת (ג). דגם סכמטי של צומת מוליך-על מתכת ב-50 K מוצג ב-d. מאפייני מתח זרם של YBCO במצב נורמלי ב-300 K נמדד עם קרן לייזר מכוונת לקתודה ואנודה ניתנים ב-e ו-g בהתאמה. בניגוד לתוצאות ב-50 K, שיפוע לא אפס של הקווים הישרים מצביע על כך ש-YBCO במצב תקין; הערכים של Voc משתנים עם עוצמת האור בכיוון הפוך, מה שמצביע על מנגנון הפרדת מטען שונה. מבנה ממשק אפשרי ב-300 K מתואר ב-hj התמונה האמיתית של המדגם עם לידים.
YBCO עשיר בחמצן במצב מוליך-על יכול לספוג כמעט את הספקטרום המלא של אור השמש בגלל פער האנרגיה הקטן מאוד שלו (Eg)9,10, ובכך ליצור זוגות של חור אלקטרוני (e–h). כדי לייצר מתח מעגל פתוח Voc על ידי קליטה של פוטונים, יש צורך להפריד מרחבית זוגות eh שנוצרו בצילום לפני שמתרחש רקומבינציה18. ה-Voc השלילי, ביחס לקתודה ולאנודה כפי שמצוין באיור 1i, מצביע על כך שקיים פוטנציאל חשמלי על פני ממשק מתכת-מוליך-על, אשר גורף את האלקטרונים אל האנודה וחורים אל הקתודה. אם זה המקרה, אמור להיות גם פוטנציאל המצביע ממוליך-על לאלקטרודת המתכת באנודה. כתוצאה מכך, Voc חיובי יתקבל אם אזור הדגימה ליד האנודה מואר. יתר על כן, לא אמורים להיות מתחים המושרים על ידי צילום כאשר נקודת הלייזר מכוונת לאזורים רחוקים מהאלקטרודות. זה בהחלט המקרה כפי שניתן לראות מאיור 1b,c!.
כאשר נקודת האור נעה מאלקטרודת הקתודה למרכז הדגימה (במרחק של כ-1.25 מ"מ מהממשקים), לא ניתן לראות וריאציה של עקומות IV וללא Voc עם עוצמת לייזר גוברת עד לערך המרבי הזמין (איור 1b) . מטבע הדברים, ניתן לייחס תוצאה זו לאורך החיים המוגבל של נשאים המושרים על ידי צילום והיעדר כוח ההפרדה במדגם. ניתן ליצור זוגות אלקטרונים-חורים בכל פעם שהדגימה מוארת, אך רוב זוגות ה-e–h יחוסלו ולא נצפה אפקט פוטו-וולטאי אם כתם הלייזר נופל על אזורים רחוקים מכל האלקטרודות. העברת נקודת הלייזר לאלקטרודות האנודה, עקומות ה-IV במקביל לציר ה-I נעות כלפי מעלה בעוצמת לייזר גוברת (איור 1c). שדה חשמלי מובנה דומה קיים בצומת מתכת-מוליך-על באנודה. עם זאת, האלקטרודה המתכתית מתחברת לליד החיובי של מערכת הבדיקה הפעם. החורים שמייצר הלייזר נדחפים אל מוביל האנודה וכך נצפה Voc חיובי. התוצאות המוצגות כאן מספקות ראיות חזקות לכך שאכן קיים פוטנציאל ממשק המצביע מהמוליך אל אלקטרודת המתכת.
אפקט פוטו-וולטאי בקרמיקה YBa2Cu3O6.96 ב-300 K מוצג באיור 1e-g. ללא תאורת אור, עקומת IV של הדגימה היא קו ישר החוצה את המקור. קו ישר זה נע כלפי מעלה במקביל לקו המקורי עם עוצמת הלייזר הגוברת ומקרינה על מובילי הקתודה (איור 1ה). ישנם שני מקרים מגבילים של עניין עבור מכשיר פוטו-וולטאי. מצב הקצר מתרחש כאשר V = 0. הזרם במקרה זה מכונה זרם הקצר (Isc). המקרה המגביל השני הוא מצב המעגל הפתוח (Voc) המתרחש כאשר R→∞ או הזרם הוא אפס. איור 1e מראה בבירור ש-Voc חיובי ועולה עם הגדלת עוצמת האור, בניגוד לתוצאה המתקבלת ב-50 K; בעוד ש-Isc שלילי מתגבר בגודלו עם הארת אור, התנהגות אופיינית של תאים סולאריים רגילים.
באופן דומה, כאשר קרן הלייזר מכוונת לאזורים רחוקים מהאלקטרודות, עקומת V(I) אינה תלויה בעוצמת הלייזר ולא הופיע אפקט פוטו-וולטאי (איור 1f). בדומה למדידה ב-50 K, עקומות ה-IV נעות לכיוון ההפוך כאשר אלקטרודת האנודה מוקרנת (איור 1g). כל התוצאות הללו שהתקבלו עבור מערכת הדבקה זו של YBCO-Ag ב-300 K עם קרינת לייזר במיקומים שונים של הדגימה תואמות פוטנציאל ממשק מנוגד לזה שנצפה ב-50 K.
רוב האלקטרונים מתעבים בזוגות קופר ב-YBCO מוליך-על מתחת לטמפרטורת המעבר שלו Tc. בעודם נמצאים באלקטרודת המתכת, כל האלקטרונים נשארים בצורת יחיד. יש שיפוע צפיפות גדול הן עבור אלקטרונים יחידים והן עבור זוגות קופר בקרבת ממשק מתכת-מוליך-על. אלקטרונים יחידים של נושאי רוב בחומר מתכתי יתפזרו לאזור מוליכי העל, ואילו זוגות קופר רוב-נשא באזור YBCO יתפזרו לאזור המתכת. כאשר זוגות קופר הנושאים יותר מטענים ובעלי ניידות גדולה יותר מאלקטרונים בודדים מתפזרים מ-YBCO לאזור מתכתי, אטומים בעלי מטען חיובי נותרים מאחור, וכתוצאה מכך נוצר שדה חשמלי באזור מטען החלל. כיוון השדה החשמלי הזה מוצג בתרשים הסכמטי איור 1ד. תאורת פוטון תקרית ליד אזור מטען החלל יכולה ליצור זוגות eh שיופרדו ויסחפו החוצה וייצרו זרם צילום בכיוון ההטיה ההפוכה. ברגע שהאלקטרונים יוצאים מהשדה החשמלי המובנה, הם מתעבים לזוגות וזורמים אל האלקטרודה השנייה ללא התנגדות. במקרה זה, ה-Voc מנוגד לקוטביות שנקבעה מראש ומציג ערך שלילי כאשר קרן הלייזר מצביעה על האזור סביב האלקטרודה השלילית. מהערך של Voc, ניתן להעריך את הפוטנציאל על פני הממשק: המרחק בין שני מובילי המתח d הוא ~5 × 10-3 מ', עובי ממשק מתכת-מוליך-על, di, צריך להיות באותו סדר גודל כאורך הקוהרנטיות של מוליך-על YBCO (~1 ננומטר) 19,20, קח את הערך של Voc = 0.03 mV, ה-Vms הפוטנציאלי ב- ממשק מוליך-על מתכת מוערך כ-~10-11 V ב-50 K עם עוצמת לייזר של 502 mW/cm2, באמצעות משוואה,
אנו רוצים להדגיש כאן שלא ניתן להסביר את המתח המושרה בצילום על ידי אפקט תרמי צילום. נקבע בניסוי כי מקדם Seebeck של מוליך-על YBCO הוא Ss = 021. מקדם Seebeck עבור חוטי עופרת נחושת הוא בטווח של SCu = 0.34-1.15 μV/K3. ניתן להעלות את הטמפרטורה של חוט הנחושת בנקודת הלייזר בכמות קטנה של 0.06 K עם עוצמת לייזר מקסימלית זמינה ב-50 K. זה יכול לייצר פוטנציאל תרמו-אלקטרי של 6.9 × 10-8 V שהוא 3 סדרי גודל קטן מ- ה-Voc שהושג באיור 1 (א). ברור שהאפקט התרמו-אלקטרי קטן מכדי להסביר את תוצאות הניסוי. למעשה, שינוי הטמפרטורה כתוצאה מקרינת לייזר ייעלם תוך פחות מדקה אחת, כך שניתן להתעלם בבטחה מהתרומה מהאפקט התרמי.
האפקט הפוטו-וולטאי הזה של YBCO בטמפרטורת החדר מגלה שמנגנון הפרדת מטען שונה מעורב כאן. YBCO מוליך-על במצב תקין הוא חומר מסוג p עם חורים כנושא מטען22,23, בעוד שלמשחת Ag מתכתית יש מאפיינים של חומר מסוג n. בדומה ל-pn junctions, דיפוזיה של אלקטרונים במשחת הכסף ובחורים בקרמיקה של YBCO תיצור שדה חשמלי פנימי המצביע על קרמיקת YBCO בממשק (איור 1h). השדה הפנימי הזה הוא שמספק את כוח ההפרדה ומוביל ל-Voc חיובי ול-Isc שלילי עבור מערכת הדבק YBCO-Ag בטמפרטורת החדר, כפי שמוצג באיור 1e. לחלופין, Ag-YBCO יכול ליצור צומת שוטקי מסוג p אשר מוביל גם לפוטנציאל ממשק עם אותה קוטביות כמו במודל שהוצג לעיל24.
כדי לחקור את תהליך האבולוציה המפורט של המאפיינים הפוטו-וולטאיים במהלך מעבר מוליך-על של YBCO, נמדדו עקומות IV של המדגם ב-80 K עם עוצמות לייזר נבחרות המאירות באלקטרודה קתודה (איור 2). ללא קרינת לייזר, המתח על פני הדגימה שומר על אפס ללא קשר לזרם, מה שמצביע על מצב המוליך העל של המדגם ב-80 K (איור 2a). בדומה לנתונים המתקבלים ב-50 K, עקומות IV במקביל לציר ה-I נעות כלפי מטה בעוצמת לייזר גוברת עד שמגיעים לערך קריטי Pc. מעל עוצמת הלייזר הקריטית הזו (Pc), המוליך עובר מעבר משלב מוליך לשלב התנגדות; המתח מתחיל לעלות עם הזרם עקב הופעת ההתנגדות במוליך העל. כתוצאה מכך, עקומת ה-IV מתחילה להצטלב עם ציר ה-I וציר ה-V המובילה ל-Voc שלילי ול-Isc חיובי בהתחלה. כעת נראה שהדגימה במצב מיוחד בו הקוטביות של Voc ו-Isc רגישה ביותר לעוצמת האור; עם עלייה קטנה מאוד בעוצמת האור Isc מומר מחיוב לשלילי ו-Voc מערך שלילי לחיובי, תוך מעבר למקור (ניתן לראות בבירור יותר את הרגישות הגבוהה של תכונות פוטו-וולטאיות, במיוחד הערך של Isc, להארת אור. 2ב). בעוצמת הלייזר הגבוהה ביותר הזמינה, עקומות ה-IV מתכוונות להיות מקבילות זו לזו, מה שמסמל את המצב התקין של דגימת YBCO.
מרכז נקודת הלייזר ממוקם סביב אלקטרודות הקתודה (ראה איור 1i). א, עקומות IV של YBCO שהוקרן בעוצמות לייזר שונות. b (למעלה), תלות בעוצמת הלייזר של מתח מעגל פתוח Voc וזרם קצר חשמלי Isc. לא ניתן להשיג את ערכי ה-ISC בעוצמת אור נמוכה (<110 mW/cm2) מכיוון שהעקומות ה-IV מקבילות לציר ה-I כאשר המדגם במצב מוליך-על. b (למטה), התנגדות דיפרנציאלית כפונקציה של עוצמת הלייזר.
התלות בעוצמת הלייזר של Voc ו-Isc ב-80 K מוצגת באיור 2b (למעלה). ניתן לדון בתכונות הפוטו-וולטאיות בשלושה אזורים של עוצמת האור. האזור הראשון הוא בין 0 ל-Pc, שבו YBCO מוליך-על, Voc הוא שלילי ויורד (הערך המוחלט עולה) עם עוצמת האור ומגיע למינימום ב-Pc. האזור השני הוא מ-Pc לעוצמה קריטית אחרת P0, בה Voc עולה בעוד ש-Isc יורד עם עלייה בעוצמת האור ושניהם מגיעים לאפס ב-P0. האזור השלישי הוא מעל P0 עד הגעה למצב נורמלי של YBCO. למרות שגם Voc וגם Isc משתנים עם עוצמת האור באותו אופן כמו באזור 2, יש להם קוטביות הפוכה מעל העוצמה הקריטית P0. המשמעות של P0 טמונה בכך שאין אפקט פוטו-וולטאי ומנגנון הפרדת המטען משתנה מבחינה איכותית בנקודה מסוימת זו. דגימת ה-YBCO הופכת ללא מוליכת-על בטווח זה של עוצמת האור אך המצב הנורמלי שטרם הושג.
ברור שהמאפיינים הפוטו-וולטאיים של המערכת קשורים קשר הדוק למוליכות-העל של YBCO ולמעבר המוליכי-על שלה. ההתנגדות הדיפרנציאלית, dV/dI, של YBCO מוצגת באיור 2b (למטה) כפונקציה של עוצמת הלייזר. כפי שהוזכר קודם, הפוטנציאל החשמלי המובנה בממשק עקב קופר מצמד נקודות דיפוזיה מהמוליך למתכת. בדומה לזה שנצפה ב-50 K, האפקט הפוטו-וולטאי מוגבר עם הגדלת עוצמת הלייזר מ-0 ל-Pc. כאשר עוצמת הלייזר מגיעה לערך מעט מעל Pc, עקומת ה-IV מתחילה להטות וההתנגדות של המדגם מתחילה להופיע, אך הקוטביות של פוטנציאל הממשק עדיין לא השתנתה. ההשפעה של עירור אופטי על מוליכות העל נחקרה באזור הנראה או קרוב ל-IR. בעוד שהתהליך הבסיסי הוא לפרק את זוגות הקופר ולהרוס את המוליכות-על25,26, במקרים מסוימים ניתן לשפר את המעבר של מוליכות-העל27,28,29, ניתן אפילו לגרום לשלבים חדשים של מוליכות-על30. היעדר מוליכות-על ב-Pc יכול להיות מיוחס לשבירת הצמד המושרה בצילום. בנקודה P0, הפוטנציאל על פני הממשק הופך לאפס, מה שמצביע על כך שצפיפות המטען בשני הצדדים של הממשק מגיעה לאותה רמה תחת עוצמת הארת האור המסוימת הזו. עלייה נוספת בעוצמת הלייזר גורמת להרוס יותר זוגות קופר ו-YBCO הופך בהדרגה חזרה לחומר מסוג p. במקום דיפוזיה של זוג אלקטרונים וקופר, התכונה של הממשק נקבעת כעת על ידי דיפוזיה של אלקטרונים וחורים אשר מובילה להיפוך קוטביות של השדה החשמלי בממשק וכתוצאה מכך ל-Voc חיובי (השווה איור 1d,h). בעוצמת לייזר גבוהה מאוד, ההתנגדות הדיפרנציאלית של YBCO רוויה לערך המתאים למצב הנורמלי וגם Voc וגם Isc נוטים להשתנות באופן ליניארי עם עוצמת הלייזר (איור 2b). תצפית זו מגלה שקרינת לייזר על YBCO במצב נורמלי לא תשנה עוד את ההתנגדות שלו ואת התכונה של ממשק מוליך-על-מתכת אלא רק תגדיל את הריכוז של זוגות האלקטרון-חור.
כדי לחקור את השפעת הטמפרטורה על המאפיינים הפוטו-וולטאיים, מערכת מוליכי-המתכת הוקרנה בקתודה בלייזר כחול בעוצמה של 502 mW/cm2. עקומות IV המתקבלות בטמפרטורות נבחרות בין 50 ל-300 K ניתנות באיור 3א. לאחר מכן ניתן לקבל את מתח המעגל הפתוח Voc, זרם הקצר Isc וההתנגדות הדיפרנציאלית מעיקומות IV אלה ומוצגות באיור 3b. ללא תאורת אור, כל עקומות ה-IV שנמדדו בטמפרטורות שונות עוברות את המקור כצפוי (הוספה של איור 3א). מאפייני ה-IV משתנים באופן דרסטי עם עליית הטמפרטורה כאשר המערכת מוארת בקרן לייזר חזקה יחסית (502 mW/cm2). בטמפרטורות נמוכות עקומות ה-IV הם קווים ישרים המקבילים לציר ה-I עם ערכים שליליים של Voc. עקומה זו נעה כלפי מעלה עם עליית הטמפרטורה והופכת בהדרגה לקו עם שיפוע שאינו אפס בטמפרטורה קריטית Tcp (איור 3a (למעלה)). נראה שכל העקומות האופייניות IV מסתובבות סביב נקודה ברביע השלישי. Voc עולה מערך שלילי לחיובי ואילו ISC יורד מערך חיובי לשלילי. מעל טמפרטורת המעבר המוליכה המקורית Tc של YBCO, עקומת ה-IV משתנה באופן שונה למדי עם הטמפרטורה (תחתית איור 3a). ראשית, מרכז הסיבוב של עקומות ה-IV עובר לרביע הראשון. שנית, Voc ממשיך לרדת וה-Isc עולה עם עליית הטמפרטורה (החלק העליון של איור 3b). שלישית, השיפוע של עקומות IV גדל באופן ליניארי עם הטמפרטורה וכתוצאה מכך מקדם טמפרטורה חיובי של התנגדות עבור YBCO (תחתית איור. 3b).
תלות בטמפרטורה של מאפיינים פוטו-וולטאיים עבור מערכת הדבק YBCO-Ag תחת תאורת לייזר של 502 mW/cm2.
מרכז נקודת הלייזר ממוקם סביב אלקטרודות הקתודה (ראה איור 1i). א, עקומות IV המתקבלות מ-50 עד 90 K (עליון) ומ-100 עד 300 K (למטה) עם עליית טמפרטורה של 5 K ו-20 K, בהתאמה. Inset a מציג מאפייני IV במספר טמפרטורות בחושך. כל העקומות חוצות את נקודת המוצא. ב, מתח מעגל פתוח Voc וזרם קצר Isc (למעלה) וההתנגדות הדיפרנציאלית, dV/dI, של YBCO (למטה) כפונקציה של הטמפרטורה. טמפרטורת המעבר Tcp של התנגדות אפס לא ניתנת מכיוון שהיא קרובה מדי ל-Tc0.
ניתן לזהות שלוש טמפרטורות קריטיות מאיור 3b: Tcp, שמעליו YBCO הופך ללא מוליך-על; Tc0, שבו הן Voc והן Isc הופכים לאפס ו-Tc, טמפרטורת המעבר המוליכות העל המקורית של YBCO ללא הקרנת לייזר. מתחת ל-Tcp ~ 55 K, YBCO המוקרן בלייזר נמצא במצב מוליך-על עם ריכוז גבוה יחסית של זוגות קופר. ההשפעה של קרינת לייזר היא הפחתת טמפרטורת המעבר של מוליכות-על של התנגדות אפס מ-89 K ל-55 K ~(בתחתית איור 3b) על ידי הפחתת ריכוז זוג קופר בנוסף להפקת מתח וזרם פוטו-וולטאיים. עליית הטמפרטורה גם מפרקת את זוגות הקופר מה שמוביל לפוטנציאל נמוך יותר בממשק. כתוצאה מכך, הערך המוחלט של Voc ילך ויקטן, אם כי מיושמת אותה עוצמת תאורת לייזר. פוטנציאל הממשק ילך וקטן עם עלייה נוספת בטמפרטורה ויגיע לאפס ב-Tc0. אין אפקט פוטו-וולטאי בנקודה מיוחדת זו מכיוון שאין שדה פנימי המפריד בין זוגות האלקטרונים-חורים המושרים על ידי צילום. היפוך קוטביות של הפוטנציאל מתרחש מעל טמפרטורה קריטית זו מכיוון שצפיפות המטען החופשית במשחת Ag גדולה מזו ב-YBCO שמועברת בהדרגה חזרה לחומר מסוג p. כאן אנו רוצים להדגיש כי היפוך הקוטביות של Voc ו-Isc מתרחש מיד לאחר המעבר מוליכים-על של התנגדות אפס, ללא קשר לסיבת המעבר. תצפית זו חושפת בבירור, לראשונה, את המתאם בין מוליכות-על לבין ההשפעות הפוטו-וולטאיות הקשורות לפוטנציאל ממשק מתכת-מוליך-על. אופיו של פוטנציאל זה על פני ממשק מתכת מוליך-על-נורמלי היה מוקד מחקר בעשורים האחרונים, אך ישנן שאלות רבות שעדיין מחכות לתשובה. מדידת האפקט הפוטו-וולטאי עשויה להתגלות כשיטה יעילה לחקירת הפרטים (כגון החוזק והקוטביות שלו וכו') של פוטנציאל חשוב זה ומכאן לשפוך אור על אפקט הקרבה המוליכות בטמפרטורה גבוהה.
עלייה נוספת בטמפרטורה מ-Tc0 ל-Tc מובילה לריכוז קטן יותר של זוגות קופר ולשיפור בפוטנציאל הממשק וכתוצאה מכך ל-Voc גדול יותר. ב-Tc ריכוז צמד הקופר הופך לאפס והפוטנציאל המובנה בממשק מגיע למקסימום, מה שמביא למקסימום Voc ומינימום ISC. העלייה המהירה של Voc ו-Isc (ערך אבסולוטי) בטווח טמפרטורות זה תואמת את המעבר המוליך-על שמתרחב מ-ΔT ~ 3 K ל-~34 K על ידי הקרנת לייזר בעוצמה 502 mW/cm2 (איור 3b). במצבים הנורמליים מעל Tc, מתח המעגל הפתוח Voc יורד עם הטמפרטורה (החלק העליון של איור 3b), בדומה להתנהגות הליניארית של Voc עבור תאים סולאריים רגילים המבוססים על pn junctions31,32,33. למרות שקצב השינוי של Voc עם הטמפרטורה (-dVoc/dT), התלוי מאוד בעוצמת הלייזר, קטן בהרבה מזה של תאים סולאריים רגילים, למקדם הטמפרטורה של Voc עבור צומת YBCO-Ag יש אותו סדר גודל כמו זה. של התאים הסולאריים. זרם הדליפה של צומת pn עבור מכשיר תא סולארי רגיל עולה עם עליית הטמפרטורה, מה שמוביל לירידה ב-Voc ככל שהטמפרטורה עולה. עקומות IV הליניאריות שנצפו עבור מערכת מוליכים-על זו, עקב ראשית פוטנציאל הממשק הקטן מאוד ושנית החיבור גב אל גב של שני ההטרוג'נקציות, מקשות על קביעת זרם הדליפה. עם זאת, סביר מאוד שאותה תלות בטמפרטורה של זרם דליפה אחראית להתנהגות ה-Voc שנצפתה בניסוי שלנו. לפי ההגדרה, Isc הוא הזרם הדרוש להפקת מתח שלילי כדי לפצות את Voc כך שהמתח הכולל יהיה אפס. ככל שהטמפרטורה עולה, Voc הופך קטן יותר כך שדרוש פחות זרם כדי לייצר את המתח השלילי. יתר על כן, ההתנגדות של YBCO עולה באופן ליניארי עם הטמפרטורה מעל Tc (תחתית איור 3b), מה שגם תורם לערך המוחלט הקטן יותר של Isc בטמפרטורות גבוהות.
שימו לב שהתוצאות הניתנות באיורים 2,3 מתקבלות על ידי הקרנת לייזר באזור סביב אלקטרודות הקתודה. המדידות חזרו על עצמם גם עם נקודת לייזר הממוקמת באנודה ונצפו מאפייני IV ומאפיינים פוטו-וולטאיים דומים למעט שהקוטביות של Voc ו-Isc התהפכה במקרה זה. כל הנתונים הללו מובילים למנגנון לאפקט הפוטו-וולטאי, הקשור קשר הדוק לממשק מוליך-על-מתכת.
לסיכום, מאפייני ה-IV של מערכת הדבקת YBCO-Ag מוקרנת בלייזר נמדדו כפונקציות של טמפרטורה ועוצמת הלייזר. אפקט פוטו-וולטאי יוצא דופן נצפתה בטווח הטמפרטורות שבין 50 ל- 300 K. נמצא כי המאפיינים הפוטו-וולטאיים מתואמים מאוד למוליכות העל של קרמיקה YBCO. היפוך קוטביות של Voc ו-Isc מתרחש מיד לאחר המעבר ממוליך-על המושרה על ידי צילום ללא מוליך-על. תלות הטמפרטורה של Voc ו-Isc הנמדדת בעוצמת לייזר קבועה מראה גם היפוך קוטביות מובהק בטמפרטורה קריטית שמעליה המדגם הופך להתנגדות. על ידי איתור נקודת הלייזר לחלק אחר של המדגם, אנו מראים שקיים פוטנציאל חשמלי על פני הממשק, המספק את כוח ההפרדה לזוגות האלקטרונים-חורים המושרים בצילום. פוטנציאל ממשק זה מפנה מ-YBCO לאלקטרודת המתכת כאשר YBCO מוליך-על ועובר לכיוון ההפוך כאשר המדגם הופך ללא-מול-על. מקור הפוטנציאל עשוי להיות קשור באופן טבעי להשפעת הקרבה בממשק מתכת-מוליך-על כאשר YBCO מוליך-על ומוערך ב-~10-8 mV ב-50 K עם עוצמת לייזר של 502 mW/cm2. מגע של חומר מסוג p YBCO במצב רגיל עם חומר מסוג n Ag-paste יוצר צומת מעין-pn אשר אחראי על ההתנהגות הפוטו-וולטאית של קרמיקה YBCO בטמפרטורות גבוהות. התצפיות לעיל שופכות אור על אפקט ה-PV בקרמיקת YBCO מוליכת-על בטמפרטורה גבוהה וסוללות את הדרך ליישומים חדשים במכשירים אופטו-אלקטרוניים כגון גלאי אור פסיבי מהיר וגלאי פוטון בודד.
הניסויים באפקט הפוטו-וולטאי בוצעו על דגימה קרמית של YBCO בעובי של 0.52 מ"מ ובצורה מלבנית של 8.64 × 2.26 מ"מ והוארו בלייזר כחול גל מתמשך (λ = 450 ננומטר) עם גודל נקודת לייזר של 1.25 מ"מ ברדיוס. שימוש בדגימה בתפזורת ולא בסרט דק מאפשר לנו ללמוד את התכונות הפוטו-וולטאיות של מוליך העל מבלי להתמודד עם ההשפעה המורכבת של המצע6,7. יתר על כן, החומר בתפזורת יכול להועיל להליך ההכנה הפשוט שלו ולעלות נמוכה יחסית. חוטי העופרת הנחושת מחוברים על מדגם YBCO עם משחת כסף היוצרות ארבע אלקטרודות עגולות בקוטר של כ-1 מ"מ. המרחק בין שתי אלקטרודות המתח הוא כ-5 מ"מ. מאפייני IV של המדגם נמדדו באמצעות מגנומטר מדגם רטט (VersaLab, Quantum Design) עם חלון קריסטל קוורץ. נעשה שימוש בשיטת ארבעה חוטים סטנדרטית להשגת עקומות IV. המיקומים היחסיים של האלקטרודות ונקודת הלייזר מוצגים באיור 1i.
כיצד לצטט מאמר זה: Yang, F. et al. מקור האפקט הפוטו-וולטאי בקרמיקה YBa2Cu3O6.96 מוליכות-על. Sci. רפ' 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR מתחים המושרים על ידי לייזר ב-YBa2Cu3O7 האסורים על סימטריה. פיזי. Rev' B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY מקור האות הפוטו-וולטאי החריג ב-Y-Ba-Cu-O. פיזי. Rev' B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW מדידה של מתחים המושרים על ידי לייזר של מוליכי-על Bi-Sr-Ca-Cu-O. פיזי. ר' ב 46, תשנ"ג-תשנ"ו (1992).
Tate, KL, et al. מתחים חולפים המושרים על ידי לייזר בסרטים בטמפרטורת החדר של YBa2Cu3O7-x. J. Appl. פיזי. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP תגובה פוטו-וולטאית חריגה ב-YBa2Cu3O7. פיזי. ר' ב 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. הזרקת נושא חור ל-YBa2Cu3O7−x במבנה תחמוצתי. יישום פיזי. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. מחקר פליטת פוטו של סרטים דקים של YBa2Cu3Oy תחת תאורת אור. פיזי. הכומר לט. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. אפקט פוטו-וולטאי של YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb הטרוג'וינט מחושל בלחץ חלקי חמצן שונה. מאטר. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. מבנה שני פערים בקריסטלים בודדים של Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. דינמיקת הרפיה של קווזי-חלקיקים במוליכי-על עם מבני פער שונים: תיאוריה וניסויים על YBa2Cu3O7-δ . פיזי. Rev' B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG תכונות תיקון של YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. יישום פיזי. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB ספיגה אקציטונית ומוליכות-על ב-YBa2Cu3O7-δ. פיזי. הכומר לט. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. מוליכות פוטו-אינדוקציה חולפת בגבישים בודדים מוליכים למחצה של YBa2Cu3O6.3: חיפוש אחר מצב מתכתי המושרה בפוטו ועבור מוליכות-על הנגרמת על-ידי פוטו. קהילת המדינה המוצקה. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL מודל מנהור של אפקט הקרבה המוליכות-על. פיזי. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. אפקט קרבה מוליך-על נבדק בסולם אורך מזוסקופי. פיזי. הכומר לט. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. אפקט קרבה עם מוליכים לא-צנטרוסימטריים. פיזי. ר' ב 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. אפקט קרבה מוליך-על חזק במבנים היברידיים Pb-Bi2Te3. Sci. רפ' 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL תא צילום חדש מסיליקון pn junction להמרת קרינת שמש לכוח חשמלי. J. App. פיזי. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. טומאה השפעות על אורך הקוהרנטיות המוליכות ב-Zn- או Ni מסוממות YBa2Cu3O6.9 גבישים בודדים. פיזי. Rev' B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistance of Untwinned YBa2Cu3Oy single crystals במגוון רחב של סימום: תלות חריגה בסימום חורים של אורך הקוהרנטיות. פיזי. הכומר לט. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematics בכוח התרמו-אלקטרי של תחמוצות גבוהות. פיזי. Rev' B 46, 14928–14931, (1992).
סוגאי, ש' ואח'. הסטת מומנטום תלויה בצפיפות הנשא של הפסגה הקוהרנטית ומצב הפונון LO במוליכי-על מסוג p-Tc. פיזי. ר' ב 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. הפחתת חורים והצטברות אלקטרונים בסרטים דקים של YBa2Cu3Oy באמצעות טכניקה אלקטרוכימית: עדות למצב מתכתי מסוג n. פיזי. רפ' ב 84, 020502 (2011).
טונג, RT הפיזיקה והכימיה של גובה מחסום שוטקי. יישום פיזי. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN אפקטים של שבירת זוג חיצוני דינמי בסרטים מוליכים-על. פיזי. הכומר לט. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. שיפור מוליכות-על הנגרמת על ידי פוטו. יישום פיזי. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. פוטו-מוליכות מתמשכת בסרטי YBa2Cu3O6+x כשיטה לפוטודופינג לקראת שלבים מתכתיים ומוליכי-על. פיזי. Rev' B 14, 9017–9028 (1993).
מנקובסקי, ר' ואח'. דינמיקת סריג לא ליניארית כבסיס למוליכות-על משופרת ב-YBa2Cu3O6.5. טבע 516, 71–74 (2014).
פאוסטי, ד' ועוד. מוליכות-על המושרה על ידי אור בקופרטה לפי סדר פסים. מדע 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA התלות התפקודית של הטמפרטורה של VOC עבור תא סולארי ביחס ליעילותו, גישה חדשה. התפלה 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA השפעות טמפרטורה בתאים סולריים סיליקון מחסום Schottky. יישום פיזי. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM תלות בטמפרטורה עבור פרמטרי המכשיר הפוטו-וולטאיים של תאים סולאריים פולימרי-פולרן בתנאי הפעלה. J. Appl. פיזי. 90, 5343–5350 (2002).
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מענק מס' 60571063), פרויקטי המחקר הבסיסיים של מחוז הנאן, סין (מענק מס' 122300410231).
FY כתב את הטקסט של העיתון ו-MYH הכין את הדגימה הקרמית של YBCO. FY ו-MYH ביצעו את הניסוי וניתחו את התוצאות. FGC הוביל את הפרויקט ואת הפרשנות המדעית של הנתונים. כל המחברים סקרו את כתב היד.
עבודה זו מורשית תחת רישיון Creative Commons Attribution 4.0 International License. התמונות או חומר צד שלישי אחר במאמר זה כלולים ברישיון Creative Commons של המאמר, אלא אם צוין אחרת בקו האשראי; אם החומר אינו כלול ברישיון Creative Commons, המשתמשים יצטרכו לקבל אישור מבעל הרישיון לשכפל את החומר. לצפייה בעותק של רישיון זה, בקר בכתובת http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. מקור האפקט הפוטו-וולטאי בקרמיקה YBa2Cu3O6.96 מוליכות-על. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
על ידי שליחת תגובה אתה מסכים לציית לתנאים ולהנחיות הקהילה שלנו. אם אתה מוצא משהו פוגעני או שאינו תואם את התנאים או ההנחיות שלנו, סמן אותו כלא הולם.
זמן פרסום: 22 באפריל 2020