Dėkojame, kad apsilankėte nature.com. Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu. Kad gautumėte geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti naujesnę naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodome be stilių ir „JavaScript“.
Pranešame apie puikų fotovoltinį efektą YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikoje nuo 50 iki 300 K, kurį sukelia mėlynojo lazerio apšvietimas, kuris yra tiesiogiai susijęs su YBCO superlaidumu ir YBCO metalo elektrodo sąsaja. Atviros grandinės įtampos Voc ir trumpojo jungimo srovės Isc poliškumas pasikeičia, kai YBCO pereina iš superlaidžios į varžinę būseną. Mes parodome, kad superlaidininko ir įprasto metalo sąsajoje yra elektrinis potencialas, kuris suteikia atskyrimo jėgą foto indukuotoms elektronų skylių poroms. Šis sąsajos potencialas nukreipiamas iš YBCO į metalinį elektrodą, kai YBCO yra superlaidus, ir persijungia į priešingą kryptį, kai YBCO tampa nelaidžiu. Potencialo kilmė gali būti lengvai susieta su artumo efektu metalo ir superlaidininko sąsajoje, kai YBCO yra superlaidus, o jo vertė yra ~ 10–8 mV esant 50 K temperatūrai, kai lazerio intensyvumas yra 502 mW/cm2. P-tipo medžiagos YBCO derinys normalioje būsenoje su n-tipo medžiaga Ag-pasta sudaro kvazi-pn jungtį, kuri yra atsakinga už YBCO keramikos fotovoltinę elgseną aukštoje temperatūroje. Mūsų išvados gali atverti kelią naujiems fotonų-elektroninių prietaisų pritaikymams ir dar labiau atskleisti artumo efektą superlaidininko ir metalo sąsajoje.
Dešimtojo dešimtmečio pradžioje buvo pranešta apie foto sukeltą įtampą aukštos temperatūros superlaidininkuose ir nuo to laiko ji buvo plačiai ištirta, tačiau jos pobūdis ir mechanizmas lieka neaiškūs1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) plonos plėvelės6,7,8, ypač intensyviai tiriamos fotovoltinės (PV) elemento pavidalu dėl reguliuojamo energijos tarpo9,10,11,12,13. Tačiau didelis pagrindo atsparumas visada lemia mažą įrenginio konversijos efektyvumą ir užmaskuoja pagrindines YBCO8 PV savybes. Čia pranešame apie puikų fotovoltinį efektą, kurį sukelia mėlynojo lazerio (λ = 450 nm) apšvietimas YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikoje nuo 50 iki 300 K (Tc ~ 90 K). Mes parodome, kad PV efektas yra tiesiogiai susijęs su YBCO superlaidumu ir YBCO metalinio elektrodo sąsajos pobūdžiu. Atviros grandinės įtampos Voc ir trumpojo jungimo srovės Isc poliškumas pasikeičia, kai YBCO pereina iš superlaidžios fazės į varžinę būseną. Siūloma, kad superlaidininko ir įprasto metalo sąsajoje yra elektrinis potencialas, kuris suteikia atskyrimo jėgą foto indukuotoms elektronų skylių poroms. Šis sąsajos potencialas nukreipiamas iš YBCO į metalinį elektrodą, kai YBCO yra superlaidus, ir persijungia į priešingą kryptį, kai mėginys tampa nelaidus. Potencialo kilmė gali būti natūraliai susijusi su artumo efektu14, 15, 16, 17 metalo ir superlaidininko sąsajoje, kai YBCO yra superlaidus, o jo vertė yra ~ 10–8 mV esant 50 K, kai lazerio intensyvumas yra 502 mW. /cm2. P-tipo medžiagos YBCO derinys normalioje būsenoje su n-tipo medžiaga Ag-pasta greičiausiai sudaro beveik pn sandūrą, kuri yra atsakinga už YBCO keramikos PV elgesį aukštoje temperatūroje. Mūsų stebėjimai dar labiau atskleidžia PV efekto kilmę aukštoje temperatūroje superlaidžioje YBCO keramikoje ir atveria kelią jo pritaikymui optoelektroniniuose įrenginiuose, tokiuose kaip greitas pasyvios šviesos detektorius ir kt.
1a–c paveiksluose parodyta, kad YBCO keramikos pavyzdžio IV charakteristikos esant 50 K. Be šviesos apšvietimo, kintant srovei, bandinio įtampa išlieka lygi nuliui, kaip galima tikėtis iš superlaidžios medžiagos. Akivaizdus fotovoltinis efektas atsiranda, kai lazerio spindulys nukreipiamas į katodą (1a pav.): IV kreivės, lygiagrečios I ašiai, juda žemyn, didėjant lazerio intensyvumui. Akivaizdu, kad yra neigiama fotoindukuota įtampa net ir be jokios srovės (dažnai vadinama atviros grandinės įtampa Voc). IV kreivės nulinis nuolydis rodo, kad mėginys vis dar yra superlaidus lazerio apšvietime.
(a–c) ir 300 K (e–g). V(I) vertės buvo gautos vakuume nušluojant srovę nuo –10 mA iki +10 mA. Aiškumo sumetimais pateikiama tik dalis eksperimentinių duomenų. a, YBCO srovės įtampos charakteristikos, išmatuotos lazerio tašku, esančiu katode (i). Visos IV kreivės yra horizontalios tiesios linijos, rodančios, kad mėginys vis dar yra superlaidus naudojant lazerio spinduliuotę. Kreivė juda žemyn didėjant lazerio intensyvumui, o tai rodo, kad tarp dviejų įtampos laidų yra neigiamas potencialas (Voc), net jei srovė yra nulinė. IV kreivės išlieka nepakitusios, kai lazeris nukreipiamas į mėginio centrą esant 50 K (b) arba 300 K (f) eteriui. Horizontali linija juda aukštyn, kai apšviečiamas anodas (c). Scheminis metalo ir superlaidininko sandūros modelis esant 50 K parodytas d. Normalios būsenos YBCO srovės įtampos charakteristikos esant 300 K, išmatuotos lazerio spinduliu, nukreiptu į katodą ir anodą, pateiktos atitinkamai e ir g. Skirtingai nuo rezultatų esant 50 K, tiesių linijų nuolydis, lygus nuliui, rodo, kad YBCO yra normalios būsenos; Voc reikšmės kinta priklausomai nuo šviesos intensyvumo priešinga kryptimi, o tai rodo skirtingą krūvio atskyrimo mechanizmą. Galima sąsajos struktūra esant 300 K pavaizduota hj Tikrasis pavyzdžio vaizdas su laidais.
YBCO, kuriame gausu deguonies, superlaidžioje būsenoje gali sugerti beveik visą saulės šviesos spektrą dėl labai mažo energijos tarpo (pvz., 9, 10), taip sukurdamas elektronų skylių poras (e – h). Norint sukurti atviros grandinės įtampą Voc sugeriant fotonus, prieš įvykstant rekombinacijai būtina erdviškai atskirti foto generuojamas eh poras18. Neigiamas Voc, palyginti su katodu ir anodu, kaip parodyta 1i pav., rodo, kad metalo ir superlaidininko sąsajoje yra elektrinis potencialas, kuris nuneša elektronus prie anodo ir skylutes į katodą. Tokiu atveju taip pat turėtų būti potencialas, nukreiptas iš superlaidininko į metalinį elektrodą anode. Taigi, jei mėginio sritis šalia anodo būtų apšviesta, būtų gautas teigiamas Voc. Be to, kai lazerio taškas yra nukreiptas į sritis, esančias toli nuo elektrodų, neturėtų būti jokios foto sukeltos įtampos. Tikrai taip yra, kaip matyti iš 1b, c pav.!.
Kai šviesos taškas juda nuo katodo elektrodo į mėginio centrą (apie 1,25 mm atstumu nuo sąsajų), negalima pastebėti IV kreivių pokyčių ir jokio Voc, didėjant lazerio intensyvumui iki didžiausios turimos vertės (1b pav.). . Natūralu, kad šis rezultatas gali būti siejamas su ribotu foto sukeltų nešėjų tarnavimo laiku ir atskyrimo jėgos trūkumu mėginyje. Elektronų skylių poras galima sukurti kiekvieną kartą, kai mėginys yra apšviestas, tačiau dauguma e-h porų bus sunaikintos ir nepastebėta jokio fotovoltinio efekto, jei lazerio taškas nukrenta toli nuo bet kurio elektrodo. Perkeliant lazerio tašką į anodo elektrodus, IV kreivės, lygiagrečios I ašiai, juda aukštyn didėjant lazerio intensyvumui (1c pav.). Panašus įmontuotas elektrinis laukas egzistuoja ir metalo-superlaidininko sandūroje prie anodo. Tačiau šį kartą metalinis elektrodas jungiasi prie teigiamo bandymo sistemos laido. Lazeriu padarytos skylės stumiamos į anodo laidą ir taip stebimas teigiamas Voc. Čia pateikti rezultatai suteikia tvirtų įrodymų, kad iš tikrųjų egzistuoja sąsajos potencialas, nukreiptas iš superlaidininko į metalinį elektrodą.
Fotovoltinis efektas YBa2Cu3O6.96 keramikoje esant 300 K parodytas 1e–g pav. Be šviesos apšvietimo IV mėginio kreivė yra tiesi linija, kertanti pradinį tašką. Ši tiesi linija juda aukštyn lygiagrečiai pradinei, didėjant lazerio intensyvumui, švitinant katodo laidus (1e pav.). Yra du ribojantys fotovoltinio įrenginio atvejai. Trumpojo jungimo sąlyga atsiranda, kai V = 0. Srovė šiuo atveju vadinama trumpojo jungimo srove (Isc). Antrasis ribinis atvejis yra atviros grandinės sąlyga (Voc), kuri atsiranda, kai R →∞ arba srovė lygi nuliui. 1e paveiksle aiškiai matyti, kad Voc yra teigiamas ir didėja didėjant šviesos intensyvumui, priešingai nei rezultatas, gautas esant 50 K; tuo tarpu pastebima, kad neigiamas Isc didėja esant šviesos apšvietimui, tai yra tipiškas įprastų saulės elementų elgesys.
Panašiai, kai lazerio spindulys nukreipiamas į toli nuo elektrodų esančias sritis, V(I) kreivė nepriklauso nuo lazerio intensyvumo ir neatsiranda fotovoltinio efekto (1f pav.). Panašiai kaip ir matuojant 50 K temperatūroje, IV kreivės pasislenka priešinga kryptimi, kai apšvitinamas anodo elektrodas (1g pav.). Visi šie rezultatai, gauti naudojant šią YBCO-Ag pastos sistemą 300 K temperatūroje, kai skirtingose mėginio padėtyse apšvitinta lazeriu, atitinka sąsajos potencialą, priešingą nei stebimas 50 K temperatūroje.
Dauguma elektronų kondensuojasi Cooper porose superlaidžiame YBCO žemesnėje nei pereinamojoje temperatūroje Tc. Būdami metaliniame elektrode, visi elektronai lieka vienaskaitos pavidalu. Netoli metalo ir superlaidininko sąsajos yra didelis tankio gradientas tiek vienaskaitiniams elektronams, tiek Cooperio poroms. Daugumos nešiklio vienetiniai elektronai metalinėje medžiagoje išsisklaidys į superlaidininko sritį, o daugumos nešiklio Cooperio poros YBCO regione išsisklaidys į metalo sritį. Kadangi Kuperio poros, turinčios daugiau krūvių ir turinčios didesnį mobilumą nei pavieniai elektronai, iš YBCO difunduoja į metalinę sritį, teigiamai įkrauti atomai paliekami, todėl erdvės krūvio srityje susidaro elektrinis laukas. Šio elektrinio lauko kryptis parodyta schemoje 1d pav. Atsitiktinis fotonų apšvietimas šalia erdvės krūvio srities gali sukurti poras, kurios bus atskirtos ir pašalintos, sukuriant fotosrovę atvirkštinio poslinkio kryptimi. Kai tik elektronai išeina iš įmontuoto elektrinio lauko, jie kondensuojasi į poras ir be pasipriešinimo teka į kitą elektrodą. Šiuo atveju Voc yra priešingas iš anksto nustatytam poliškumui ir rodo neigiamą reikšmę, kai lazerio spindulys nukreipiamas į sritį aplink neigiamą elektrodą. Iš Voc vertės galima įvertinti potencialą per sąsają: atstumas tarp dviejų įtampos laidų d yra ~5 × 10-3 m, metalo ir superlaidininko sąsajos storis di turi būti tokio paties dydžio. kaip YBCO superlaidininko koherencijos ilgį (~1 nm)19,20, paimkite Voc reikšmę = 0,03 mV, potencialą Vms ties metalo ir superlaidininko sąsaja įvertinta kaip ~10–11 V esant 50 K, kai lazerio intensyvumas yra 502 mW/cm2, naudojant lygtį,
Čia norime pabrėžti, kad foto sukeltos įtampos negalima paaiškinti foto terminiu efektu. Eksperimentiškai nustatyta, kad superlaidininko YBCO Seebecko koeficientas yra Ss = 021. Varinių švino laidų Seebecko koeficientas yra SCu = 0,34–1,15 μV/K3 intervale. Varinės vielos temperatūrą lazerio taške galima šiek tiek padidinti 0,06 K, o didžiausias lazerio intensyvumas pasiekiamas esant 50 K. Tai gali sudaryti 6,9 × 10–8 V termoelektrinį potencialą, kuris yra trimis laipsniais mažesnis nei Voc, gautas 1 pav. (a). Akivaizdu, kad termoelektrinis efektas yra per mažas, kad paaiškintų eksperimento rezultatus. Tiesą sakant, temperatūros svyravimai dėl lazerio švitinimo išnyktų greičiau nei per minutę, todėl šiluminio poveikio indėlį būtų galima saugiai ignoruoti.
Šis fotovoltinis YBCO efektas kambario temperatūroje atskleidžia, kad čia dalyvauja kitoks krūvio atskyrimo mechanizmas. Superlaidi YBCO normalioje būsenoje yra p tipo medžiaga su skylutėmis kaip krūvininkas 22, 23, o metalinė Ag pasta turi n tipo medžiagos savybes. Panašiai kaip ir pn sandūrose, elektronų difuzija sidabro pastoje ir skylutės YBCO keramikoje suformuos vidinį elektrinį lauką, nukreiptą į YBCO keramiką sąsajoje (1h pav.). Būtent šis vidinis laukas suteikia atskyrimo jėgą ir lemia teigiamą Voc ir neigiamą YBCO-Ag pastos sistemos Isc kambario temperatūroje, kaip parodyta 1e pav. Arba Ag-YBCO gali sudaryti p tipo Schottky sankryžą, kuri taip pat veda į sąsajos potencialą, kurio poliškumas yra toks pat, kaip ir aukščiau pateiktame modelyje24.
Norint ištirti detalų fotovoltinių savybių evoliucijos procesą YBCO superlaidžio perėjimo metu, buvo išmatuotos mėginio IV kreivės esant 80 K temperatūrai, pasirinkus lazerio intensyvumą, šviečiant katodo elektrodu (2 pav.). Neapšvitinus lazeriu, bandinio įtampa, nepaisant srovės, išlieka lygi nuliui, o tai rodo mėginio superlaidumo būseną esant 80 K (2a pav.). Panašiai kaip ir duomenys, gauti esant 50 K, IV kreivės, lygiagrečios I ašiai, juda žemyn didėjant lazerio intensyvumui, kol pasiekiama kritinė vertė Pc. Virš šio kritinio lazerio intensyvumo (Pc), superlaidininkas pereina iš superlaidžios fazės į varžinę fazę; įtampa pradeda didėti didėjant srovei dėl superlaidininko pasipriešinimo atsiradimo. Dėl to IV kreivė pradeda kirstis su I ašimi ir V ašimi, todėl iš pradžių susidaro neigiamas Voc ir teigiamas Isc. Dabar atrodo, kad mėginys yra ypatingos būsenos, kai Voc ir Isc poliškumas yra itin jautrus šviesos intensyvumui; su labai nedideliu šviesos intensyvumo padidėjimu Isc paverčiamas iš teigiamos į neigiamą, o Voc iš neigiamos į teigiamą vertę, perduodamas kilmę (didelis fotovoltinių savybių, ypač Isc, jautrumas šviesos apšvietimui gali būti aiškiau matomas Fig. 2b). Esant didžiausiam turimam lazerio intensyvumui, IV kreivės turi būti lygiagrečios viena kitai, o tai reiškia normalią YBCO mėginio būseną.
Lazerio taško centras yra aplink katodo elektrodus (žr. 1i pav.). a, IV YBCO kreivės, apšvitintos skirtingu lazerio intensyvumu. b (viršuje), atviros grandinės įtampos Voc ir trumpojo jungimo srovės priklausomybė nuo lazerio intensyvumo Isc. Isc verčių negalima gauti esant mažam šviesos intensyvumui (< 110 mW/cm2), nes IV kreivės yra lygiagrečios I ašiai, kai mėginys yra superlaidžioje būsenoje. b (apačioje), diferencinė varža kaip lazerio intensyvumo funkcija.
Voc ir Isc lazerio intensyvumo priklausomybė esant 80 K parodyta 2b pav. (viršuje). Fotovoltinės savybės gali būti aptariamos trijose šviesos intensyvumo srityse. Pirmoji sritis yra tarp 0 ir Pc, kurioje YBCO yra superlaidus, Voc yra neigiamas ir mažėja (absoliuti vertė didėja) esant šviesos intensyvumui ir pasiekiant minimumą esant Pc. Antrasis regionas yra nuo Pc iki kito kritinio intensyvumo P0, kuriame Voc didėja, o Isc mažėja didėjant šviesos intensyvumui ir abu pasiekia nulį esant P0. Trečioji sritis yra virš P0, kol pasiekiama normali YBCO būsena. Nors tiek Voc, tiek Isc skiriasi šviesos intensyvumas taip pat, kaip ir 2 regione, jų poliškumas yra priešingas virš kritinio intensyvumo P0. P0 reikšmė slypi tuo, kad nėra fotovoltinio efekto, o krūvio atskyrimo mechanizmas kokybiškai keičiasi šiuo konkrečiu tašku. YBCO mėginys tampa nelaidus šiame šviesos intensyvumo diapazone, tačiau normali būsena dar nepasiekta.
Akivaizdu, kad sistemos fotovoltinės charakteristikos yra glaudžiai susijusios su YBCO superlaidumu ir jo superlaidžiu perėjimu. YBCO diferencinė varža dV/dI parodyta 2b pav. (apačioje) kaip lazerio intensyvumo funkcija. Kaip minėta anksčiau, sąsajoje įmontuotas elektrinis potencialas dėl Cooperio poros difuzijos taškų nuo superlaidininko iki metalo. Panašiai kaip ir 50 K temperatūroje, fotovoltinis efektas sustiprėja didėjant lazerio intensyvumui nuo 0 iki PC. Kai lazerio intensyvumas pasiekia kiek didesnę nei Pc reikšmę, IV kreivė pradeda pakreipti ir ima ryškėti mėginio varža, tačiau sąsajos potencialo poliškumas dar nepasikeičia. Ištirtas optinio sužadinimo poveikis superlaidumui matomoje arba artimoje IR srityje. Nors pagrindinis procesas yra suskaidyti Cooper poras ir sunaikinti superlaidumą25, 26, kai kuriais atvejais superlaidumo perėjimas gali būti sustiprintas 27, 28, 29, netgi gali būti sukeltos naujos superlaidumo fazės30. Superlaidumo nebuvimas Pc gali būti siejamas su foto sukeltu poros lūžiu. Taške P0 potencialas visoje sąsajoje tampa lygus nuliui, o tai rodo, kad įkrovos tankis abiejose sąsajos pusėse pasiekia tą patį lygį esant šiam konkrečiam šviesos apšvietimo intensyvumui. Toliau didėjant lazerio intensyvumui, sunaikinama daugiau Cooper porų, o YBCO palaipsniui paverčiamas atgal į p tipo medžiagą. Vietoj elektronų ir Kuperio porų difuzijos sąsajos ypatybę dabar lemia elektronų ir skylių difuzija, dėl kurios sąsajoje pasikeičia elektrinio lauko poliškumas ir dėl to susidaro teigiamas Voc (palyginti 1d, h pav.). Esant labai dideliam lazerio intensyvumui, YBCO diferencinė varža prisisotina iki vertės, atitinkančios normalią būseną, ir tiek Voc, tiek Isc linkę linijiškai svyruoti priklausomai nuo lazerio intensyvumo (2b pav.). Šis stebėjimas atskleidžia, kad lazerio švitinimas normalioje būsenoje YBCO nebepakeis jo varžos ir superlaidininko-metalo sąsajos ypatybių, o tik padidins elektronų ir skylių porų koncentraciją.
Temperatūros įtakai fotovoltinėms savybėms ištirti metalo-superlaidininko sistema prie katodo buvo apšvitinta mėlynu 502 mW/cm2 intensyvumo lazeriu. IV kreivės, gautos esant pasirinktoms temperatūroms nuo 50 iki 300 K, pateiktos 3a pav. Tada iš šių IV kreivių galima gauti atviros grandinės įtampą Voc, trumpojo jungimo srovę Isc ir diferencinę varžą, kuri parodyta 3b pav. Be šviesos apšvietimo visos IV kreivės, išmatuotos esant skirtingoms temperatūroms, praeina pradinį tašką, kaip tikėtasi (3a pav.). IV charakteristikos drastiškai keičiasi didėjant temperatūrai, kai sistema apšviečiama palyginti stipriu lazerio spinduliu (502 mW/cm2). Esant žemai temperatūrai IV kreivės yra tiesios linijos, lygiagrečios I ašiai su neigiamomis Voc reikšmėmis. Ši kreivė juda aukštyn kylant temperatūrai ir pamažu virsta linija, kurios nuolydis nėra nulinis esant kritinei temperatūrai Tcp (3a pav. (viršuje)). Atrodo, kad visos IV charakteristikų kreivės sukasi aplink tašką trečiajame kvadrante. Voc didėja nuo neigiamos vertės iki teigiamos, o Isc sumažėja nuo teigiamos iki neigiamos. Virš pradinės YBCO superlaidumo pereinamosios temperatūros Tc IV kreivė keičiasi priklausomai nuo temperatūros (3a pav. apačioje). Pirma, IV kreivių sukimosi centras pereina į pirmąjį kvadrantą. Antra, Voc nuolat mažėja, o Isc didėja didėjant temperatūrai (3b pav. viršuje). Trečia, IV kreivių nuolydis didėja tiesiškai didėjant temperatūrai, todėl YBCO atsparumo temperatūros koeficientas yra teigiamas (3b pav. apačioje).
YBCO-Ag pastos sistemos fotovoltinių charakteristikų priklausomybė nuo temperatūros, esant 502 mW/cm2 lazerio apšvietimui.
Lazerio taško centras yra aplink katodo elektrodus (žr. 1i pav.). a, IV kreivės, gautos nuo 50 iki 90 K (viršuje) ir nuo 100 iki 300 K (apačioje) su temperatūros padidėjimu atitinkamai 5 K ir 20 K. Įdėklas a rodo IV charakteristikas esant kelioms temperatūroms tamsoje. Visos kreivės kerta pradinį tašką. b, atviros grandinės įtampa Voc ir trumpojo jungimo srovė Isc (viršuje) ir YBCO diferencinė varža dV/dI (apačioje) kaip temperatūros funkcija. Nulinės varžos superlaidumo pereinamoji temperatūra Tcp nenurodyta, nes ji per arti Tc0.
Iš 3b pav. galima atpažinti tris kritines temperatūras: Tcp, virš kurios YBCO tampa nebesuperlaidžiu; Tc0, kai tiek Voc, tiek Isc tampa nuliu, o Tc yra pradinė YBCO superlaidumo pereinamoji temperatūra be lazerio švitinimo. Žemiau Tcp ~ 55 K, lazeriu apšvitintas YBCO yra superlaidžios būsenos su santykinai didele Cooper porų koncentracija. Švitinimo lazeriu poveikis yra sumažinti nulinės varžos superlaidumo pereinamąją temperatūrą nuo 89 K iki ~55 K (3b pav. apačioje), sumažinant Kuperio poros koncentraciją, ne tik sukuriant fotovoltinę įtampą ir srovę. Didėjanti temperatūrai taip pat suardomos Cooper poros, todėl sąsajoje sumažėja potencialas. Vadinasi, absoliuti Voc reikšmė sumažės, nors taikomas toks pat lazerio apšvietimo intensyvumas. Sąsajos potencialas bus vis mažesnis ir mažesnis toliau didėjant temperatūrai ir pasieks nulį esant Tc0. Šiame ypatingame taške nėra fotovoltinio efekto, nes nėra vidinio lauko, kuris atskirtų foto indukuotas elektronų skylių poras. Potencialo poliškumas pasikeičia virš šios kritinės temperatūros, nes laisvojo krūvio tankis Ag pastoje yra didesnis nei YBCO, kuris palaipsniui perkeliamas atgal į p tipo medžiagą. Čia norime pabrėžti, kad Voc ir Isc poliškumo pasikeitimas įvyksta iškart po nulinio pasipriešinimo superlaidžio perėjimo, nepriklausomai nuo perėjimo priežasties. Šis stebėjimas pirmą kartą aiškiai atskleidžia ryšį tarp superlaidumo ir fotovoltinių efektų, susijusių su metalo ir superlaidininko sąsajos potencialu. Šio potencialo pobūdis superlaidininko ir įprasto metalo sąsajoje buvo tyrimų objektas pastaruosius kelis dešimtmečius, tačiau vis dar reikia atsakyti į daugybę klausimų. Fotovoltinio efekto matavimas gali pasirodyti esąs veiksmingas būdas ištirti šio svarbaus potencialo detales (pvz., stiprumą ir poliškumą ir t. t.) ir taip atskleisti aukštos temperatūros superlaidaus artumo efektą.
Tolesnis temperatūros padidėjimas nuo Tc0 iki Tc sumažina Cooper porų koncentraciją ir padidina sąsajos potencialą, taigi ir didesnį Voc. Esant Tc, Cooperio poros koncentracija tampa lygi nuliui, o įmontavimo potencialas sąsajoje pasiekia maksimumą, todėl didžiausias Voc ir minimalus Isc. Spartus Voc ir Isc (absoliučios vertės) padidėjimas šiame temperatūrų diapazone atitinka superlaidumo perėjimą, kuris išplečiamas nuo ΔT ~ 3 K iki ~34 K 502 mW/cm2 intensyvumo lazeriu (3b pav.). Esant normalioms būsenoms, viršijančioms Tc, atviros grandinės įtampa Voc mažėja didėjant temperatūrai (3b pav. viršuje), panašiai kaip Voc linijinis elgesys normaliose saulės baterijose, remiantis pn sandūromis31,32,33. Nors Voc pokyčio greitis su temperatūra (−dVoc/dT), kuris labai priklauso nuo lazerio intensyvumo, yra daug mažesnis nei įprastų saulės elementų, Voc temperatūros koeficientas YBCO-Ag sandūroje yra tokio paties dydžio kaip ir saulės elementų. Įprasto saulės elementų įrenginio pn sandūros nuotėkio srovė didėja didėjant temperatūrai, todėl didėjant temperatūrai sumažėja Voc. Dėl šios Ag-superlaidininkių sistemos stebimos linijinės IV kreivės, visų pirma, dėl labai mažo sąsajos potencialo ir, antra, dviejų heterosandūrų tarpusavio ryšio, sunku nustatyti nuotėkio srovę. Nepaisant to, labai tikėtina, kad ta pati nuotėkio srovės priklausomybė nuo temperatūros yra atsakinga už mūsų eksperimente pastebėtą VOC elgesį. Pagal apibrėžimą Isc yra srovė, reikalinga neigiamai įtampai sukurti, kad kompensuotų Voc, kad bendra įtampa būtų lygi nuliui. Kylant temperatūrai, Voc tampa mažesnis, todėl neigiamai įtampai sukurti reikia mažiau srovės. Be to, YBCO atsparumas didėja tiesiškai, kai temperatūra viršija Tc (3b pav. apačioje), o tai taip pat prisideda prie mažesnės absoliučios Isc vertės aukštoje temperatūroje.
Atkreipkite dėmesį, kad 2, 3 pav. pateikti rezultatai gaunami apšvitinant lazeriu aplink katodo elektrodus. Matavimai taip pat buvo pakartoti naudojant lazerio tašką, esantį ant anodo, ir buvo pastebėtos panašios IV charakteristikos ir fotovoltinės savybės, išskyrus tai, kad šiuo atveju Voc ir Isc poliškumas buvo pakeistas. Visi šie duomenys lemia fotovoltinio efekto mechanizmą, kuris yra glaudžiai susijęs su superlaidininko ir metalo sąsaja.
Apibendrinant, lazeriu apšvitintos superlaidžios YBCO-Ag pastos sistemos IV charakteristikos buvo išmatuotos kaip temperatūros ir lazerio intensyvumo funkcijos. Nuo 50 iki 300 K temperatūrų intervale pastebėtas nepaprastas fotovoltinis efektas. Nustatyta, kad fotovoltinės savybės stipriai koreliuoja su YBCO keramikos superlaidumu. Voc ir Isc poliškumas pasikeičia iškart po foto sukelto superlaidumo perėjimo į ne superlaidų. Voc ir Isc temperatūros priklausomybė, išmatuota esant fiksuotam lazerio intensyvumui, taip pat rodo ryškų poliškumo pasikeitimą esant kritinei temperatūrai, kurią viršijus mėginys tampa atsparus. Nustatydami lazerio tašką skirtingoje mėginio dalyje, parodome, kad sąsajoje yra elektrinis potencialas, kuris suteikia atskyrimo jėgą foto indukuotoms elektronų skylių poroms. Šis sąsajos potencialas nukreipiamas iš YBCO į metalinį elektrodą, kai YBCO yra superlaidus, ir persijungia į priešingą kryptį, kai mėginys tampa nelaidus. Potencialo kilmė gali būti natūraliai susijusi su artumo efektu metalo ir superlaidininko sąsajoje, kai YBCO yra superlaidus ir yra maždaug 10–8 mV esant 50 K temperatūrai, kai lazerio intensyvumas yra 502 mW/cm2. Įprastos būsenos p tipo medžiagos YBCO kontaktas su n tipo medžiaga Ag pasta sudaro beveik pn sandūrą, kuri yra atsakinga už YBCO keramikos fotovoltinę elgseną aukštoje temperatūroje. Pirmiau pateikti stebėjimai atskleidžia PV efektą aukštoje temperatūroje superlaidžioje YBCO keramikoje ir atveria kelią naujiems optoelektroninių prietaisų, tokių kaip greitas pasyvios šviesos detektorius ir vieno fotono detektorius, pritaikymui.
Fotovoltinio efekto eksperimentai buvo atlikti su 0,52 mm storio ir 8,64 × 2,26 mm2 stačiakampio formos YBCO keramikos pavyzdžiu, apšviestu nuolatinės bangos mėlynu lazeriu (λ = 450 nm), kurio lazerio taško dydis buvo 1,25 mm spinduliu. Naudojant masinį, o ne plonos plėvelės pavyzdį, galime ištirti superlaidininko fotovoltines savybes, nesusidurdami su sudėtinga substrato įtaka 6, 7. Be to, biri medžiaga gali būti naudinga dėl paprastos paruošimo procedūros ir palyginti mažos kainos. Variniai švino laidai yra sujungti ant YBCO mėginio su sidabro pasta, sudarydami keturis apskritus elektrodus, kurių skersmuo yra apie 1 mm. Atstumas tarp dviejų įtampos elektrodų yra apie 5 mm. Mėginio IV charakteristikos buvo išmatuotos naudojant vibracijos mėginio magnetometrą (VersaLab, Quantum Design) su kvarco kristalo langeliu. IV kreivėms gauti buvo naudojamas standartinis keturių laidų metodas. Santykinė elektrodų ir lazerio taško padėtis parodyta 1i pav.
Kaip pacituoti šį straipsnį: Yang, F. ir kt. Fotovoltinio efekto kilmė superlaidžioje YBa2Cu3O6.96 keramikoje. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Simetrija draudžiamos lazerio sukeltos įtampos YBa2Cu3O7. Fizik. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Anomalinio fotovoltinio signalo kilmė Y-Ba-Cu-O. Fizik. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR ir Wang, GW Superlaidžio Bi-Sr-Ca-Cu-O lazerio sukeltų įtampų matavimas. Fizik. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL ir kt. Laikinosios lazerio sukeltos įtampos YBa2Cu3O7-x kambario temperatūros plėvelėse. J. Appl. Fizik. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomali fotovoltinė reakcija YBa2Cu3O7. Fizik. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogeneruotas skylių nešiklio įpurškimas į YBa2Cu3O7−x oksido heterostruktūroje. Appl. Fizik. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. ir kt. YBa2Cu3Oy plonų plėvelių fotoemisijos tyrimas šviesoje. Fizik. Kunigas Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. ir kt. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterosandūros fotovoltinis efektas, atkaitintas skirtingu deguonies daliniu slėgiu. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA ir kt. Dviejų tarpų struktūra Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristaluose. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kvazidalelių atsipalaidavimo dinamika superlaidininkuose su skirtingomis tarpo struktūromis: YBa2Cu3O7-δ teorija ir eksperimentai. Fizik. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ ir Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterosankcijos ištaisymo savybės. Appl. Fizik. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Eksitono absorbcija ir superlaidumas YBa2Cu3O7-δ. Fizik. Kunigas Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ ir Stucky, G. Trumpalaikis fotoindukuotas laidumas puslaidininkiuose pavieniuose YBa2Cu3O6.3 kristaluose: fotoindukuotos metalinės būsenos ir fotoindukuoto superlaidumo paieška. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Superlaidžio artumo efekto tuneliavimo modelis. Fizik. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. ir kt. Superlaidumo artumo efektas patikrintas mezoskopine ilgio skale. Fizik. Kunigas Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Artumo efektas su necentrosimetriniais superlaidininkais. Fizik. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM ir kt. Stiprus superlaidžio artumo efektas Pb-Bi2Te3 hibridinėse struktūrose. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Naujas silicio pn jungties fotoelementas, skirtas saulės spinduliuotei paversti elektros energija. J. App. Fizik. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Priemaišų poveikis superlaidžio koherentiškumo ilgiui Zn arba Ni legiruotuose YBa2Cu3O6.9 monokristaluose. Fizik. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Untwinned YBa2Cu3Oy pavienių kristalų magnetinis atsparumas įvairiems dopingams: anomali priklausomybė nuo skylės legiravimo nuo koherencijos ilgio. Fizik. Kunigas Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Aukšto T oksidų termoelektrinės galios sistematika. Fizik. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. ir kt. Nuo nešiklio tankio priklausomas koherentinės smailės ir LO fonono režimo impulsų poslinkis p tipo aukšto Tc superlaidininkuose. Fizik. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. ir kt. Skylių mažinimas ir elektronų kaupimasis plonose YBa2Cu3Oy plėvelėse naudojant elektrocheminę techniką: n tipo metalinės būsenos įrodymai. Fizik. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Šotkio barjero aukščio fizika ir chemija. Appl. Fizik. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Dynamic External Pair Breaking poveikis superlaidžiose plėvelėse. Fizik. Kunigas Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. ir kt. Fotoindukuotas superlaidumo padidėjimas. Appl. Fizik. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinovas, VI ir kt. Nuolatinis fotolaidumas YBa2Cu3O6+x plėvelėse kaip fotodopingo metodas metalinėms ir superlaidžioms fazėms. Fizik. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. ir kt. Netiesinė gardelės dinamika kaip sustiprinto YBa2Cu3O6.5 superlaidumo pagrindas. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. ir kt. Šviesos sukeltas superlaidumas juostelėmis sutvarkytame kuprate. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Saulės elemento LOJ priklausomybė nuo temperatūros, atsižvelgiant į jo efektyvumą, naujas požiūris. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatūros poveikis Šotkio barjero silicio saulės elementuose. Appl. Fizik. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Polimero fullereno saulės elementų fotovoltinio įrenginio parametrų priklausomybė nuo temperatūros veikimo sąlygomis. J. Appl. Fizik. 90, 5343–5350 (2002).
Šį darbą rėmė Kinijos nacionalinis gamtos mokslų fondas (grantos Nr. 60571063), Henano provincijos (Kinija) fundamentiniai tyrimų projektai (grantos Nr. 122300410231).
FY parašė popieriaus tekstą, o MYH paruošė YBCO keramikos pavyzdį. FY ir MYH atliko eksperimentą ir išanalizavo rezultatus. FGC vadovavo projektui ir moksliniam duomenų aiškinimui. Visi autoriai peržiūrėjo rankraštį.
Šis darbas yra licencijuotas pagal Creative Commons Attribution 4.0 tarptautinę licenciją. Šiame straipsnyje esantys vaizdai ar kita trečiųjų šalių medžiaga yra įtraukta į straipsnio Creative Commons licenciją, nebent kredito limite nurodyta kitaip; jei medžiaga neįtraukta į Creative Commons licenciją, naudotojai turės gauti licencijos turėtojo leidimą atgaminti medžiagą. Norėdami peržiūrėti šios licencijos kopiją, apsilankykite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Fotovoltinio efekto kilmė superlaidžioje YBa2Cu3O6.96 keramikoje. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Pateikdami komentarą sutinkate laikytis mūsų sąlygų ir bendruomenės gairių. Jei radote ką nors įžeidžiančio arba neatitinkančio mūsų sąlygų ar gairių, pažymėkite tai kaip netinkamą.
Paskelbimo laikas: 2020-04-22