Natural.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет. Сіз CSS үшін шектеулі қолдауы бар шолғыш нұсқасын пайдаланып жатырсыз. Ең жақсы тәжірибені алу үшін ең жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Әзірше, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Біз YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикасындағы 50 және 300 К аралығындағы көгілдір лазерлік жарықтандыру арқылы керемет фотоэлектрлік әсер туралы хабарлаймыз, бұл YBCO асқын өткізгіштігімен және YBCO-металл электрод интерфейсімен тікелей байланысты. YBCO асқын өткізгіштік күйден резистивті күйге ауысқан кезде ашық тізбек кернеуі Voc және қысқа тұйықталу тогы Isc үшін полярлықтың өзгеруі бар. Біз суперөткізгіш-қалыпты металл интерфейсінде электрлік потенциал бар екенін көрсетеміз, ол фотоиндукцияланған электрон-тесік жұптары үшін бөлу күшін қамтамасыз етеді. Бұл интерфейс потенциалы YBCO асқын өткізгіш болған кезде YBCO-дан металл электродқа бағытталады және YBCO асқын өткізгіш емес болғанда қарама-қарсы бағытқа ауысады. Потенциалдың бастауы YBCO асқын өткізгіш болғанда және оның мәні 502 мВт/см2 лазер қарқындылығымен 50 К кезінде ~10–8 мВ деп бағаланатын кезде металл-өткізгіш интерфейсіндегі жақындық әсерімен оңай байланысты болуы мүмкін. P-түріндегі YBCO материалының қалыпты күйде n-типті материалмен Ag-паста үйлесуі YBCO керамикасының жоғары температурадағы фотоэлектрлік әрекетіне жауап беретін квази-пн түйінін құрайды. Біздің нәтижелер фотон-электрондық құрылғылардың жаңа қолданбаларына жол ашуы және суперөткізгіш-металл интерфейсіндегі жақындық әсеріне қосымша жарық түсіруі мүмкін.
Жоғары температуралы асқын өткізгіштердегі фотоиндукцияланған кернеу 1990-шы жылдардың басында хабарланды және содан бері жан-жақты зерттелді, бірақ оның табиғаты мен механизмі әлі анықталмаған1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) жұқа қабықшалары6,7,8, атап айтқанда, реттелетін энергия саңылауына байланысты фотоэлектрлік (PV) элемент түрінде қарқынды түрде зерттеледі9,10,11,12,13. Дегенмен, субстраттың жоғары қарсылығы әрқашан құрылғының төмен түрлендіру тиімділігіне әкеледі және YBCO8 негізгі PV қасиеттерін бүркемелейді. Мұнда біз YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикасының 50 және 300 К (Tc ~ 90 K) арасындағы көк-лазерлік (λ = 450 нм) жарықтандырудан туындаған керемет фотоэлектрлік әсер туралы хабарлаймыз. Біз PV эффектісі YBCO-ның асқын өткізгіштігімен және YBCO-металл электрод интерфейсінің табиғатымен тікелей байланысты екенін көрсетеміз. YBCO асқын өткізгіштік фазадан резистивті күйге ауысқан кезде ашық тізбек кернеуі Voc және қысқа тұйықталу тогы Isc үшін полярлықтың өзгеруі бар. Суперөткізгіш-қалыпты металл интерфейсі арқылы фотоиндукцияланған электрон-тесік жұптары үшін бөлу күшін қамтамасыз ететін электрлік потенциал бар деген ұсыныс бар. Бұл интерфейс потенциалы YBCO асқын өткізгіш болған кезде YBCO-дан металл электродқа бағытталады және үлгі асқын өткізбейтін болған кезде қарама-қарсы бағытқа ауысады. Потенциалдың шығу тегі YBCO асқын өткізгіш болған кезде және оның мәні 502 мВт лазер қарқындылығымен 50 К кезінде ~10−8 мВ деп бағаланатын кезде металл-өткізгіш интерфейсіндегі жақындық эффектісімен табиғи түрде байланысты болуы мүмкін14,15,16,17 /см2. Қалыпты күйде p-түріндегі YBCO материалының n-типті материалмен Ag-паста комбинациясы, ең алдымен, жоғары температурадағы YBCO керамикасының PV әрекетіне жауап беретін квази-pn түйінін құрайды. Біздің бақылауларымыз жоғары температуралы асқын өткізгіш YBCO керамикасындағы PV эффектінің пайда болуына қосымша жарық береді және оны жылдам пассивті жарық детекторы сияқты оптоэлектрондық құрылғыларда қолдануға жол ашады.
1a–c суретте YBCO керамикалық үлгісінің IV сипаттамалары 50 К температурада көрсетілген. Жарық жарықтандырусыз үлгідегі кернеу асқын өткізгіш материалдан күтілетіндей ток өзгерген кезде нөлде қалады. Айқын фотоэлектрлік әсер лазер сәулесі катодқа бағытталған кезде пайда болады (1а-сурет): I осіне параллель IV қисықтар лазер қарқындылығының жоғарылауымен төмен қарай жылжиды. Кез келген токсыз да теріс фотоиндукцияланған кернеу бар екені анық (көбінесе ашық тізбек кернеуі Voc деп аталады). IV қисығының нөлдік еңісі үлгінің лазерлік жарықтандыру кезінде әлі де асқын өткізгіштігін көрсетеді.
(a–c) және 300 K (e–g). V(I) мәндері токты вакуумда -10 мА-дан +10 мА-ға дейін сыпырып алу арқылы алынды. Түсінікті болу үшін эксперименттік мәліметтердің бір бөлігі ғана берілген. a, Катодта орналасқан лазерлік нүктемен өлшенген YBCO ток кернеуінің сипаттамалары (i). Барлық IV қисықтар көлденең түзу сызықтар болып табылады, бұл үлгінің лазерлік сәулеленумен әлі де асқын өткізгіштігін көрсетеді. Лазер қарқындылығы артқан сайын қисық төмен жылжиды, бұл екі кернеу өткізгіштері арасында нөлдік ток болса да теріс потенциал (Voc) бар екенін көрсетеді. Лазер 50 К (b) немесе 300 К (f) эфирде үлгінің ортасына бағытталғанда IV қисықтары өзгеріссіз қалады. Көлденең сызық анод жарықтанған сайын жоғары жылжиды (c). 50 К металл-өткізгіштің түйісуінің схемалық үлгісі d-де көрсетілген. Катод пен анодқа бағытталған лазер сәулесімен өлшенген 300 К-де қалыпты күйдегі YBCO-ның ток кернеуінің сипаттамалары сәйкесінше e және g түрінде берілген. 50 К нәтижелерден айырмашылығы түзу сызықтардың нөлдік емес еңісі YBCO қалыпты күйде екенін көрсетеді; Voc мәндері жарық қарқындылығымен қарама-қарсы бағытта өзгереді, бұл зарядты бөлудің басқа механизмін көрсетеді. 300 К мүмкін болатын интерфейс құрылымы hj-де бейнеленген. Сымдары бар үлгінің нақты суреті.
Асқын өткізгіш күйде оттегіге бай YBCO өте аз энергия саңылауының (Мысалы) 9,10 арқасында күн сәулесінің толық спектрін дерлік сіңіре алады, осылайша электронды тесік жұптарын (e-h) жасайды. Фотондарды сіңіру арқылы ашық тізбектегі Voc кернеуін алу үшін рекомбинация пайда болғанға дейін фото-генерацияланған eh жұптарын кеңістікте бөлу қажет18. 1i-суретте көрсетілген катод пен анодқа қатысты теріс Voc металл-өткізгіш интерфейсі арқылы электрондарды анодқа және саңылауларды катодқа апаратын электрлік потенциалдың бар екенін көрсетеді. Егер бұлай болса, сонымен қатар асқын өткізгіштен анодтағы металл электродқа бағытталған потенциал болуы керек. Демек, егер анодтың жанындағы үлгі аймағы жарықтандырылса, оң Voc алынады. Сонымен қатар, лазерлік нүкте электродтардан алыс жерлерге бағытталған кезде фото-индукцияланған кернеулер болмауы керек. Бұл, әрине, 1b,c-суреттен көрінетіндей!.
Жарық нүктесі катод электродынан үлгінің ортасына (интерфейстерден шамамен 1,25 мм қашықтықта) жылжыған кезде лазер қарқындылығын қол жетімді максималды мәнге дейін арттыру кезінде IV қисықтарының вариациясының және ешқандай Voc байқалмайды (1б-сурет). . Әрине, бұл нәтиже фото-индукцияланған тасымалдаушылардың шектеулі қызмет ету мерзіміне және үлгідегі бөлу күшінің болмауына жатқызылуы мүмкін. Үлгі жарықтандырылған сайын электронды-тесік жұптарын жасауға болады, бірақ лазерлік нүкте электродтардың кез келгенінен алыс жерлерге түссе, e-h жұптарының көпшілігі жойылады және фотоэлектрлік әсер байқалмайды. Лазерлік нүктені анодтық электродтарға жылжытқанда, I осіне параллель IV қисықтар лазер қарқындылығының жоғарылауымен жоғары қарай жылжиды (1в-сурет). Осындай кіріктірілген электр өрісі анодтағы металл-өткізгіштің түйісуінде де бар. Дегенмен, металл электрод бұл жолы сынақ жүйесінің оң сымына қосылады. Лазер шығаратын тесіктер анод өткізгішіне итеріледі және осылайша оң Voc байқалады. Мұнда ұсынылған нәтижелер асқын өткізгіштен металл электродқа бағытталған интерфейстік потенциалдың шынымен бар екеніне сенімді дәлелдер береді.
YBa2Cu3O6.96 керамикадағы фотоэлектрлік әсер 300 К-де 1e–g суретте көрсетілген. Жарықтандырусыз үлгінің IV қисығы бастапқы нүктені кесіп өтетін түзу сызық болып табылады. Бұл түзу катод өткізгіштерінде сәулеленудің жоғарылауы лазер қарқындылығымен бастапқыға параллель жоғары қарай жылжиды (1e-сурет). Фотоэлектрлік құрылғы үшін қызығушылықтың екі шектеулі жағдайы бар. Қысқа тұйықталу жағдайы V = 0 болғанда орын алады. Бұл жағдайда ток қысқа тұйықталу тогы (Isc) деп аталады. Екінші шекті жағдай R→∞ немесе ток нөлге тең болғанда пайда болатын ашық тізбектің шарты (Voc). 1е суретте Voc оң мәнді және 50 К-де алынған нәтижеден айырмашылығы, жарық интенсивтілігі жоғарылаған сайын өсетіні анық көрсетілген; ал теріс Isc шамасының жарық сәулеленуімен шамасы арта түсетіні байқалады, бұл қалыпты күн жасушаларының әдеттегі мінез-құлқы.
Сол сияқты, лазер сәулесі электродтардан алыс жерлерге бағытталғанда, V(I) қисығы лазер қарқындылығынан тәуелсіз және фотоэлектрлік эффект пайда болмайды (1f-сурет). 50 К-де өлшеуге ұқсас, IV қисықтары анодтық электрод сәулелену кезінде қарама-қарсы бағытта қозғалады (1g-сурет). Осы YBCO-Ag паста жүйесі үшін үлгінің әртүрлі позицияларында сәулеленген лазермен 300 К температурада алынған барлық осы нәтижелер 50 К температурада байқалғанға қарама-қарсы интерфейстік потенциалға сәйкес келеді.
Электрондардың көп бөлігі Купер жұптарында асқын өткізгіш YBCO-да оның өту температурасынан төмен Tc конденсацияланады. Металл электродта болған кезде барлық электрондар сингулярлы түрде қалады. Металл-өткізгіш интерфейсіне жақын жерде сингулярлық электрондар үшін де, Купер жұптары үшін де үлкен тығыздық градиенті бар. Металл материалдағы көп тасымалдаушы сингулярлы электрондар асқын өткізгіш аймаққа диффузияланады, ал YBCO аймағындағы көпшілік тасымалдаушы Купер жұптары металл аймағына диффузияланады. Купер жұптары көп зарядты тасымалдайтын және сингулярлық электрондарға қарағанда үлкен қозғалғыштығы бар YBCO-дан металл аймағына таралатындықтан, оң зарядталған атомдар артта қалады, нәтижесінде ғарыштық заряд аймағында электр өрісі пайда болады. Бұл электр өрісінің бағыты схемалық диаграммада 1d-суретте көрсетілген. Ғарыштық заряд аймағының жанындағы кездейсоқ фотонды жарықтандыру кері бағытта фототок шығара отырып, бөлініп, сыпырылатын eh жұптарын жасай алады. Электрондар кіріктірілген электр өрісінен шыққан бойда олар жұп болып конденсацияланып, қарсылықсыз басқа электродқа ағады. Бұл жағдайда Voc алдын ала орнатылған полярлыққа қарама-қарсы болады және лазер сәулесі теріс электродтың айналасындағы аймақты көрсеткенде теріс мәнді көрсетеді. Voc мәнінен интерфейстегі потенциалды бағалауға болады: екі кернеу өткізгіштері арасындағы қашықтық d ~5 × 10−3 м, металл-өткізгіш интерфейсінің қалыңдығы, di, шама ретімен бірдей болуы керек. YBCO асқын өткізгішінің когеренттілік ұзындығы (~1 нм)19,20 ретінде, Voc = 0,03 мВ мәнін алыңыз, металл-өткізгіш интерфейсіндегі потенциал Vms лазер қарқындылығымен 50 К кезінде ~10−11 В деп бағаланады. 502 мВт/см2 теңдеу арқылы,
Бұл жерде фотоиндукцияланған кернеуді фототермиялық эффектпен түсіндіруге болмайтынын атап өткіміз келеді. YBCO асқын өткізгішінің Зеебек коэффициенті Ss = 021 екендігі эксперименталды түрде анықталды. Мыс қорғасын сымдары үшін Зеебек коэффициенті SCu = 0,34–1,15 мкВ/К3 диапазонында. Лазерлік нүктедегі мыс сымның температурасын 50 К-та қол жетімді максималды лазер қарқындылығымен 0,06 К-қа аз мөлшерде көтеруге болады. Бұл 6,9 × 10−8 В термоэлектрлік потенциалды тудыруы мүмкін, бұл термоэлектрлік потенциалдан үш рет кішірек. 1(а)-суретте алынған Voc. Термоэлектрлік эффект эксперимент нәтижелерін түсіндіру үшін тым аз екені анық. Шындығында, лазерлік сәулеленуге байланысты температураның ауытқуы бір минуттан аз уақыт ішінде жоғалып кетеді, осылайша термиялық әсердің үлесін қауіпсіз елемеуге болады.
Бөлме температурасындағы YBCO-ның бұл фотоэлектрлік әсері мұнда зарядты бөлудің басқа механизмі қатысатынын көрсетеді. Қалыпты күйдегі асқын өткізгіш YBCO заряд тасымалдаушы ретінде саңылаулары бар p-типті материал болып табылады22,23, ал металдық Ag-паста n-типті материалдың сипаттамаларына ие. pn түйіспелеріне ұқсас, күміс пастадағы электрондардың диффузиясы және YBCO керамикасындағы саңылаулар интерфейстегі YBCO керамикасын көрсететін ішкі электр өрісін құрайды (Cурет 1h). Дәл осы ішкі өріс бөлу күшін қамтамасыз етеді және 1е суретінде көрсетілгендей бөлме температурасында YBCO-Ag паста жүйесі үшін оң Voc және теріс Isc әкеледі. Сонымен қатар, Ag-YBCO жоғарыда ұсынылған модельдегідей полярлығы бар интерфейстік потенциалға әкелетін p-типті Шоттки түйінін құра алады24.
YBCO асқын өткізгіштік ауысуы кезінде фотоэлектрлік қасиеттердің егжей-тегжейлі эволюциясын зерттеу үшін 80 К үлгідегі IV қисықтар катодты электродта жарықтандырылған таңдалған лазер қарқындылығымен өлшенді (2-сурет). Лазерлік сәулелендірусіз үлгідегі кернеу токқа қарамастан нөлде сақталады, бұл үлгінің 80 К-де асқын өткізгіштік күйін көрсетеді (2а-сурет). 50 К-де алынған деректерге ұқсас, I осіне параллель IV қисықтары Pc сыни мәніне жеткенше лазер қарқындылығының жоғарылауымен төмен қарай жылжиды. Осы критикалық лазерлік қарқындылықтан (Pc) жоғары, асқын өткізгіш асқын өткізгіш фазадан резистивті фазаға ауысады; кернеу асқын өткізгіште кедергінің пайда болуына байланысты токпен арта бастайды. Нәтижесінде IV қисығы I және V осімен қиылыса бастайды, алдымен теріс Voc пен оң Isc-ке әкеледі. Енді үлгі Voc және Isc полярлығы жарық қарқындылығына өте сезімтал болатын ерекше күйде сияқты; жарық интенсивтілігінің өте аз ұлғаюымен Isc оң мәннен теріске және Voc теріс мәннен оң мәнге түрленеді, координаттың бастапқы нүктесінен өтеді (фотоэлектрлік қасиеттердің жоғары сезімталдығын, әсіресе ISC мәнін, жарық сәулеленуіне суретте анық көруге болады). 2b). Қол жетімді ең жоғары лазерлік қарқындылықта IV қисықтары YBCO үлгісінің қалыпты күйін білдіретін бір-бірімен параллель болуды көздейді.
Лазерлік нүктенің орталығы катодты электродтардың айналасында орналасқан (1i-суретті қараңыз). a, IV әртүрлі лазерлік қарқындылықпен сәулеленген YBCO қисықтары. b (жоғарғы), Ашық тізбек кернеуінің лазер қарқындылығына тәуелділігі Voc және қысқа тұйықталу тогы Isc. ISC мәндерін төмен жарық қарқындылығында (< 110 мВт/см2) алу мүмкін емес, себебі үлгі асқын өткізгіш күйде болғанда IV қисықтары I осіне параллель болады. b (төменгі), дифференциалдық кедергі лазер қарқындылығының функциясы ретінде.
80 К-де Voc және Isc лазер қарқындылығына тәуелділігі 2b-суретте көрсетілген (жоғарғы). Фотоэлектрлік қасиеттерді жарық қарқындылығының үш аймағында талқылауға болады. Бірінші аймақ 0 және Pc арасында, онда YBCO аса өткізгіш, Voc теріс және жарық қарқындылығымен азаяды (абсолюттік мән артады) және ДК-де минимумға жетеді. Екінші аймақ Pc-тен басқа критикалық интенсивтілікке P0 дейін, онда Voc артады, ал Isc жарық қарқындылығы артқан сайын азаяды және екеуі де P0 кезінде нөлге жетеді. Үшінші аймақ қалыпты YBCO күйіне жеткенше P0-ден жоғары. Voc және Isc екеуі де 2-аймақтағы сияқты жарық қарқындылығымен өзгерсе де, олардың P0 критикалық қарқындылығынан жоғары қарама-қарсы полярлығы бар. Р0 мәні фотоэлектрлік әсердің жоқтығында және зарядты бөлу механизмінің осы нақты нүктеде сапалы түрде өзгеруінде. YBCO үлгісі жарық қарқындылығының осы диапазонында асқын өткізбейтін болады, бірақ қалыпты күйге әлі жету керек.
Жүйенің фотоэлектрлік сипаттамалары YBCO асқын өткізгіштігімен және оның асқын өткізгіштік ауысуымен тығыз байланысты екені анық. YBCO дифференциалды кедергісі, dV/dI, лазер қарқындылығының функциясы ретінде 2b (төменгі) суретте көрсетілген. Жоғарыда айтылғандай, Купер жұбының әсерінен интерфейстегі жинақталған электрлік потенциал асқын өткізгіштен металға дейін диффузия нүктелерін көрсетеді. 50 К-де байқалғанға ұқсас, фотоэлектрлік әсер лазер қарқындылығын 0-ден PC-ге дейін арттыру арқылы күшейтіледі. Лазердің қарқындылығы Pc-тен сәл жоғары мәнге жеткенде, IV қисығы еңкейе бастайды және үлгінің кедергісі пайда бола бастайды, бірақ интерфейс потенциалының полярлығы әлі өзгерген жоқ. Оптикалық қозудың асқын өткізгіштікке әсері көрінетін немесе жақын ИК аймағында зерттелген. Негізгі процесс Купер жұптарын ыдырату және асқын өткізгіштікті жою25,26 болғанымен, кейбір жағдайларда асқын өткізгіштіктің ауысуын күшейтуге болады27,28,29, тіпті асқын өткізгіштіктің жаңа фазалары индукциялануы мүмкін30. ДК-де асқын өткізгіштіктің болмауы фото-индукцияланған жұптың үзілуімен байланысты болуы мүмкін. Р0 нүктесінде интерфейстегі потенциал нөлге айналады, бұл жарықтандырудың осы нақты қарқындылығы кезінде интерфейстің екі жағындағы заряд тығыздығы бірдей деңгейге жететінін көрсетеді. Лазер қарқындылығының одан әрі жоғарылауы Купер жұптарының көбеюіне әкеледі және YBCO біртіндеп p-типті материалға қайта айналады. Электрондық және Купер жұбының диффузиясының орнына интерфейстің ерекшелігі енді электрондар мен тесіктердің диффузиясы арқылы анықталады, бұл интерфейстегі электр өрісінің полярлығын өзгертуге және соның салдарынан оң Voc (сурет 1d, h салыстырыңыз). Лазердің өте жоғары қарқындылығында YBCO дифференциалды кедергісі қалыпты күйге сәйкес мәнге қанықтырады және Voc және Isc екеуі де лазер қарқындылығына байланысты сызықты түрде өзгереді (2б-сурет). Бұл бақылау YBCO қалыпты күйіндегі лазерлік сәулелену бұдан былай оның кедергісін және асқын өткізгіш-металл интерфейсінің ерекшелігін өзгертпейді, тек электрон-тесік жұптарының концентрациясын арттырады.
Температураның фотоэлектрлік қасиеттерге әсерін зерттеу үшін металл-өткізгіштік жүйе катодта 502 мВт/см2 қарқындылықтағы көк лазермен сәулелендірілді. 50 және 300 К аралығындағы таңдалған температурада алынған IV қисықтары 3а-суретте келтірілген. Ашық тұйықталу кернеуі Voc, қысқа тұйықталу тогы Isc және дифференциалдық кедергіні осы IV қисықтарынан алуға болады және 3b-суретте көрсетілген. Жарықтандырусыз, әртүрлі температурада өлшенген барлық IV қисықтары күтілгендей бастапқы нүктеден өтеді (3a-суреттің кірісі). Жүйе салыстырмалы күшті лазер сәулесімен (502 мВт/см2) жарықтандырылған кезде IV сипаттамалар температураның жоғарылауымен күрт өзгереді. Төмен температурада IV қисықтары Voc теріс мәндері бар I осіне параллель түзу сызықтар болып табылады. Бұл қисық температураның жоғарылауымен жоғары қарай жылжиды және Tcp сыни температурасында бірте-бірте нөлдік емес еңісі бар сызыққа айналады (3а-сурет (жоғарғы)). Барлық IV сипаттамалық қисықтар үшінші квадранттағы нүктенің айналасында айналатын сияқты. Voc теріс мәннен оңға дейін артады, ал Isc оң мәннен теріс мәнге дейін төмендейді. YBCO бастапқы асқын өткізгіштік өту температурасының Tc үстінде IV қисығы температураға байланысты біршама басқаша өзгереді (3а-суреттің төменгі жағы). Біріншіден, IV қисықтардың айналу орталығы бірінші квадрантқа жылжиды. Екіншіден, температура көтерілген сайын Voc төмендей береді және Isc өседі (3b-суреттің жоғарғы жағы). Үшіншіден, IV қисықтардың еңісі температураға қарай сызықты түрде артады, нәтижесінде YBCO үшін оң температуралық кедергі коэффициенті пайда болады (3b-суреттің төменгі жағы).
502 мВт/см2 лазерлік жарықтандыру кезінде YBCO-Ag паста жүйесі үшін фотоэлектрлік сипаттамалардың температураға тәуелділігі.
Лазерлік нүктенің орталығы катодты электродтардың айналасында орналасқан (1i-суретті қараңыз). a, IV қисықтары сәйкесінше 5 К және 20 К температуралық өсумен 50-ден 90 К (жоғарғы) және 100-ден 300 К (төменгі) дейін алынған. А кірістіру қараңғыда бірнеше температурада IV сипаттамаларды көрсетеді. Барлық қисықтар бастапқы нүктені кесіп өтеді. b, ашық тізбек кернеуі Voc және қысқа тұйықталу тогы Isc (жоғарғы) және дифференциалдық кедергісі, dV/dI, YBCO (төменгі) температураның функциясы ретінде. Нөлдік кедергісі асқын өткізгіш өту температурасы Tcp берілмейді, себебі ол Tc0-ге тым жақын.
3b-суреттен үш критикалық температураны тануға болады: Tcp, одан жоғары YBCO асқын өткізгіш емес болады; Tc0, бұл кезде Voc және Isc екеуі де нөлге айналады және Tc, лазерлік сәулеленусіз YBCO-ның бастапқы асқын өткізгіш өту температурасы. Tcp ~ 55 К төмен, лазермен сәулеленген YBCO Купер жұптарының салыстырмалы түрде жоғары концентрациясы бар асқын өткізгіш күйде. Лазерлік сәулеленудің әсері фотовольтаикалық кернеу мен токты өндіруге қосымша Купер жұбының концентрациясын азайту арқылы нөлдік кедергінің асқын өткізгіш өту температурасын 89 К-ден ~55 К-ге дейін (3b-суреттің төменгі жағы) төмендету болып табылады. Температураның жоғарылауы Купер жұптарын да бұзады, бұл интерфейстегі потенциалдың төмендеуіне әкеледі. Демек, лазерлік жарықтандырудың бірдей қарқындылығы қолданылса да, Voc абсолютті мәні кішірейеді. Интерфейс потенциалы температураның одан әрі жоғарылауымен кішірейеді және Tc0 кезінде нөлге жетеді. Бұл ерекше нүктеде фотоэлектрлік әсер жоқ, себебі фотоиндукцияланған электрон-тесік жұптарын бөлу үшін ішкі өріс жоқ. Потенциалдың полярлық ауытқуы осы сыни температурадан жоғары болады, өйткені Ag пастасындағы бос зарядтың тығыздығы YBCO-дан жоғары, ол біртіндеп p-типті материалға қайта ауысады. Бұл жерде Voc және Isc полярлығының өзгеруі ауысу себебіне қарамастан, нөлдік кедергінің асқын өткізгіштік ауысуынан кейін бірден пайда болатынын атап өткіміз келеді. Бұл бақылау бірінші рет асқын өткізгіштік пен металл-өткізгіш интерфейс потенциалымен байланысты фотоэлектрлік әсерлер арасындағы корреляцияны анық көрсетеді. Асқын өткізгіш-қалыпты металл интерфейсіндегі бұл потенциалдың табиғаты соңғы бірнеше онжылдықта зерттеудің басты бағыты болды, бірақ әлі де жауап күткен көптеген сұрақтар бар. Фотоэлектрлік әсерді өлшеу осы маңызды потенциалдың егжей-тегжейлерін (мысалы, оның күші мен полярлығы және т.
Температураның Tc0-ден Tc-ке одан әрі жоғарылауы Купер жұптарының концентрациясының азаюына және интерфейс потенциалының жоғарылауына және сәйкесінше үлкен Voc-қа әкеледі. Tc кезінде Купер жұбының концентрациясы нөлге айналады және интерфейстегі жинақталған потенциал максимумға жетеді, нәтижесінде максималды Voc және минималды Isc болады. Бұл температура диапазонындағы Voc және Isc (абсолюттік мән) жылдам өсуі 502 мВт/см2 қарқындылықтағы лазерлік сәулелену арқылы ΔT ~ 3 К-ден ~34 К-ге дейін кеңейтілетін асқын өткізгіштік өтуге сәйкес келеді (3б-сурет). Tc-ден жоғары қалыпты күйлерде ашық тізбектегі кернеу Voc температураға байланысты төмендейді (3b-суреттің жоғарғы жағы), pn түйіспелеріне негізделген қалыпты күн ұяшықтары үшін Voc сызықтық мінез-құлқына ұқсас31,32,33. Лазердің қарқындылығына қатты тәуелді болатын температурамен Voc өзгеру жылдамдығы (−dVoc/dT) қалыпты күн элементтерінің жылдамдығынан әлдеқайда аз болғанымен, YBCO-Ag түйісу үшін Voc температуралық коэффициенті сол шама ретіне ие. күн жасушаларының. Қалыпты күн батареясының құрылғысы үшін pn өткелінің ағып кету тогы температураның жоғарылауымен артады, температура көтерілген сайын Voc төмендеуіне әкеледі. Бұл Ag-суперөткізгіш жүйесі үшін байқалатын сызықтық IV қисықтары, біріншіден, өте аз интерфейстік потенциалға және екіншіден, екі гетеройысудың кері байланысына байланысты, ағып кету тогын анықтауды қиындатады. Дегенмен, ағып кету тогының температураға бірдей тәуелділігі біздің экспериментте байқалған Voc әрекетіне жауапты болуы мүмкін. Анықтамаға сәйкес, Isc - жалпы кернеу нөлге тең болатындай Voc компенсациялау үшін теріс кернеуді өндіруге қажетті ток. Температура жоғарылаған сайын, Voc кішірейеді, сондықтан теріс кернеуді шығару үшін аз ток қажет. Сонымен қатар, YBCO кедергісі Тc жоғары температурада сызықты түрде артады (3b-суреттің төменгі жағы), бұл да жоғары температурада Isc абсолюттік мәнінің кішірек болуына ықпал етеді.
2,3-суреттерде келтірілген нәтижелер катодты электродтардың айналасындағы аймақта лазерлік сәулелену арқылы алынғанына назар аударыңыз. Өлшемдер анодта орналасқан лазерлік нүктемен де қайталанды және ұқсас IV сипаттамалар мен фотоэлектрлік қасиеттер байқалды, тек Voc және Isc полярлығы бұл жағдайда кері өзгерді. Барлық осы деректер суперөткізгіш-металл интерфейсімен тығыз байланысты фотоэлектрлік әсер механизміне әкеледі.
Қорытындылай келе, лазерлік сәулеленген асқын өткізгіш YBCO-Ag паста жүйесінің IV сипаттамалары температура мен лазер қарқындылығының функциялары ретінде өлшенді. Керемет фотоэлектрлік әсер 50-ден 300 К-ге дейінгі температура диапазонында байқалды. Фотовольтаикалық қасиеттер YBCO керамикасының асқын өткізгіштігімен тығыз байланысты екені анықталды. Voc және Isc полярлығының өзгеруі фотоиндукцияланған асқын өткізгіштіктің асқын өткізбейтінге ауысуынан кейін бірден орын алады. Тұрақты лазерлік қарқындылықта өлшенген Voc және Isc температураға тәуелділігі сыни температурада полярлықтың анық өзгеруін көрсетеді, одан жоғары үлгі резистивті болады. Лазерлік нүктені үлгінің әртүрлі бөлігіне орналастыру арқылы біз фотоиндукцияланған электрон-тесік жұптары үшін бөлу күшін қамтамасыз ететін интерфейсте электрлік потенциал бар екенін көрсетеміз. Бұл интерфейс потенциалы YBCO асқын өткізгіш болған кезде YBCO-дан металл электродқа бағытталады және үлгі асқын өткізбейтін болған кезде қарама-қарсы бағытқа ауысады. Потенциалдың бастауы табиғи түрде YBCO асқын өткізгіш болған кезде металл-өткізгіш интерфейсіндегі жақындық әсерімен байланысты болуы мүмкін және лазер қарқындылығы 502 мВт/см2 болғанда 50 К кезінде ~10−8 мВ деп бағаланады. P-типті материалдың YBCO қалыпты күйінде n-типті материалмен жанасуы Ag-паста жоғары температурадағы YBCO керамикасының фотоэлектрлік әрекетіне жауап беретін квази-пн түйінін құрайды. Жоғарыда келтірілген бақылаулар жоғары температуралы асқын өткізгіш YBCO керамикасындағы PV әсерін жарықтандырады және жылдам пассивті жарық детекторы және жалғыз фотонды детектор сияқты оптоэлектрондық құрылғыларда жаңа қолданбаларға жол ашады.
Фотоэлектрлік әсер эксперименттері қалыңдығы 0,52 мм және 8,64 × 2,26 мм2 тікбұрышты пішінді YBCO керамикалық үлгісінде орындалды және радиуста 1,25 мм лазерлік нүкте өлшемі бар үздіксіз толқынды көк лазермен (λ = 450 нм) жарықтандырылды. Жұқа пленка үлгісінің орнына көлемді үлгіні пайдалану бізге субстраттың күрделі әсеріне ұшырамай-ақ, суперөткізгіштің фотоэлектрлік қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік береді6,7. Сонымен қатар, сусымалы материал оның қарапайым дайындау процедурасы мен салыстырмалы түрде төмен құны үшін қолайлы болуы мүмкін. Мыс қорғасын сымдары YBCO үлгісінде диаметрі шамамен 1 мм төрт дөңгелек электродты құрайтын күміс пастамен біріктірілген. Екі кернеу электродтары арасындағы қашықтық шамамен 5 мм. Үлгінің IV сипаттамалары кварц кристалды терезесі бар діріл үлгісінің магнитометрі (VersaLab, Quantum Design) көмегімен өлшенді. IV қисықтарды алу үшін стандартты төрт сымды әдіс қолданылды. Электродтардың өзара орналасуы мен лазерлік нүкте 1i-суретте көрсетілген.
Бұл мақаланы қалай келтіруге болады: Yang, F. et al. Асқын өткізгіш YBa2Cu3O6.96 керамикадағы фотоэлектрлік әсердің пайда болуы. Ғылым. Өкіл 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR YBa2Cu3O7 симметриясына тыйым салынған лазермен индукцияланған кернеулер. Физ. Аян B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O-дағы аномальды фотоэлектрлік сигналдың шығу тегі. Физ. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Асқын өткізгіш Bi-Sr-Ca-Cu-O лазерлік индукциялық кернеулерді өлшеу. Физ. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL және т.б. YBa2Cu3O7-x бөлме температурасындағы пленкалардағы өтпелі лазерлік кернеулер. J. Appl. Физ. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7 ішіндегі аномалды фотоэлектрлік жауап. Физ. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Мураока, Ю., Мурамацу, Т., Ямаура, Дж. және Хирой, З. Оксидті гетероструктурада YBa2Cu3O7−x-ке фотогенерацияланған тесік тасымалдаушы инъекциясы. Қолданба. Физ. Летт. 85, 2950–2952 (2004).
Асакура, Д. және т.б. Жарық жарықтандыру кезінде YBa2Cu3Oy жұқа қабықшаларының фотоэмиссиялық зерттеуі. Физ. Рев. Летт. 93, 247006 (2004 ж.).
Ян, Ф. және т.б. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb әр түрлі оттегінің парциалды қысымында жасытылған гетероидталыстың фотоэлектрлік әсері. Матер. Летт. 130, 51–53 (2014).
Аминов, Б.А. және т.б. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x монокристалдарындағы екі саңылау құрылымы. Дж. Суперконд. 7, 361–365 (1994).
Кабанов, В.В., Демсар, Дж., Подобник, Б. және Михайлович, Д. Квазибөлшектердің релаксациясының динамикасы әртүрлі саңылау құрылымдары бар асқын өткізгіштер: YBa2Cu3O7-δ бойынша теория және эксперименттер. Физ. Аян B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb гетеробайланыстың түзеткіш қасиеттері. Қолданба. Физ. Летт. 87, 222501 (2005 ж.).
Камарас, К., Портер, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ ішіндегі экситоникалық абсорбция және асқын өткізгіштік. Физ. Рев. Летт. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3 жартылай өткізгіш монокристалдарындағы өтпелі фотоиндукцияланған өткізгіштік: фотоиндукцияланған металдық күйді және фотоиндукцияланған асқын өткізгіштікті іздеу. Қатты күйдегі коммуникация. 72, 345–349 (1989).
Макмиллан, WL суперөткізгіш жақындық эффектінің туннельдік моделі. Физ. Аян 175, 537–542 (1968).
Герон, С. және т.б. Мезоскопиялық ұзындық шкаласында зерттелген асқын өткізгіш жақындық әсері. Физ. Рев. Летт. 77, 3025–3028 (1996).
Аннунзиата, Г. және Манске, Д. Центросимметриялық емес асқын өткізгіштермен жақындық әсері. Физ. Аян B 86, 17514 (2012).
Qu, FM және т.б. Pb-Bi2Te3 гибридті құрылымдарда күшті асқын өткізгіш жақындық әсері. Ғылым. 2, 339 (2012 ж.).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Күн радиациясын электр қуатына түрлендіруге арналған жаңа кремний pn қосылысы фотоэлемент. J. App. Физ. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn- немесе Ni-қоспаланған YBa2Cu3O6.9 монокристалдарындағы асқын өткізгіш когеренттілік ұзындығына қоспаның әсері. Физ. Аян B 60, 114–117 (1999).
Андо, Ю. және Сегава, К. Қоспаланған YBa2Cu3Oy монокристалдарының магнитке төзімділігі легирлеудің кең диапазонында: когеренттілік ұзындығының аномальді саңылауларға тәуелділігі. Физ. Рев. Летт. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Жоғары T, оксидтердің термоэлектрлік қуатындағы систематика. Физ. Аян B 46, 14928–14931, (1992).
Сугай, С. және т.б. p-типті жоғары Tc асқын өткізгіштердегі когеренттік шыңның және LO фонон режимінің тасымалдаушы тығыздығына тәуелді импульстің ығысуы. Физ. Rev. B 68, 184504 (2003).
Нодзима, Т. және т.б. Электрохимиялық әдісті қолдану арқылы YBa2Cu3Oy жұқа қабықшаларында саңылауларды азайту және электрондардың жинақталуы: n-типті металл күйінің дәлелі. Физ. Rev. B 84, 020502 (2011).
Тунг, RT Шоттки тосқауылының биіктігінің физикасы мен химиясы. Қолданба. Физ. Летт. 1, 011304 (2014 ж.).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN суперөткізгіш пленкалардағы динамикалық сыртқы жұптың үзілуінің әсерлері. Физ. Рев. Летт. 33, 215–219 (1974).
Ниева, Г. және т.б. Асқын өткізгіштіктің фотоиндукцияланған күшеюі. Қолданба. Физ. Летт. 60, 2159–2161 (1992).
Кудинов, В.И. және т.б. YBa2Cu3O6+x қабықшаларындағы тұрақты фотоөткізгіштік металл және асқын өткізгіш фазаларға фотодопинг әдісі ретінде. Физ. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Манковский, Р. және т.б. Сызықты емес тор динамикасы YBa2Cu3O6.5 жоғары өткізгіштік үшін негіз ретінде. Табиғат 516, 71–74 (2014).
Фаусти, Д. және т.б. Жолақты реттелген купраттағы жарықпен индукцияланған асқын өткізгіштік. Ғылым 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Күн батареясы үшін VOC температуралық функционалдық тәуелділігі оның тиімділігіне қатысты жаңа көзқарас. Тұщыландыру 209, 91–96 (2007).
Вернон, SM және Андерсон, WA Шоттки-кедергі кремний күн ұяшықтарындағы температура әсерлері. Қолданба. Физ. Летт. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Жұмыс жағдайларындағы полимер-фуллерен күн батареяларының фотоэлектрлік құрылғы параметрлері үшін температураға тәуелділік. J. Appl. Физ. 90, 5343–5350 (2002).
Бұл жұмыс Қытайдың Ұлттық жаратылыстану ғылымдары қорының (грант № 60571063), Хэнань провинциясының, Қытайдың іргелі ғылыми жобаларының (грант № 122300410231) қолдауымен жүзеге асырылды.
FY қағаз мәтінін жазды және MYH YBCO керамикалық үлгісін дайындады. FY және MYH эксперимент жасап, нәтижелерді талдады. FGC жобаны және деректерді ғылыми түсіндіруді басқарды. Барлық авторлар қолжазбаны қарап шықты.
Бұл жұмыс Creative Commons Attribution 4.0 халықаралық лицензиясы бойынша лицензияланған. Осы мақаладағы кескіндер немесе басқа үшінші тарап материалдары, егер несие желісінде басқаша көрсетілмесе, мақаланың Creative Commons лицензиясына кіреді; егер материал Creative Commons лицензиясына қосылмаса, пайдаланушылар материалды көшіру үшін лицензия иесінен рұқсат алуы керек. Осы лицензияның көшірмесін көру үшін http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ сайтына кіріңіз.
Yang, F., Han, M. & Chang, F. YBa2Cu3O6.96 асқын өткізгіш керамикадағы фотоэлектрлік әсердің пайда болуы. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Пікір жіберу арқылы сіз Шарттарымыз бен Қауымдастық нұсқауларымызды орындауға келісесіз. Егер сіз қорлайтын немесе біздің шарттарымызға немесе нұсқауларымызға сәйкес келмейтін нәрсені тапсаңыз, оны орынсыз деп белгілеңіз.
Жіберу уақыты: 22 сәуір-2020 ж