Paldies, ka apmeklējāt vietni nature.com. Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu. Lai iegūtu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot jaunāku pārlūkprogrammu (vai pārlūkprogrammā Internet Explorer izslēdziet saderības režīmu). Tikmēr, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Mēs ziņojam par ievērojamu fotoelementu efektu YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikā no 50 līdz 300 K, ko izraisa zilā lāzera apgaismojums, kas ir tieši saistīts ar YBCO supravadītspēju un YBCO-metāla elektrodu saskarni. Atvērtās ķēdes spriegumam Voc un īssavienojuma strāvai Isc notiek polaritātes maiņa, kad YBCO notiek pāreja no supravadīšanas uz pretestības stāvokli. Mēs parādām, ka supravadītāja un parastā metāla saskarnē pastāv elektriskais potenciāls, kas nodrošina atdalīšanas spēku fotoinducētajiem elektronu caurumu pāriem. Šis saskarnes potenciāls novirzās no YBCO uz metāla elektrodu, kad YBCO ir supravadošs, un pārslēdzas pretējā virzienā, kad YBCO kļūst par supravadītāju. Potenciāla izcelsmi var viegli saistīt ar tuvuma efektu metāla-supravadītāja saskarnē, kad YBCO ir supravadītājs, un tiek lēsts, ka tā vērtība ir ~ 10–8 mV pie 50 K ar lāzera intensitāti 502 mW/cm2. P-veida materiāla YBCO kombinācija normālā stāvoklī ar n-veida materiālu Ag-pastu veido kvazi-pn savienojumu, kas ir atbildīgs par YBCO keramikas fotoelektrisko uzvedību augstās temperatūrās. Mūsu atklājumi var pavērt ceļu jauniem fotonu-elektronisko ierīču lietojumiem un papildus izgaismot tuvuma efektu supravadītāja un metāla saskarnē.
Par fotoinducētu spriegumu augstas temperatūras supravadītājos ziņots 1990. gadu sākumā un kopš tā laika tas ir plaši pētīts, tomēr tā būtība un mehānisms joprojām ir neskaidrs1,2,3,4,5. Īpaši YBa2Cu3O7-δ (YBCO) plānās plēves6,7,8 tiek intensīvi pētītas fotoelektrisko (PV) elementu veidā, pateicoties regulējamai enerģijas atstarpei9,10,11,12,13. Tomēr augstā substrāta pretestība vienmēr noved pie zemas ierīces konversijas efektivitātes un maskē YBCO8 primārās PV īpašības. Šeit mēs ziņojam par ievērojamu fotoelektrisko efektu, ko izraisa zilā lāzera (λ = 450 nm) apgaismojums YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikā no 50 līdz 300 K (Tc ~ 90 K). Mēs parādām, ka PV efekts ir tieši saistīts ar YBCO supravadītspēju un YBCO-metāla elektrodu saskarnes raksturu. Atvērtās ķēdes spriegumam Voc un īssavienojuma strāvai Isc notiek polaritātes maiņa, kad YBCO notiek pāreja no supravadīšanas fāzes uz pretestības stāvokli. Tiek ierosināts, ka supravadītāja un parastā metāla saskarnē pastāv elektriskais potenciāls, kas nodrošina atdalīšanas spēku fotoinducētajiem elektronu caurumu pāriem. Šis saskarnes potenciāls tiek novirzīts no YBCO uz metāla elektrodu, kad YBCO ir supravadošs, un pārslēdzas pretējā virzienā, kad paraugs kļūst nevadošs. Potenciāla izcelsme var būt dabiski saistīta ar tuvuma efektu14, 15, 16, 17 pie metāla-supravadītāja saskarnes, kad YBCO ir supravadītājs, un tā vērtība tiek lēsta ~ 10-8 mV pie 50 K ar lāzera intensitāti 502 mW /cm2. P-veida materiāla YBCO kombinācija normālā stāvoklī ar n-veida materiālu Ag-pasta, visticamāk, veido kvazi-pn savienojumu, kas ir atbildīgs par YBCO keramikas PV izturēšanos augstās temperatūrās. Mūsu novērojumi sniedz papildu skaidrību par PV efekta izcelsmi augstas temperatūras supravadītājā YBCO keramikā un paver ceļu tā izmantošanai optoelektroniskās ierīcēs, piemēram, ātrā pasīvā gaismas detektorā utt.
1.a–c attēlā parādīts, ka YBCO keramikas parauga IV raksturlielumi pie 50 K. Bez gaismas apgaismojuma spriegums pāri paraugam paliek nulles līmenī, mainoties strāvai, kā to var sagaidīt no supravadoša materiāla. Acīmredzams fotoelementu efekts parādās, kad lāzera stars tiek vērsts pret katodu (1.a att.): IV līknes, kas ir paralēlas I asij, virzās uz leju, palielinoties lāzera intensitātei. Ir skaidrs, ka pastāv negatīvs fotoinducēts spriegums pat bez strāvas (bieži saukts par atvērtās ķēdes spriegumu Voc). IV līknes nulles slīpums norāda, ka paraugs joprojām ir supravadošs lāzera apgaismojumā.
(a–c) un 300 K (e–g). V(I) vērtības tika iegūtas, vakuumā slaucot strāvu no –10 mA līdz +10 mA. Skaidrības labad ir sniegta tikai daļa no eksperimentālajiem datiem. a, YBCO strāvas sprieguma raksturlielumi, kas izmērīti ar lāzera punktu, kas novietots uz katoda (i). Visas IV līknes ir horizontālas taisnas līnijas, kas norāda, ka paraugs joprojām ir supravadošs ar lāzera apstarošanu. Līkne virzās uz leju, palielinoties lāzera intensitātei, norādot, ka starp diviem sprieguma vadiem pastāv negatīvs potenciāls (Voc) pat ar nulles strāvu. IV līknes paliek nemainīgas, kad lāzers ir vērsts uz parauga centru pie ētera 50 K (b) vai 300 K (f). Horizontālā līnija virzās uz augšu, kad tiek izgaismots anods (c). Metāla-supravadītāja savienojuma shematisks modelis pie 50 K ir parādīts d. Parastā stāvokļa YBCO strāvas-sprieguma raksturlielumi pie 300 K, ko mēra ar lāzera staru, kas vērsts uz katodu un anodu, ir norādīti attiecīgi e un g. Atšķirībā no rezultātiem pie 50 K, taisnu līniju slīpums, kas nav nulles, norāda, ka YBCO ir normālā stāvoklī; Voc vērtības mainās atkarībā no gaismas intensitātes pretējā virzienā, norādot uz atšķirīgu lādiņu atdalīšanas mehānismu. Iespējamā saskarnes struktūra pie 300 K ir attēlota hj. Reālais parauga attēls ar vadiem.
Ar skābekli bagāts YBCO supravadītāja stāvoklī var absorbēt gandrīz visu saules gaismas spektru, pateicoties tā ļoti mazajai enerģijas atstarpei (piemēram, 9, 10), tādējādi radot elektronu caurumu pārus (e – h). Lai radītu atvērtas ķēdes spriegumu Voc, absorbējot fotonus, pirms rekombinācijas ir nepieciešams telpiski atdalīt foto ģenerētos eh pārus18. Negatīvā Voc attiecībā pret katodu un anodu, kā parādīts 1.i attēlā, liecina, ka metāla-supravadītāja saskarnē pastāv elektriskais potenciāls, kas elektronus novirza uz anodu un caurumus uz katodu. Ja tas tā ir, jābūt arī potenciālam, kas norāda no supravadītāja uz metāla elektrodu pie anoda. Līdz ar to pozitīvs Voc tiktu iegūts, ja parauga laukums pie anoda ir apgaismots. Turklāt, ja lāzera punkts ir vērsts uz vietām, kas atrodas tālu no elektrodiem, nedrīkst būt foto izraisīts spriegums. Tas noteikti tā ir, kā redzams 1.b,c attēlā!.
Kad gaismas plankums pārvietojas no katoda elektroda uz parauga centru (apmēram 1,25 mm attālumā no saskarnēm), nevar novērot IV līkņu izmaiņas un nekādu Voc, palielinot lāzera intensitāti līdz maksimālajai pieejamajai vērtībai (1.b attēls). . Protams, šo rezultātu var saistīt ar fotoinducēto nesēju ierobežoto kalpošanas laiku un atdalīšanas spēka trūkumu paraugā. Elektronu caurumu pārus var izveidot ikreiz, kad paraugs ir apgaismots, taču lielākā daļa e–h pāru tiks iznīcināti un fotoelementu efekts netiek novērots, ja lāzera plankums nokrīt uz vietām, kas atrodas tālu no jebkura elektroda. Pārvietojot lāzera punktu uz anoda elektrodiem, IV līknes, kas ir paralēlas I asij, virzās uz augšu, palielinoties lāzera intensitātei (1.c att.). Līdzīgs iebūvēts elektriskais lauks pastāv metāla-supravadītāja savienojumā pie anoda. Tomēr šoreiz metāla elektrods savienojas ar testa sistēmas pozitīvo vadu. Lāzera radītie caurumi tiek nospiesti uz anoda vadu, un tādējādi tiek novērots pozitīvs Voc. Šeit sniegtie rezultāti sniedz pārliecinošus pierādījumus tam, ka patiešām pastāv saskarnes potenciāls, kas norāda no supravadītāja uz metāla elektrodu.
Fotoelementu efekts YBa2Cu3O6.96 keramikā pie 300 K ir parādīts 1.e–g attēlā. Bez gaismas apgaismojuma parauga IV līkne ir taisna līnija, kas šķērso izcelsmi. Šī taisne virzās uz augšu paralēli sākotnējai, palielinoties lāzera intensitātei, kas izstaro katoda vadus (1.e attēls). Fotoelektriskajai ierīcei ir divi interesējošie gadījumi. Īssavienojuma stāvoklis rodas, ja V = 0. Strāvu šajā gadījumā sauc par īssavienojuma strāvu (Isc). Otrs ierobežojošais gadījums ir atvērtas ķēdes stāvoklis (Voc), kas rodas, ja R →∞ vai strāva ir nulle. 1.e attēlā skaidri redzams, ka Voc ir pozitīvs un palielinās, palielinoties gaismas intensitātei, atšķirībā no rezultāta, kas iegūts pie 50 K; kamēr tiek novērots, ka negatīvs Isc palielinās līdz ar gaismas apgaismojumu, kas ir tipiska parasto saules bateriju uzvedība.
Līdzīgi, kad lāzera stars ir vērsts uz vietām, kas atrodas tālu no elektrodiem, V(I) līkne ir neatkarīga no lāzera intensitātes un neparādās fotoelektriskais efekts (1.f att.). Līdzīgi kā mērījumos pie 50 K, IV līknes pārvietojas pretējā virzienā, kad tiek apstarots anoda elektrods (1.g attēls). Visi šie rezultāti, kas iegūti šai YBCO-Ag pastas sistēmai 300 K temperatūrā ar lāzeru, kas apstarota dažādās parauga pozīcijās, atbilst saskarnes potenciālam, kas ir pretējs tam, kas novērots 50 K temperatūrā.
Lielākā daļa elektronu kondensējas Kūpera pāros supravadītājā YBCO zem tā pārejas temperatūras Tc. Atrodoties metāla elektrodā, visi elektroni paliek vienskaitļa formā. Metāla-supravadītāja saskarnes tuvumā ir liels blīvuma gradients gan vienskaitļa elektroniem, gan Kūpera pāriem. Vairuma nesēju vienskaitļa elektroni metāliskā materiālā izkliedēsies supravadītāju reģionā, savukārt lielākās daļas nesēju Kūpera pāri YBCO reģionā izkliedēsies metāla reģionā. Tā kā Kūpera pāri, kuriem ir vairāk lādiņu un kuriem ir lielāka mobilitāte nekā vienskaitļa elektroniem, izkliedējas no YBCO metāla apgabalā, pozitīvi lādēti atomi paliek aiz muguras, kā rezultātā kosmosa lādiņa reģionā veidojas elektriskais lauks. Šī elektriskā lauka virziens ir parādīts shematiskajā diagrammā 1.d att. Negadījuma fotonu apgaismojums kosmosa lādiņa apgabala tuvumā var radīt pārus, kas tiks atdalīti un izvilkti, radot fotostrāvu apgrieztā nobīdes virzienā. Tiklīdz elektroni izkļūst no iebūvētā elektriskā lauka, tie tiek kondensēti pa pāriem un bez pretestības plūst uz otru elektrodu. Šajā gadījumā Voc ir pretējs iepriekš iestatītajai polaritātei un parāda negatīvu vērtību, kad lāzera stars norāda uz zonu ap negatīvo elektrodu. No Voc vērtības var novērtēt potenciālu visā saskarnē: attālums starp diviem sprieguma vadiem d ir ~ 5 × 10–3 m, metāla-supravadītāja saskarnes biezumam di jābūt vienādam. kā YBCO supravadītāja koherences garumu (~1 nm)19,20, ņem vērtību Voc = 0,03 mV, potenciālo Vms pie Metāla-supravadītāja saskarne ir novērtēta kā ~10–11 V pie 50 K ar lāzera intensitāti 502 mW/cm2, izmantojot vienādojumu,
Šeit mēs vēlamies uzsvērt, ka fotoinducēto spriegumu nevar izskaidrot ar foto termisko efektu. Eksperimentāli noskaidrots, ka supravadītāja YBCO Zēbeka koeficients ir Ss = 021. Zēbeka koeficients vara svina vadiem ir robežās SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Vara stieples temperatūru lāzera punktā var paaugstināt par nelielu daudzumu 0,06 K ar maksimālo lāzera intensitāti, kas pieejama pie 50 K. Tas varētu radīt 6,9 × 10–8 V termoelektrisko potenciālu, kas ir par trim kārtām mazāks nekā Voc, kas iegūts 1. (a) attēlā. Ir skaidrs, ka termoelektriskais efekts ir pārāk mazs, lai izskaidrotu eksperimentālos rezultātus. Faktiski temperatūras svārstības lāzera apstarošanas dēļ izzustu mazāk nekā vienas minūtes laikā, tāpēc termiskā efekta ieguldījumu var droši ignorēt.
Šis YBCO fotoelektriskais efekts istabas temperatūrā atklāj, ka šeit ir iesaistīts atšķirīgs lādiņu atdalīšanas mehānisms. Supravadošs YBCO normālā stāvoklī ir p-veida materiāls ar caurumiem kā lādiņa nesēju22,23, savukārt metāliskajai Ag-pastai ir n-veida materiāla īpašības. Līdzīgi kā pn krustojumos, elektronu difūzija sudraba pastā un caurumos YBCO keramikā veidos iekšējo elektrisko lauku, kas norāda uz YBCO keramiku saskarnē (1.h att.). Tieši šis iekšējais lauks nodrošina atdalīšanas spēku un rada pozitīvu Voc un negatīvu Isc YBCO-Ag pastas sistēmai istabas temperatūrā, kā parādīts 1.e attēlā. Alternatīvi, Ag-YBCO varētu veidot p-tipa Šotkija krustojumu, kas arī noved pie saskarnes potenciāla ar tādu pašu polaritāti kā iepriekš parādītajā modelī24.
Lai izpētītu detalizētu fotoelektrisko īpašību evolūcijas procesu YBCO supravadītājas pārejas laikā, paraugam 80 K temperatūrā tika izmērītas IV līknes ar izvēlētu lāzera intensitāti, kas apgaismo katoda elektrodu (2. att.). Bez lāzera apstarošanas spriegums pāri paraugam saglabājas nulles līmenī neatkarīgi no strāvas, norādot parauga supravadīšanas stāvokli pie 80 K (2.a att.). Līdzīgi kā datiem, kas iegūti pie 50 K, IV līknes paralēli I asij virzās uz leju, palielinoties lāzera intensitātei, līdz tiek sasniegta kritiskā vērtība Pc. Virs šīs kritiskās lāzera intensitātes (Pc) supravadītājā notiek pāreja no supravadīšanas fāzes uz pretestības fāzi; spriegums sāk pieaugt līdz ar strāvu, jo supravadītājā parādās pretestība. Rezultātā IV līkne sāk krustoties ar I asi un V asi, kas sākumā rada negatīvu Voc un pozitīvu Isc. Tagad paraugs, šķiet, ir īpašā stāvoklī, kurā Voc un Isc polaritāte ir ārkārtīgi jutīga pret gaismas intensitāti; ar ļoti nelielu gaismas intensitātes pieaugumu Isc tiek pārveidots no pozitīvas uz negatīvu un Voc no negatīvas uz pozitīvu vērtību, šķērsojot izcelsmi (fotoelementu īpašību, īpaši Isc vērtības, augstā jutība pret gaismas apgaismojumu ir skaidrāk redzama attēlā. 2b). Pie augstākās pieejamās lāzera intensitātes IV līknes ir paredzētas paralēli viena otrai, kas norāda uz YBCO parauga normālu stāvokli.
Lāzera punkta centrs ir novietots ap katoda elektrodiem (sk. 1.i attēlu). a, IV YBCO līknes, kas apstarotas ar dažādu lāzera intensitāti. b (augšā), Atvērtās ķēdes sprieguma Voc un īssavienojuma strāvas atkarība no lāzera intensitātes Isc. Isc vērtības nevar iegūt pie zemas gaismas intensitātes (< 110 mW/cm2), jo IV līknes ir paralēlas I asij, kad paraugs atrodas supravadītājā stāvoklī. b (apakšā), diferenciālā pretestība kā lāzera intensitātes funkcija.
Voc un Isc lāzera intensitātes atkarība pie 80 K ir parādīta 2.b attēlā (augšā). Fotoelementu īpašības var apspriest trīs gaismas intensitātes reģionos. Pirmais apgabals ir no 0 līdz Pc, kurā YBCO ir supravadošs, Voc ir negatīvs un samazinās (absolūtā vērtība palielinās) līdz ar gaismas intensitāti un sasniedzot minimumu pie Pc. Otrais apgabals ir no Pc uz citu kritisko intensitāti P0, kurā Voc palielinās, bet Isc samazinās, palielinoties gaismas intensitātei, un abi sasniedz nulli pie P0. Trešais reģions ir virs P0, līdz tiek sasniegts normāls YBCO stāvoklis. Lai gan gan Voc, gan Isc mainās atkarībā no gaismas intensitātes tāpat kā 2. reģionā, tiem ir pretēja polaritāte virs kritiskās intensitātes P0. P0 nozīme ir tajā, ka nav fotoelementu efekta un lādiņu atdalīšanas mehānisms šajā konkrētajā punktā mainās kvalitatīvi. YBCO paraugs šajā gaismas intensitātes diapazonā kļūst ne-supravadošs, bet normāls stāvoklis vēl ir jāsasniedz.
Skaidrs, ka sistēmas fotoelektriskie raksturlielumi ir cieši saistīti ar YBCO supravadītspēju un tā supravadošo pāreju. YBCO diferenciālā pretestība dV/dI ir parādīta 2.b attēlā (apakšā) kā lāzera intensitātes funkcija. Kā minēts iepriekš, iebūvētais elektriskais potenciāls saskarnē Cooper pāra difūzijas punktu dēļ no supravadītāja uz metālu. Līdzīgi kā novērots 50 K temperatūrā, fotoelektriskais efekts tiek pastiprināts, palielinot lāzera intensitāti no 0 līdz Pc. Lāzera intensitātei sasniedzot vērtību nedaudz virs Pc, IV līkne sāk sasvērties un sāk parādīties parauga pretestība, bet saskarnes potenciāla polaritāte vēl nav mainīta. Optiskās ierosmes ietekme uz supravadītspēju ir pētīta redzamajā vai tuvu IS apgabalā. Lai gan pamatprocess ir Kūpera pāru sadalīšana un supravadītspējas iznīcināšana25, 26, dažos gadījumos supravadītspējas pāreju var uzlabot 27, 28, 29, var pat izraisīt jaunas supravadītspējas fāzes30. Supravadītspējas neesamību pie datora var saistīt ar foto izraisītu pāra pārrāvumu. Punktā P0 potenciāls visā saskarnē kļūst par nulli, norādot, ka lādiņa blīvums abās saskarnes pusēs sasniedz vienādu līmeni šajā konkrētajā gaismas apgaismojuma intensitātē. Turpmāka lāzera intensitātes palielināšana izraisa vairāk Kūperu pāru iznīcināšanu un YBCO pakāpeniski tiek pārveidots atpakaļ par p veida materiālu. Elektronu un Kūpera pāru difūzijas vietā saskarnes īpatnību tagad nosaka elektronu un caurumu difūzija, kas izraisa elektriskā lauka polaritātes maiņu saskarnē un līdz ar to pozitīvu Voc (sal. 1.d,h att.). Pie ļoti augstas lāzera intensitātes YBCO diferenciālā pretestība piesātina līdz vērtībai, kas atbilst normālajam stāvoklim, un gan Voc, gan Isc ir tendence lineāri mainīties atkarībā no lāzera intensitātes (2.b attēls). Šis novērojums atklāj, ka lāzera apstarošana normālā stāvoklī YBCO vairs nemainīs tā pretestību un supravadītāja-metāla saskarnes iezīmi, bet tikai palielinās elektronu caurumu pāru koncentrāciju.
Lai izpētītu temperatūras ietekmi uz fotoelementu īpašībām, metāla-supravadītāju sistēma tika apstarota pie katoda ar zilu lāzeru ar intensitāti 502 mW/cm2. IV līknes, kas iegūtas izvēlētajās temperatūrās no 50 līdz 300 K, ir parādītas 3.a attēlā. Atvērtās ķēdes spriegumu Voc, īssavienojuma strāvu Isc un diferenciālo pretestību var iegūt no šīm IV līknēm un parādīt 3.b attēlā. Bez gaismas apgaismojuma visas IV līknes, kas izmērītas dažādās temperatūrās, šķērso sākumpunktu, kā paredzēts (3.a attēla ievilkums). IV raksturlielumi krasi mainās, pieaugot temperatūrai, kad sistēmu apgaismo salīdzinoši spēcīgs lāzera stars (502 mW/cm2). Zemā temperatūrā IV līknes ir taisnas līnijas, kas ir paralēlas I asij ar negatīvām Voc vērtībām. Šī līkne virzās uz augšu, paaugstinoties temperatūrai un pakāpeniski pārvēršas līnijā ar slīpumu, kas nav nulle kritiskā temperatūrā Tcp (3.a attēls (augšpusē)). Šķiet, ka visas IV raksturlīknes griežas ap punktu trešajā kvadrantā. Voc palielinās no negatīvas vērtības uz pozitīvu, savukārt Isc samazinās no pozitīvas uz negatīvu vērtību. Virs sākotnējās YBCO supravadītāja pārejas temperatūras Tc IV līkne mainās atkarībā no temperatūras (3.a att. apakšā). Pirmkārt, IV līkņu rotācijas centrs pārvietojas uz pirmo kvadrantu. Otrkārt, Voc turpina samazināties un Isc pieaug, palielinoties temperatūrai (3.b attēla augšdaļa). Treškārt, IV līkņu slīpums palielinās lineāri ar temperatūru, kā rezultātā YBCO temperatūras pretestības koeficients ir pozitīvs (3.b attēla apakšā).
Fotoelektrisko raksturlielumu atkarība no temperatūras YBCO-Ag pastas sistēmai zem 502 mW/cm2 lāzera apgaismojuma.
Lāzera punkta centrs ir novietots ap katoda elektrodiem (sk. 1.i attēlu). a, IV līknes iegūtas no 50 līdz 90 K (augšpusē) un no 100 līdz 300 K (apakšā) ar temperatūras pieaugumu attiecīgi 5 K un 20 K. Ieliktnis a parāda IV raksturlielumus vairākās temperatūrās tumsā. Visas līknes šķērso sākuma punktu. b, atvērtas ķēdes spriegums Voc un īssavienojuma strāva Isc (augšpusē) un YBCO diferenciālā pretestība dV/dI (apakšā) kā temperatūras funkcija. Nulles pretestības supravadītāja pārejas temperatūra Tcp nav norādīta, jo tā ir pārāk tuvu Tc0.
Trīs kritiskās temperatūras var atpazīt no 3.b attēla: Tcp, virs kuras YBCO kļūst ne-supravadošs; Tc0, pie kura gan Voc, gan Isc kļūst par nulli, un Tc, sākotnējā YBCO supravadītāja pārejas temperatūra bez lāzera apstarošanas. Zem Tcp ~ 55 K lāzera apstarotais YBCO atrodas supravadītājā stāvoklī ar salīdzinoši augstu Kūpera pāru koncentrāciju. Lāzera apstarošanas efekts ir samazināt nulles pretestības supravadītāja pārejas temperatūru no 89 K līdz ~ 55 K (3.b attēla apakšā), samazinot Kūpera pāra koncentrāciju papildus fotoelementu sprieguma un strāvas radīšanai. Temperatūras paaugstināšanās arī sadala Kūpera pārus, kā rezultātā saskarnē tiek samazināts potenciāls. Līdz ar to Voc absolūtā vērtība kļūs mazāka, lai gan tiek izmantota tāda pati lāzera apgaismojuma intensitāte. Interfeisa potenciāls kļūs mazāks un mazāks, turpinot temperatūras paaugstināšanos un sasniegs nulli pie Tc0. Šajā īpašajā punktā nav fotoelementu efekta, jo nav iekšējā lauka, kas atdalītu fotoinducētos elektronu caurumu pārus. Virs šīs kritiskās temperatūras notiek potenciāla polaritātes maiņa, jo brīvā lādiņa blīvums Ag pastā ir lielāks nekā YBCO, kas pakāpeniski tiek pārnests atpakaļ uz p veida materiālu. Šeit mēs vēlamies uzsvērt, ka Voc un Isc polaritātes maiņa notiek tūlīt pēc nulles pretestības supravadītāja pārejas neatkarīgi no pārejas iemesla. Šis novērojums pirmo reizi skaidri atklāj korelāciju starp supravadītspēju un fotoelektriskajiem efektiem, kas saistīti ar metāla-supravadītāja saskarnes potenciālu. Šī potenciāla raksturs supravadītāja un parastā metāla saskarnē ir bijis pētniecības uzmanības centrā pēdējo desmitgažu laikā, taču joprojām ir daudz jautājumu, kas gaida atbildes. Fotoelektriskā efekta mērīšana var izrādīties efektīva metode, lai izpētītu šī svarīgā potenciāla detaļas (piemēram, tā stiprumu un polaritāti utt.) un tādējādi izgaismotu augstas temperatūras supravadītāja tuvuma efektu.
Tālāka temperatūras paaugstināšanās no Tc0 līdz Tc noved pie mazākas Kūpera pāru koncentrācijas un interfeisa potenciāla uzlabošanās un attiecīgi lielāka Voc. Pie Tc Kūpera pāra koncentrācija kļūst par nulli, un iebūvētais potenciāls saskarnē sasniedz maksimumu, kā rezultātā tiek sasniegts maksimālais Voc un minimālais Isc. Straujais Voc un Isc (absolūtās vērtības) pieaugums šajā temperatūras diapazonā atbilst supravadītāja pārejai, kas tiek paplašināta no ΔT ~ 3 K līdz ~ 34 K ar lāzera apstarošanu ar intensitāti 502 mW/cm2 (3.b att.). Normālos stāvokļos virs Tc atvērtās ķēdes spriegums Voc samazinās līdz ar temperatūru (3.b att. augšpusē), līdzīgi kā Voc lineārajai uzvedībai normālām saules baterijām, pamatojoties uz pn krustojumiem31,32,33. Lai gan Voc maiņas ātrums ar temperatūru (−dVoc/dT), kas lielā mērā ir atkarīgs no lāzera intensitātes, ir daudz mazāks nekā parastajām saules baterijām, Voc temperatūras koeficientam YBCO-Ag savienojumam ir tāda pati lieluma pakāpe kā šim. no saules baterijām. Parastas saules bateriju ierīces pn savienojuma noplūdes strāva palielinās, palielinoties temperatūrai, kā rezultātā temperatūrai paaugstinoties, samazinās Voc. Lineārās IV līknes, kas novērotas šai Ag-supravadītāju sistēmai, pirmkārt, ļoti mazā saskarnes potenciāla un, otrkārt, divu heterosavienojumu savienojuma dēļ, apgrūtina noplūdes strāvas noteikšanu. Neskatoties uz to, ļoti iespējams, ka tā pati noplūdes strāvas temperatūras atkarība ir atbildīga par mūsu eksperimentā novēroto Voc uzvedību. Saskaņā ar definīciju Isc ir strāva, kas nepieciešama, lai radītu negatīvu spriegumu, lai kompensētu Voc tā, lai kopējais spriegums būtu nulle. Temperatūrai paaugstinoties, Voc kļūst mazāks, tāpēc negatīvā sprieguma radīšanai ir nepieciešama mazāka strāva. Turklāt YBCO pretestība palielinās lineāri ar temperatūru virs Tc (3.b attēla apakšā), kas arī veicina Isc mazāku absolūto vērtību augstās temperatūrās.
Ņemiet vērā, ka 2. un 3. attēlā sniegtie rezultāti ir iegūti, apstarojot ar lāzeru katoda elektrodu apgabalā. Mērījumi ir atkārtoti arī ar lāzera punktu, kas novietots pie anoda, un ir novēroti līdzīgi IV raksturlielumi un fotoelektriskās īpašības, izņemot to, ka šajā gadījumā Voc un Isc polaritāte ir mainīta. Visi šie dati noved pie fotoelektriskā efekta mehānisma, kas ir cieši saistīts ar supravadītāja-metāla saskarni.
Rezumējot, lāzera apstarotās supravadošās YBCO-Ag pastas sistēmas IV raksturlielumi ir izmērīti kā temperatūras un lāzera intensitātes funkcijas. Ievērojams fotoelementu efekts ir novērots temperatūras diapazonā no 50 līdz 300 K. Konstatēts, ka fotoelementu īpašības cieši korelē ar YBCO keramikas supravadītspēju. Voc un Isc polaritātes maiņa notiek tūlīt pēc fotoinducētās supravadīšanas pārejas uz ne-supravadītāju. Voc un Isc temperatūras atkarība, ko mēra pie fiksētas lāzera intensitātes, parāda arī izteiktu polaritātes maiņu kritiskā temperatūrā, virs kuras paraugs kļūst rezistīvs. Novietojot lāzera punktu dažādās parauga daļās, mēs parādām, ka visā saskarnē pastāv elektriskais potenciāls, kas nodrošina atdalīšanas spēku fotoinducētajiem elektronu caurumu pāriem. Šis saskarnes potenciāls tiek novirzīts no YBCO uz metāla elektrodu, kad YBCO ir supravadošs, un pārslēdzas pretējā virzienā, kad paraugs kļūst nevadošs. Potenciāla izcelsme var būt dabiski saistīta ar tuvuma efektu metāla-supravadītāja saskarnē, kad YBCO ir supravadītājs, un tiek lēsts, ka tas ir ~ 10–8 mV pie 50 K ar lāzera intensitāti 502 mW/cm2. P-veida materiāla YBCO saskare normālā stāvoklī ar n-veida materiālu Ag-pasta veido kvazi-pn savienojumu, kas ir atbildīgs par YBCO keramikas fotoelektrisko uzvedību augstās temperatūrās. Iepriekš minētie novērojumi atklāj PV efektu augstas temperatūras supravadītājā YBCO keramikā un paver ceļu jauniem pielietojumiem optoelektroniskajās ierīcēs, piemēram, ātrā pasīvā gaismas detektorā un viena fotona detektorā.
Fotoelektriskā efekta eksperimenti tika veikti ar YBCO keramikas paraugu ar 0, 52 mm biezumu un 8, 64 × 2, 26 mm2 taisnstūra formu un apgaismotu ar nepārtrauktu viļņu zilo lāzeru (λ = 450 nm) ar lāzera plankuma izmēru 1, 25 mm rādiusā. Lielapjoma, nevis plānas plēves parauga izmantošana ļauj mums izpētīt supravadītāja fotoelektriskās īpašības, neriskējot ar substrāta sarežģīto ietekmi6, 7. Turklāt beztaras materiāls varētu būt labvēlīgs tā vienkāršajai sagatavošanas procedūrai un salīdzinoši zemajām izmaksām. Vara svina vadi ir saskaņoti uz YBCO parauga ar sudraba pastu, veidojot četrus apļveida elektrodus, kuru diametrs ir aptuveni 1 mm. Attālums starp diviem sprieguma elektrodiem ir aptuveni 5 mm. Parauga IV raksturlielumi tika mērīti, izmantojot vibrācijas parauga magnetometru (VersaLab, Quantum Design) ar kvarca kristāla logu. IV līkņu iegūšanai tika izmantota standarta četru vadu metode. Elektrodu un lāzera punkta relatīvās pozīcijas ir parādītas 1.i attēlā.
Kā citēt šo rakstu: Yang, F. et al. Fotoelementu efekta izcelsme supravadītājā YBa2Cu3O6.96 keramikā. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Simetrijas dēļ aizliegts lāzera izraisīts spriegums YBa2Cu3O7. Fizik. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Anomālā fotoelektriskā signāla izcelsme Y-Ba-Cu-O. Fizik. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Lāzera izraisīto supravadītāju Bi-Sr-Ca-Cu-O spriegumu mērīšana. Fizik. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Teits, KL u.c. Pārejoši lāzera izraisīti spriegumi YBa2Cu3O7-x istabas temperatūras plēvēs. J. Appl. Fizik. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomāla fotoelektriskā reakcija YBa2Cu3O7. Fizik. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Photogenerated caurumu nesēja injekcija uz YBa2Cu3O7−x oksīda heterostruktūrā. Appl. Fiz. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. YBa2Cu3Oy plānu kārtiņu fotoemisijas pētījums gaismas apgaismojumā. Fizik. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterosavienojuma fotoelektriskais efekts, kas atkvēlināts dažādos skābekļa parciālā spiedienā. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminovs, BA et al. Divu spraugu struktūra Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristālos. J. Superkond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kvazidaļiņu relaksācijas dinamika supravadītājos ar dažādām spraugu struktūrām: YBa2Cu3O7-δ teorija un eksperimenti. Fizik. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterosavienojuma rektifikācijas īpašības. Appl. Fizik. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Eksitoniskā absorbcija un supravadītspēja YBa2Cu3O7-δ. Fizik. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Pārejoša fotoinducēta vadītspēja pusvadītāju monokristāļos YBa2Cu3O6.3: meklēt fotoinducētu metālisku stāvokli un fotoinducētu supravadītspēju. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Supravadītāja tuvuma efekta tunelēšanas modelis. Fizik. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Supravadītāja tuvuma efekts pārbaudīts mezoskopiskā garuma skalā. Fizik. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Tuvuma efekts ar necentrosimetriskiem supravadītājiem. Fizik. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Spēcīgs supravadītāja tuvuma efekts Pb-Bi2Te3 hibrīda struktūrās. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Jauns silīcija pn savienojuma fotoelements saules starojuma pārvēršanai elektroenerģijā. J. App. Fizik. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Piemaisījumu ietekme uz supravadītāja koherences garumu Zn vai Ni leģētos YBa2Cu3O6.9 monokristālos. Fizik. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Untwinned YBa2Cu3Oy monokristālu magnētiskā pretestība plašā dopinga diapazonā: anomāla caurumu dopinga atkarība no koherences garuma. Fizik. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR. Augsta T, oksīdu termoelektriskās jaudas sistemātika. Fizik. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. No nesēja blīvuma atkarīga koherentā pīķa impulsa nobīde un LO fonona režīms p-tipa augsta Tc supravadītājos. Fiz. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Caurumu samazināšana un elektronu uzkrāšanās YBa2Cu3Oy plānās kārtiņās, izmantojot elektroķīmisko paņēmienu: pierādījumi par n-tipa metālisku stāvokli. Fizik. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Šotkija barjeras augstuma fizika un ķīmija. Appl. Fizik. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effects of Dynamic External Pair Breaking in Superconducting Films. Fizik. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotoinducēta supravadītspējas uzlabošana. Appl. Fizik. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinovs, VI et al. Noturīga fotovadītspēja YBa2Cu3O6+x plēvēs kā fotodopinga metode pret metāliskām un supravadošām fāzēm. Fizik. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankovskis, R. et al. Nelineārā režģa dinamika kā pamats uzlabotai supravadītspējai YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Gaismas izraisīta supravadītspēja svītraini sakārtotā kuprātā. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA GOS funkcionālā atkarība no temperatūras saules baterijai saistībā ar tās efektivitāti, jauna pieeja. Atsāļošana, 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatūras efekti Šotki barjeras silīcija saules baterijās. Appl. Fizik. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperatūras atkarība no polimēra fullerēna saules bateriju fotoelementu parametriem darbības apstākļos. J. Appl. Fizik. 90, 5343–5350 (2002).
Šo darbu ir atbalstījis Ķīnas Nacionālais dabaszinātņu fonds (granta Nr. 60571063), Ķīnas Henanas provinces fundamentālie pētniecības projekti (granta Nr. 122300410231).
FY uzrakstīja papīra tekstu, un MYH sagatavoja YBCO keramikas paraugu. FY un MYH veica eksperimentu un analizēja rezultātus. FGC vadīja projektu un datu zinātnisko interpretāciju. Visi autori pārskatīja manuskriptu.
Šis darbs ir licencēts saskaņā ar Creative Commons Attribution 4.0 starptautisko licenci. Attēli vai cits trešās puses materiāls šajā rakstā ir iekļauts raksta Creative Commons licencē, ja vien kredītlīnijā nav norādīts citādi; ja materiāls nav iekļauts Creative Commons licencē, lietotājiem būs jāsaņem atļauja no licences turētāja materiāla reproducēšanai. Lai skatītu šīs licences kopiju, apmeklējiet vietni http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Fotoelementu efekta izcelsme supravadītājā YBa2Cu3O6.96 keramikā. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Iesniedzot komentāru, jūs piekrītat ievērot mūsu noteikumus un kopienas vadlīnijas. Ja atrodat kaut ko aizskarošu vai neatbilstošu mūsu noteikumiem vai vadlīnijām, lūdzu, atzīmējiet to kā nepiemērotu.
Publicēšanas laiks: 22.04.2020