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우리는 YBCO의 초전도성과 YBCO-금속 전극 계면과 직접적인 관련이 있는 청색 레이저 조명에 의해 유도된 50~300K 사이의 YBa2Cu3O6.96(YBCO) 세라믹에서 놀라운 광전 효과를 보고합니다. YBCO가 초전도 상태에서 저항 상태로 전환될 때 개방 회로 전압 Voc와 단락 회로 전류 Isc에 대한 극성 반전이 있습니다. 우리는 광유도 전자-정공 쌍에 대한 분리력을 제공하는 초전도체-일반 금속 경계면에 전위가 존재한다는 것을 보여줍니다. 이 인터페이스 전위는 YBCO가 초전도성이 될 때 YBCO에서 금속 전극으로 향하고 YBCO가 비초전도성이 되면 반대 방향으로 전환됩니다. 전위의 기원은 YBCO가 초전도성이고 그 값이 502mW/cm2의 레이저 강도로 50K에서 ~10-8mV로 추정될 때 금속-초전도체 경계면에서의 근접 효과와 쉽게 연관될 수 있습니다. 정상 상태의 p형 재료 YBCO와 n형 재료 Ag 페이스트의 조합은 고온에서 YBCO 세라믹의 광전지 동작을 담당하는 준 pn 접합을 형성합니다. 우리의 연구 결과는 광전자 장치의 새로운 응용 분야를 개척하고 초전도체-금속 경계면의 근접 효과에 대해 더 많은 정보를 제공할 수 있습니다.
고온 초전도체의 광유도 전압은 1990년대 초반에 보고되었으며 그 이후로 광범위하게 조사되었지만 그 특성과 메커니즘은 여전히 불안정합니다1,2,3,4,5. 특히 YBa2Cu3O7-δ(YBCO) 박막6,7,8은 조정 가능한 에너지 갭9,10,11,12,13으로 인해 광전지(PV) 전지 형태로 집중적으로 연구되고 있습니다. 그러나 기판의 높은 저항은 항상 장치의 낮은 변환 효율로 이어지며 YBCO8의 주요 PV 특성을 가립니다. 여기서 우리는 50~300K(Tc ~ 90K) 사이의 YBa2Cu3O6.96(YBCO) 세라믹에서 청색 레이저(λ = 450nm) 조명에 의해 유도된 놀라운 광전지 효과를 보고합니다. 우리는 PV 효과가 YBCO의 초전도성과 YBCO-금속 전극 계면의 특성과 직접적으로 관련되어 있음을 보여줍니다. YBCO가 초전도 상태에서 저항 상태로 전환될 때 개방 회로 전압 Voc와 단락 전류 Isc에 대한 극성 반전이 있습니다. 초전도체-일반 금속 경계면에 전위가 존재하여 광유도 전자-정공 쌍에 분리력을 제공한다고 제안되었습니다. 이 인터페이스 전위는 YBCO가 초전도일 때 YBCO에서 금속 전극으로 향하고 샘플이 비초전도가 되면 반대 방향으로 전환됩니다. 전위의 기원은 YBCO가 초전도체일 때 금속-초전도체 경계면에서 근접 효과14,15,16,17와 자연스럽게 연관될 수 있으며 그 값은 502mW의 레이저 강도로 50K에서 ~10-8mV로 추정됩니다. /cm2. 정상 상태의 p형 재료 YBCO와 n형 재료 Ag 페이스트의 조합은 아마도 고온에서 YBCO 세라믹의 PV 동작을 담당하는 준 pn 접합을 형성할 가능성이 높습니다. 우리의 관찰은 고온 초전도 YBCO 세라믹에서 PV 효과의 기원에 대해 더 많은 정보를 제공하고 고속 수동 광 검출기와 같은 광전자 장치에 적용할 수 있는 길을 열었습니다.
그림 1a-c는 50K에서 YBCO 세라믹 샘플의 IV 특성을 보여줍니다. 조명이 없으면 초전도 재료에서 예상할 수 있듯이 샘플 양단의 전압은 전류 변화에 따라 0으로 유지됩니다. 레이저 빔이 음극을 향할 때 명백한 광전지 효과가 나타납니다(그림 1a). I축에 평행한 IV 곡선은 레이저 강도가 증가함에 따라 아래쪽으로 이동합니다. 전류가 없어도 음의 광 유도 전압(개방 회로 전압 Voc라고도 함)이 있다는 것이 분명합니다. IV 곡선의 기울기가 0이라는 것은 레이저 조명 하에서 샘플이 여전히 초전도 상태임을 나타냅니다.
(a–c) 및 300K(e–g). V(I)의 값은 진공에서 -10mA에서 +10mA까지 전류를 스윕하여 얻어졌습니다. 명확성을 위해 실험 데이터의 일부만 제시됩니다. a, 음극(i)에 위치한 레이저 스폿으로 측정한 YBCO의 전류-전압 특성. 모든 IV 곡선은 레이저 조사 시 샘플이 여전히 초전도 상태임을 나타내는 수평 직선입니다. 곡선은 레이저 강도가 증가함에 따라 아래로 이동하며, 이는 전류가 0인 경우에도 두 전압 리드 사이에 음전위(Voc)가 있음을 나타냅니다. 레이저가 에테르 50K(b) 또는 300K(f)에서 샘플 중심으로 향할 때 IV 곡선은 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 양극이 조명됨에 따라 수평선이 위로 이동합니다(c). 50K에서의 금속-초전도체 접합의 개략 모델이 d에 표시됩니다. 음극과 양극을 가리키는 레이저 빔으로 측정한 300K에서 정상 상태 YBCO의 전류-전압 특성은 각각 e 와 g 에 나와 있습니다. 50K에서의 결과와 달리 직선의 0이 아닌 기울기는 YBCO가 정상 상태에 있음을 나타냅니다. Voc의 값은 반대 방향의 빛 강도에 따라 달라지며, 이는 다른 전하 분리 메커니즘을 나타냅니다. 300K에서 가능한 인터페이스 구조는 hj에 묘사되어 있습니다. 리드가 있는 샘플의 실제 그림입니다.
초전도 상태의 산소가 풍부한 YBCO는 매우 작은 에너지 갭(Eg)9,10으로 인해 햇빛의 거의 전체 스펙트럼을 흡수하여 전자-정공 쌍(e-h)을 생성할 수 있습니다. 광자의 흡수에 의해 개방 회로 전압 Voc를 생성하려면 재결합이 일어나기 전에 광으로 생성된 eh 쌍을 공간적으로 분리해야 합니다. 그림 1i에 표시된 것처럼 음극과 양극에 비해 음의 Voc는 금속-초전도체 경계면에 전위가 존재하여 전자를 양극으로, 정공을 음극으로 휩쓸고 있음을 나타냅니다. 이 경우 초전도체에서 양극의 금속 전극을 가리키는 전위도 있어야 합니다. 결과적으로, 양극 근처의 샘플 영역이 조명되면 양의 Voc가 얻어집니다. 또한 레이저 스폿이 전극에서 멀리 떨어진 영역을 가리킬 때 광유도 전압이 없어야 합니다. 그림 1b,c에서 볼 수 있듯이 확실히 그렇습니다.
광점이 음극 전극에서 시료 중심(계면에서 약 1.25mm 떨어져 있음)으로 이동하면 레이저 강도를 사용 가능한 최대 값으로 증가시켜도 IV 곡선의 변화와 Voc가 관찰되지 않습니다(그림 1b). . 당연히 이 결과는 광유도 캐리어의 수명이 제한되어 있고 시료의 분리력이 부족하기 때문일 수 있습니다. 전자-정공 쌍은 샘플이 조명될 때마다 생성될 수 있지만 레이저 스폿이 전극에서 멀리 떨어진 영역에 떨어지면 대부분의 e-h 쌍이 소멸되고 광기전 효과가 관찰되지 않습니다. 레이저 스폿을 양극 전극으로 이동시키면 I축과 평행한 IV 곡선이 레이저 강도가 증가함에 따라 위쪽으로 이동합니다(그림 1c). 양극의 금속-초전도체 접합에도 유사한 내장 전기장이 존재합니다. 그러나 이번에는 금속 전극이 테스트 시스템의 양극 리드에 연결됩니다. 레이저에 의해 생성된 구멍은 양극 리드로 밀려나므로 양의 Voc가 관찰됩니다. 여기에 제시된 결과는 초전도체에서 금속 전극을 가리키는 계면 전위가 실제로 존재한다는 강력한 증거를 제공합니다.
300K에서 YBa2Cu3O6.96 세라믹의 광기전 효과가 그림 1e-g에 나와 있습니다. 조명이 없으면 샘플의 IV 곡선은 원점을 가로지르는 직선입니다. 이 직선은 음극 리드에 조사되는 레이저 강도가 증가함에 따라 원래 직선과 평행하게 위쪽으로 이동합니다(그림 1e). 광전지 장치에 관심을 갖는 두 가지 제한적인 사례가 있습니다. 단락 조건은 V = 0일 때 발생합니다. 이 경우의 전류를 단락 전류(Isc)라고 합니다. 두 번째 제한 사례는 R→킵 또는 전류가 0일 때 발생하는 개방 회로 조건(Voc)입니다. 그림 1e는 50K에서 얻은 결과와 달리 Voc가 양수이고 광 강도가 증가함에 따라 증가한다는 것을 명확하게 보여줍니다. 음의 Isc는 빛의 조명에 따라 크기가 증가하는 것으로 관찰되며 이는 일반 태양 전지의 일반적인 동작입니다.
마찬가지로, 레이저 빔이 전극에서 멀리 떨어진 영역을 가리키면 V(I) 곡선은 레이저 강도와 무관하며 광기전 효과가 나타나지 않습니다(그림 1f). 50K에서의 측정과 유사하게 IV 곡선은 양극 전극이 조사됨에 따라 반대 방향으로 이동합니다(그림 1g). 샘플의 서로 다른 위치에 레이저를 조사하여 300K에서 이 YBCO-Ag 페이스트 시스템에 대해 얻은 모든 결과는 50K에서 관찰된 것과 반대되는 계면 전위와 일치합니다.
대부분의 전자는 전이 온도 Tc 이하의 초전도 YBCO에서 쿠퍼 쌍으로 응축됩니다. 금속 전극에 있는 동안 모든 전자는 단일 형태로 유지됩니다. 금속-초전도체 경계면 근처에는 단일 전자와 쿠퍼 쌍 모두에 대한 큰 밀도 구배가 있습니다. 금속 물질의 다수 캐리어 단일 전자는 초전도체 영역으로 확산되는 반면, YBCO 영역의 다수 캐리어 쿠퍼쌍은 금속 영역으로 확산됩니다. 단일 전자보다 더 많은 전하를 운반하고 더 큰 이동성을 갖는 쿠퍼 쌍이 YBCO에서 금속 영역으로 확산됨에 따라 양으로 하전된 원자가 남겨져 공간 전하 영역에 전기장이 발생합니다. 이 전기장의 방향은 그림 1d의 개략도에 나와 있습니다. 공간 전하 영역 근처의 입사 광자 조명은 분리되어 쓸려나가는 쌍을 생성하여 역바이어스 방향으로 광전류를 생성할 수 있습니다. 전자가 내장된 전기장에서 벗어나자마자 쌍으로 응축되어 저항 없이 다른 전극으로 흐릅니다. 이 경우 Voc는 미리 설정된 극성과 반대가 되며 레이저 빔이 음극 주변 영역을 가리킬 때 음의 값을 표시합니다. Voc의 값으로부터 경계면의 전위를 추정할 수 있습니다. 두 전압 리드 사이의 거리 d는 ~5 x 10-3m이고 금속-초전도체 경계면의 두께 di는 동일한 크기 차수여야 합니다. YBCO 초전도체(~1 nm)의 일관성 길이(19,20)로서 Voc = 0.03 mV 값을 취하면 금속-초전도체 경계면의 전위 Vms는 다음과 같이 평가됩니다. 방정식을 사용하여 502mW/cm2의 레이저 강도로 50K에서 ~10−11V,
여기서는 광유도 전압이 광열 효과로 설명될 수 없다는 점을 강조하고 싶습니다. 초전도체 YBCO의 제벡 계수는 Ss = 021이라는 것이 실험적으로 확립되었습니다. 구리 리드선의 제벡 계수는 SCu = 0.34~1.15μV/K3 범위에 있습니다. 레이저 스폿의 구리선 온도는 50K에서 사용 가능한 최대 레이저 강도로 0.06K 정도 올라갈 수 있습니다. 이는 6.9 × 10-8V의 열전 전위를 생성할 수 있습니다. 그림 1 (a)에서 얻은 Voc. 실험 결과를 설명하기에는 열전 효과가 너무 작다는 것이 분명합니다. 실제로 레이저 조사로 인한 온도 변화는 1분 이내에 사라지므로 열 효과로 인한 영향은 무시해도 됩니다.
실온에서 YBCO의 이러한 광기전 효과는 여기에 다른 전하 분리 메커니즘이 포함되어 있음을 보여줍니다. 정상 상태의 초전도 YBCO는 전하 캐리어로 정공을 갖는 p형 물질인 반면, 금속 Ag-paste는 n형 물질의 특성을 가지고 있습니다. pn 접합과 유사하게, 은 페이스트의 전자 확산과 YBCO 세라믹의 정공은 인터페이스에서 YBCO 세라믹을 가리키는 내부 전기장을 형성합니다(그림 1h). 그림 1e에 표시된 것처럼 분리력을 제공하고 실온에서 YBCO-Ag 페이스트 시스템에 대해 양의 Voc 및 음의 Isc를 유도하는 것은 이 내부 장입니다. 또는 Ag-YBCO는 위에 제시된 모델과 동일한 극성을 가진 인터페이스 전위로 이어지는 p형 쇼트키 접합을 형성할 수 있습니다.
YBCO의 초전도 전이 동안 광전지 특성의 상세한 진화 과정을 조사하기 위해 80K에서 샘플의 IV 곡선을 음극 전극에서 조명하는 선택된 레이저 강도로 측정했습니다 (그림 2). 레이저 조사가 없으면 샘플 양단의 전압은 전류에 관계없이 0으로 유지되어 80K에서 샘플의 초전도 상태를 나타냅니다(그림 2a). 50K에서 얻은 데이터와 유사하게 I축에 평행한 IV 곡선은 임계값 Pc에 도달할 때까지 레이저 강도가 증가하면서 아래쪽으로 이동합니다. 이 임계 레이저 강도(Pc) 이상에서 초전도체는 초전도 단계에서 저항 단계로 전환됩니다. 초전도체에 저항이 나타나기 때문에 전류에 따라 전압이 증가하기 시작합니다. 결과적으로 IV 곡선은 I축 및 V축과 교차하기 시작하여 처음에는 음의 Voc와 양의 Isc를 가져옵니다. 이제 샘플은 Voc와 Isc의 극성이 빛의 강도에 극도로 민감한 특별한 상태에 있는 것으로 보입니다. 광 강도의 매우 작은 증가로 Isc는 양수에서 음수로, Voc는 음수에서 양수 값으로 변환되어 원점을 통과합니다(광 조명에 대한 광전 특성, 특히 Isc 값의 높은 감도는 그림 1에서 더 명확하게 볼 수 있습니다). 2b). 사용 가능한 가장 높은 레이저 강도에서 IV 곡선은 서로 평행하게 되어 YBCO 샘플의 정상 상태를 나타냅니다.
레이저 스폿 중심은 음극 전극 주위에 위치합니다(그림 1i 참조). a, 다양한 레이저 강도로 조사된 YBCO의 IV 곡선. b(위), 개방 회로 전압 Voc 및 단락 전류 Isc의 레이저 강도 의존성. 샘플이 초전도 상태일 때 IV 곡선이 I축과 평행하기 때문에 낮은 광도(< 110mW/cm2)에서는 Isc 값을 얻을 수 없습니다. b(하단), 레이저 강도에 따른 차등 저항.
80K에서 Voc와 Isc의 레이저 강도 의존성은 그림 2b(상단)에 나와 있습니다. 광전지 특성은 빛 강도의 세 가지 영역에서 논의될 수 있습니다. 첫 번째 영역은 0과 Pc 사이로 YBCO가 초전도성을 띠고 Voc는 음수이며 광 강도에 따라 감소하고(절대값 증가) Pc에서 최소에 도달합니다. 두 번째 영역은 Pc에서 다른 임계 강도 P0까지이며, 여기서 Voc는 증가하고 Isc는 광 강도가 증가함에 따라 감소하며 둘 다 P0에서 0에 도달합니다. 세 번째 영역은 YBCO가 정상 상태에 도달할 때까지 P0 위에 있습니다. Voc와 Isc는 모두 영역 2와 마찬가지로 광 강도에 따라 다르지만 임계 강도 P0 이상에서는 반대 극성을 갖습니다. P0의 중요성은 광기전력 효과가 없고 이 특정 지점에서 전하 분리 메커니즘이 질적으로 변한다는 점에 있습니다. YBCO 샘플은 이 광 강도 범위에서 비초전도 상태가 되지만 아직 정상 상태에 도달하지 못했습니다.
분명히 시스템의 광전지 특성은 YBCO의 초전도성 및 초전도 전이와 밀접한 관련이 있습니다. YBCO의 미분 저항 dV/dI는 레이저 강도의 함수로 그림 2b(하단)에 표시됩니다. 앞서 언급한 바와 같이, 쿠퍼 쌍 확산으로 인해 인터페이스에 내장된 전위는 초전도체에서 금속으로 확산됩니다. 50K에서 관찰된 것과 유사하게, 레이저 강도가 0에서 Pc로 증가함에 따라 광기전 효과가 향상됩니다. 레이저 강도가 Pc보다 약간 높은 값에 도달하면 IV 곡선이 기울어지기 시작하고 샘플의 저항이 나타나기 시작하지만 계면 전위의 극성은 아직 변하지 않습니다. 초전도성에 대한 광 여기의 효과는 가시광선 또는 근적외선 영역에서 조사되었습니다. 기본 프로세스는 쿠퍼 쌍을 분해하고 초전도성을 파괴하는 것이지만 어떤 경우에는 초전도 전이가 향상될 수 있으며 초전도의 새로운 단계가 유도될 수도 있습니다. Pc에서 초전도성이 없다는 것은 광유도 쌍 파괴에 기인할 수 있습니다. P0 지점에서 경계면의 전위는 0이 되며, 이는 경계면 양쪽의 전하 밀도가 이 특정 조명 강도에서 동일한 수준에 도달함을 나타냅니다. 레이저 강도를 더 높이면 더 많은 쿠퍼 쌍이 파괴되고 YBCO는 점차 p형 물질로 다시 변환됩니다. 전자와 쿠퍼 쌍 확산 대신, 인터페이스의 특징은 이제 전자와 정공 확산에 의해 결정되며, 이는 인터페이스에서 전기장의 극성 반전과 결과적으로 양의 Voc로 이어집니다(그림 1d, h 비교). 매우 높은 레이저 강도에서 YBCO의 차동 저항은 정상 상태에 해당하는 값으로 포화되고 Voc와 Isc는 모두 레이저 강도에 따라 선형적으로 변하는 경향이 있습니다(그림 2b). 이 관찰은 정상 상태 YBCO에 대한 레이저 조사가 더 이상 저항률과 초전도체-금속 경계면의 특성을 변경하지 않고 전자-정공 쌍의 농도를 증가시킬 뿐이라는 것을 보여줍니다.
광전지 특성에 대한 온도의 영향을 조사하기 위해 금속-초전도체 시스템에 강도 502mW/cm2의 청색 레이저를 음극에 조사했습니다. 50~300K 사이의 선택된 온도에서 얻은 IV 곡선이 그림 3a에 나와 있습니다. 개방 회로 전압 Voc, 단락 전류 Isc 및 차동 저항은 이러한 IV 곡선에서 얻을 수 있으며 그림 3b에 표시됩니다. 조명이 없으면 다양한 온도에서 측정된 모든 IV 곡선이 예상대로 원점을 통과합니다(그림 3a 삽입). IV 특성은 시스템이 상대적으로 강한 레이저 빔(502mW/cm2)으로 조명될 때 온도가 증가함에 따라 급격하게 변합니다. 저온에서 IV 곡선은 음의 Voc 값을 갖는 I축에 평행한 직선입니다. 이 곡선은 온도가 증가함에 따라 위쪽으로 이동하고 임계 온도 Tcp에서 0이 아닌 기울기를 갖는 선으로 점차 변합니다(그림 3a(상단)). 모든 IV 특성 곡선은 제3사분면의 한 점을 중심으로 회전하는 것으로 보입니다. Voc는 음수 값에서 양수 값으로 증가하고 Isc는 양수 값에서 음수 값으로 감소합니다. YBCO의 원래 초전도 전이 온도 Tc 이상에서는 IV 곡선이 온도에 따라 다소 다르게 변합니다(그림 3a 하단). 첫째, IV 곡선의 회전 중심이 제1사분면으로 이동합니다. 둘째, 온도가 증가함에 따라 Voc는 계속 감소하고 Isc는 증가합니다(그림 3b 상단). 셋째, IV 곡선의 기울기는 온도에 따라 선형적으로 증가하여 YBCO에 대한 양의 저항 온도 계수를 생성합니다(그림 3b 하단).
502mW/cm2 레이저 조명 하에서 YBCO-Ag 페이스트 시스템의 광전지 특성의 온도 의존성.
레이저 스폿 중심은 음극 전극 주위에 위치합니다(그림 1i 참조). a, 각각 5K와 20K의 온도 증분으로 50~90K(상단) 및 100~300K(하단)에서 얻은 IV 곡선. 삽입된 A는 어둠 속에서 여러 온도에서 IV 특성을 보여줍니다. 모든 곡선은 원점을 교차합니다. b, 온도에 따른 개방 회로 전압 Voc 및 단락 전류 Isc(위)와 YBCO의 차동 저항 dV/dI(아래). 제로 저항 초전도 전이 온도 Tcp는 Tc0에 너무 가깝기 때문에 제공되지 않습니다.
그림 3b에서 세 가지 임계 온도를 확인할 수 있습니다. Tcp, 그 이상에서는 YBCO가 비초전도 상태가 됩니다. Voc와 Isc가 모두 0이 되는 Tc0와 레이저 조사 없이 YBCO의 원래 시작 초전도 전이 온도인 Tc입니다. Tcp ~ 55K 미만에서 레이저 조사된 YBCO는 상대적으로 높은 농도의 쿠퍼 쌍을 갖는 초전도 상태에 있습니다. 레이저 조사의 효과는 광전지 전압 및 전류를 생성하는 것 외에도 쿠퍼 쌍 농도를 줄임으로써 저항이 0인 초전도 전이 온도를 89K에서 ~55K(그림 3b 하단)로 줄이는 것입니다. 온도가 증가하면 Cooper 쌍이 분해되어 인터페이스의 전위가 낮아지게 됩니다. 결과적으로 동일한 강도의 레이저 조명을 적용하더라도 Voc의 절대값은 작아집니다. 인터페이스 전위는 온도가 더욱 증가함에 따라 점점 더 작아지고 Tc0에서 0에 도달합니다. 광유도 전자-정공 쌍을 분리하는 내부 필드가 없기 때문에 이 특별한 지점에서는 광기전 효과가 없습니다. Ag 페이스트의 자유 전하 밀도가 YBCO의 자유 전하 밀도보다 높기 때문에 이 임계 온도 이상에서 전위의 극성 반전이 발생하며 점차 p형 재료로 다시 이동됩니다. 여기서 우리는 전이의 원인에 관계없이 저항이 0인 초전도 전이 직후에 Voc 및 Isc의 극성 반전이 발생한다는 점을 강조하고 싶습니다. 이 관찰은 처음으로 초전도성과 금속-초전도체 계면 전위와 관련된 광기전 효과 사이의 상관 관계를 명확하게 보여줍니다. 초전도체-일반 금속 경계면에 걸친 이러한 잠재력의 특성은 지난 수십 년 동안 연구의 초점이 되어 왔지만 여전히 답변을 기다리고 있는 많은 질문이 있습니다. 광기전 효과의 측정은 이 중요한 전위의 세부 사항(예: 강도 및 극성 등)을 탐색하여 고온 초전도 근접 효과를 밝히는 효과적인 방법임이 입증될 수 있습니다.
Tc0에서 Tc로 온도가 추가로 증가하면 Cooper 쌍의 농도가 낮아지고 인터페이스 전위가 향상되어 결과적으로 Voc가 커집니다. Tc에서 Cooper 쌍 농도는 0이 되고 인터페이스의 내장 전위는 최대값에 도달하여 최대 Voc 및 최소 Isc가 됩니다. 이 온도 범위에서 Voc 및 Isc(절대값)의 급격한 증가는 강도 502mW/cm2의 레이저 조사에 의해 ΔT ~3K에서 ~34K로 넓어지는 초전도 전이에 해당합니다(그림 3b). Tc 이상의 정상 상태에서 개방 회로 전압 Voc는 온도에 따라 감소합니다(그림 3b 상단). 이는 pn 접합을 기반으로 하는 일반 태양 전지에 대한 Voc의 선형 동작과 유사합니다. 레이저 강도에 크게 의존하는 온도에 따른 Voc의 변화율(-dVoc/dT)은 일반 태양전지에 비해 훨씬 작지만, YBCO-Ag 접합의 Voc 온도 계수는 이와 같은 크기를 갖는다. 태양전지의. 일반 태양전지 소자의 pn 접합 누설 전류는 온도가 증가함에 따라 증가하며, 이는 온도가 증가함에 따라 Voc가 감소하게 됩니다. 이 Ag-초전도체 시스템에 대해 관찰된 선형 IV 곡선은 첫째로 매우 작은 인터페이스 전위와 둘째로 두 이종접합의 연속 연결로 인해 누설 전류를 결정하기 어렵게 만듭니다. 그럼에도 불구하고 누설 전류의 동일한 온도 의존성이 우리 실험에서 관찰된 Voc 동작에 원인이 될 가능성이 매우 높습니다. 정의에 따르면 Isc는 총 전압이 0이 되도록 Voc를 보상하기 위해 음의 전압을 생성하는 데 필요한 전류입니다. 온도가 증가하면 Voc가 작아지므로 음의 전압을 생성하는 데 필요한 전류가 줄어듭니다. 또한 YBCO의 저항은 Tc 이상의 온도에 따라 선형적으로 증가하며(그림 3b 하단), 이는 고온에서 Isc의 절대값이 더 작아지는 데에도 기여합니다.
그림 2, 3에 주어진 결과는 음극 전극 주변 영역에 레이저를 조사하여 얻은 것입니다. 양극에 위치한 레이저 스폿을 사용하여 측정도 반복되었으며 이 경우 Voc 및 Isc의 극성이 반전되었다는 점을 제외하면 유사한 IV 특성 및 광전지 특성이 관찰되었습니다. 이러한 모든 데이터는 초전도체-금속 경계면과 밀접하게 관련된 광기전 효과의 메커니즘으로 이어집니다.
요약하면, 레이저 조사된 초전도 YBCO-Ag 페이스트 시스템의 IV 특성은 온도와 레이저 강도의 함수로 측정되었습니다. 놀라운 광기전 효과는 50~300K의 온도 범위에서 관찰되었습니다. 광기전 특성은 YBCO 세라믹의 초전도성과 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났습니다. Voc 및 Isc의 극성 반전은 광유도 초전도에서 비초전도로의 전이 직후에 발생합니다. 고정된 레이저 강도에서 측정된 Voc 및 Isc의 온도 의존성은 샘플이 저항성을 갖게 되는 임계 온도에서 뚜렷한 극성 반전을 보여줍니다. 레이저 스폿을 샘플의 다른 부분에 위치시킴으로써 인터페이스 전반에 전위가 존재하여 광유도 전자-정공 쌍에 분리력을 제공한다는 것을 보여줍니다. 이 인터페이스 전위는 YBCO가 초전도일 때 YBCO에서 금속 전극으로 향하고 샘플이 비초전도가 되면 반대 방향으로 전환됩니다. 전위의 기원은 YBCO가 초전도성이고 레이저 강도가 502mW/cm2인 50K에서 ~10-8mV로 추정될 때 금속-초전도체 경계면의 근접 효과와 자연스럽게 연관될 수 있습니다. 정상 상태에서 p형 재료 YBCO와 n형 재료 Ag 페이스트의 접촉은 고온에서 YBCO 세라믹의 광전지 동작을 담당하는 준 pn 접합을 형성합니다. 위의 관찰은 고온 초전도 YBCO 세라믹의 PV 효과를 밝히고 고속 수동 광 검출기 및 단일 광자 검출기와 같은 광전자 장치의 새로운 응용 분야에 대한 길을 열어줍니다.
광기전 효과 실험은 두께 0.52mm, 직사각형 8.64×2.26mm2의 YBCO 세라믹 샘플에 대해 수행되었으며, 반경 1.25mm의 레이저 스폿 크기를 갖는 연속파 블루 레이저(λ = 450nm)로 조명되었습니다. 박막 샘플 대신 벌크를 사용하면 기판6,7의 복잡한 영향을 처리할 필요 없이 초전도체의 광전지 특성을 연구할 수 있습니다. 또한, 벌크 재료는 간단한 준비 절차와 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 도움이 될 수 있습니다. 구리 리드 와이어는 은 페이스트로 YBCO 샘플 위에 응집되어 직경이 약 1mm인 4개의 원형 전극을 형성합니다. 두 전압 전극 사이의 거리는 약 5mm입니다. 샘플의 IV 특성은 수정창이 있는 진동 샘플 자력계(VersaLab, Quantum Design)를 사용하여 측정되었습니다. IV 곡선을 얻기 위해 표준 4와이어 방법이 사용되었습니다. 전극과 레이저 스폿의 상대적 위치는 그림 1i에 나와 있습니다.
이 기사를 인용하는 방법: Yang, F. et al. 초전도 YBa2Cu3O6.96 세라믹의 광기전력 효과의 기원. 과학. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
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이 작품은 중국 국립자연과학재단(보조금 번호 60571063), 중국 허난성 기초 연구 프로젝트(보조금 번호 122300410231)의 지원을 받았습니다.
FY는 논문의 텍스트를 작성했고 MYH는 YBCO 세라믹 샘플을 준비했습니다. FY와 MYH가 실험을 수행하고 결과를 분석했습니다. FGC는 프로젝트와 데이터의 과학적 해석을 주도했습니다. 모든 저자는 원고를 검토했습니다.
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게시 시간: 2020년 4월 22일