Terima kasih kerana melawat nature.com. Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan terhad untuk CSS. Untuk mendapatkan pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan penyemak imbas yang lebih terkini (atau matikan mod keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami memaparkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Kami melaporkan kesan fotovoltaik yang luar biasa dalam seramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 dan 300 K yang disebabkan oleh pencahayaan laser biru, yang berkaitan secara langsung dengan superkonduktiviti YBCO dan antara muka elektrod logam YBCO. Terdapat pembalikan kekutuban untuk voltan litar terbuka Voc dan arus litar pintas Isc apabila YBCO mengalami peralihan daripada superkonduktor kepada keadaan perintang. Kami menunjukkan bahawa wujud potensi elektrik merentasi antara muka logam superkonduktor-normal, yang memberikan daya pemisahan untuk pasangan lubang elektron yang disebabkan oleh foto. Potensi antara muka ini menghala dari YBCO ke elektrod logam apabila YBCO adalah superkonduktor dan bertukar ke arah yang bertentangan apabila YBCO menjadi bukan superkonduktor. Asal potensi mungkin mudah dikaitkan dengan kesan kedekatan pada antara muka logam-superkonduktor apabila YBCO adalah superkonduktor dan nilainya dianggarkan ~10-8 mV pada 50 K dengan intensiti laser 502 mW/cm2. Gabungan bahan jenis-p YBCO pada keadaan biasa dengan bahan jenis-n Ag-tampal membentuk simpang kuasi-pn yang bertanggungjawab terhadap kelakuan fotovoltaik seramik YBCO pada suhu tinggi. Penemuan kami mungkin membuka jalan kepada aplikasi baharu peranti foton-elektronik dan memberi penerangan lanjut tentang kesan kedekatan pada antara muka logam superkonduktor.
Voltan teraruh foto dalam superkonduktor suhu tinggi telah dilaporkan pada awal 1990-an dan disiasat secara meluas sejak itu, namun sifat dan mekanismenya masih belum diselesaikan1,2,3,4,5. Filem nipis YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, khususnya, dikaji secara intensif dalam bentuk sel fotovoltaik (PV) kerana jurang tenaga boleh larasnya9,10,11,12,13. Walau bagaimanapun, rintangan substrat yang tinggi sentiasa membawa kepada kecekapan penukaran peranti yang rendah dan menutup sifat PV utama YBCO8. Di sini kami melaporkan kesan fotovoltaik yang luar biasa yang disebabkan oleh pencahayaan laser biru (λ = 450 nm) dalam seramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 dan 300 K (Tc ~ 90 K). Kami menunjukkan bahawa kesan PV secara langsung berkaitan dengan superkonduktiviti YBCO dan sifat antara muka elektrod logam YBCO. Terdapat pembalikan kekutuban untuk voltan litar terbuka Voc dan arus litar pintas Isc apabila YBCO mengalami peralihan daripada fasa superkonduktor kepada keadaan rintangan. Adalah dicadangkan bahawa wujud potensi elektrik merentasi antara muka logam superkonduktor-normal, yang menyediakan daya pemisahan untuk pasangan lubang elektron yang disebabkan oleh foto. Potensi antara muka ini menghala dari YBCO ke elektrod logam apabila YBCO adalah superkonduktor dan bertukar ke arah yang bertentangan apabila sampel menjadi bukan superkonduktor. Asal potensi mungkin secara semula jadi dikaitkan dengan kesan kedekatan14,15,16,17 pada antara muka logam-superkonduktor apabila YBCO adalah superkonduktor dan nilainya dianggarkan ~10−8 mV pada 50 K dengan intensiti laser 502 mW /cm2. Gabungan bahan jenis-p YBCO pada keadaan biasa dengan bahan jenis-n Ag-tampal membentuk, kemungkinan besar, simpang kuasi-pn yang bertanggungjawab terhadap kelakuan PV seramik YBCO pada suhu tinggi. Pemerhatian kami memberi penerangan lanjut tentang asal-usul kesan PV dalam seramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan untuk aplikasinya dalam peranti optoelektronik seperti pengesan cahaya pasif pantas dsb.
Rajah 1a–c menunjukkan bahawa ciri IV sampel seramik YBCO pada 50 K. Tanpa pencahayaan cahaya, voltan merentasi sampel kekal pada sifar dengan perubahan arus, seperti yang boleh dijangkakan daripada bahan superkonduktor. Kesan fotovoltaik yang jelas kelihatan apabila pancaran laser diarahkan pada katod (Rajah 1a): lengkung IV selari dengan paksi-I bergerak ke bawah dengan peningkatan intensiti laser. Adalah jelas bahawa terdapat voltan teraruh foto negatif walaupun tanpa sebarang arus (sering dipanggil voltan litar terbuka Voc). Cerun sifar lengkung IV menunjukkan bahawa sampel masih superkonduktor di bawah pencahayaan laser.
(a–c) dan 300 K (e–g). Nilai V(I) diperolehi dengan menyapu arus dari -10 mA kepada +10 mA dalam vakum. Hanya sebahagian daripada data eksperimen dibentangkan demi kejelasan. a, Ciri-ciri voltan semasa YBCO diukur dengan titik laser yang diletakkan di katod (i). Semua lengkung IV adalah garis lurus mendatar yang menunjukkan sampel masih superkonduktor dengan penyinaran laser. Lengkung bergerak ke bawah dengan peningkatan intensiti laser, menunjukkan bahawa wujud potensi negatif (Voc) antara kedua-dua petunjuk voltan walaupun dengan arus sifar. Lengkung IV kekal tidak berubah apabila laser diarahkan pada pusat sampel pada eter 50 K (b) atau 300 K (f). Garis mendatar bergerak ke atas apabila anod diterangi (c). Model skematik simpang logam-superkonduktor pada 50 K ditunjukkan dalam d. Ciri-ciri voltan arus bagi keadaan normal YBCO pada 300 K diukur dengan pancaran laser ditunjuk pada katod dan anod diberikan dalam e dan g masing-masing. Berbeza dengan keputusan pada 50 K, kecerunan bukan sifar garis lurus menunjukkan bahawa YBCO berada dalam keadaan normal; nilai Voc berbeza dengan keamatan cahaya dalam arah yang bertentangan, menunjukkan mekanisme pemisahan cas yang berbeza. Struktur antara muka yang mungkin pada 300 K digambarkan dalam hj Gambar sebenar sampel dengan petunjuk.
YBCO yang kaya dengan oksigen dalam keadaan superkonduktor boleh menyerap hampir penuh spektrum cahaya matahari disebabkan oleh jurang tenaga yang sangat kecil (Eg)9,10, dengan itu mewujudkan pasangan lubang elektron (e–h). Untuk menghasilkan voltan litar terbuka Voc melalui penyerapan foton, adalah perlu untuk memisahkan pasangan eh yang dijana foto secara spatial sebelum penggabungan semula berlaku18. Voc negatif, berbanding dengan katod dan anod seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1i, menunjukkan bahawa wujud potensi elektrik merentasi antara muka superkonduktor logam, yang menyapu elektron ke anod dan lubang ke katod. Jika ini berlaku, terdapat juga potensi penunjuk dari superkonduktor ke elektrod logam di anod. Akibatnya, Voc positif akan diperoleh jika kawasan sampel berhampiran anod diterangi. Tambahan pula, tidak sepatutnya ada voltan yang disebabkan oleh foto apabila titik laser dihalakan ke kawasan yang jauh dari elektrod. Ia sememangnya berlaku seperti yang boleh dilihat daripada Rajah 1b,c!.
Apabila titik cahaya bergerak dari elektrod katod ke pusat sampel (kira-kira 1.25 mm selain daripada antara muka), tiada variasi lengkung IV dan tiada Voc boleh diperhatikan dengan peningkatan intensiti laser kepada nilai maksimum yang tersedia (Rajah 1b) . Sememangnya, keputusan ini boleh dikaitkan dengan hayat terhad pembawa yang disebabkan oleh foto dan kekurangan daya pemisahan dalam sampel. Pasangan lubang elektron boleh dibuat apabila sampel diterangi, tetapi kebanyakan pasangan e-h akan dimusnahkan dan tiada kesan fotovoltaik diperhatikan jika titik laser jatuh pada kawasan yang jauh dari mana-mana elektrod. Menggerakkan titik laser ke elektrod anod, lengkung IV selari dengan paksi-I bergerak ke atas dengan peningkatan intensiti laser (Rajah 1c). Medan elektrik terbina dalam yang serupa wujud dalam persimpangan logam-superkonduktor di anod. Walau bagaimanapun, elektrod logam bersambung dengan plumbum positif sistem ujian kali ini. Lubang yang dihasilkan oleh laser ditolak ke plumbum anod dan dengan itu Voc positif diperhatikan. Keputusan yang dibentangkan di sini memberikan bukti kukuh bahawa sememangnya wujud potensi antara muka yang menunjuk dari superkonduktor ke elektrod logam.
Kesan fotovoltan dalam seramik YBa2Cu3O6.96 pada 300 K ditunjukkan dalam Rajah 1e–g. Tanpa pencahayaan cahaya, lengkung IV sampel adalah garis lurus yang melintasi asal. Garis lurus ini bergerak ke atas selari dengan garis asal dengan peningkatan intensiti laser penyinaran pada petunjuk katod (Rajah 1e). Terdapat dua kes mengehadkan kepentingan untuk peranti fotovoltaik. Keadaan litar pintas berlaku apabila V = 0. Arus dalam kes ini dirujuk sebagai arus litar pintas (Isc). Kes pengehad kedua ialah keadaan litar terbuka (Voc) yang berlaku apabila R→∞ atau arus adalah sifar. Rajah 1e jelas menunjukkan bahawa Voc adalah positif dan meningkat dengan peningkatan keamatan cahaya, berbeza dengan hasil yang diperoleh pada 50 K; manakala Isc negatif diperhatikan meningkat dalam magnitud dengan pencahayaan cahaya, tingkah laku biasa sel suria biasa.
Begitu juga, apabila pancaran laser dihalakan pada kawasan yang jauh dari elektrod, lengkung V(I) adalah bebas daripada keamatan laser dan tiada kesan fotovoltaik muncul (Rajah 1f). Sama seperti pengukuran pada 50 K, lengkung IV bergerak ke arah yang bertentangan apabila elektrod anod disinari (Rajah 1g). Semua keputusan yang diperoleh untuk sistem tampal YBCO-Ag ini pada 300 K dengan sinaran laser pada kedudukan sampel yang berbeza adalah konsisten dengan potensi antara muka yang bertentangan dengan yang diperhatikan pada 50 K.
Kebanyakan elektron terpeluwap dalam pasangan Cooper dalam YBCO superkonduktor di bawah suhu peralihannya Tc. Semasa dalam elektrod logam, semua elektron kekal dalam bentuk tunggal. Terdapat kecerunan ketumpatan yang besar untuk kedua-dua elektron tunggal dan pasangan Cooper di sekitar antara muka logam-superkonduktor. Elektron tunggal pembawa majoriti dalam bahan logam akan meresap ke kawasan superkonduktor, manakala pasangan Cooper pembawa majoriti di rantau YBCO akan meresap ke dalam kawasan logam. Apabila pasangan Cooper membawa lebih banyak cas dan mempunyai mobiliti yang lebih besar daripada elektron tunggal meresap dari YBCO ke kawasan logam, atom bercas positif tertinggal, mengakibatkan medan elektrik di kawasan cas angkasa. Arah medan elektrik ini ditunjukkan dalam rajah skematik Rajah 1d. Pencahayaan foton kejadian berhampiran kawasan cas angkasa boleh mencipta pasangan eh yang akan dipisahkan dan dihanyutkan menghasilkan arus foto dalam arah bias songsang. Sebaik sahaja elektron keluar dari medan elektrik terbina dalam, ia terpeluwap menjadi pasangan dan mengalir ke elektrod lain tanpa rintangan. Dalam kes ini, Voc adalah bertentangan dengan kekutuban yang telah ditetapkan dan memaparkan nilai negatif apabila pancaran laser menghala ke kawasan sekitar elektrod negatif. Daripada nilai Voc, potensi merentasi antara muka boleh dianggarkan: jarak antara dua petunjuk voltan d ialah ~5 × 10−3 m, ketebalan antara muka logam-superkonduktor, di, haruslah susunan magnitud yang sama sebagai panjang koheren superkonduktor YBCO (~1 nm)19,20, ambil nilai Voc = 0.03 mV, potensi Vms pada antara muka logam-superkonduktor dinilai ~10−11 V pada 50 K dengan keamatan laser 502 mW/cm2, menggunakan persamaan,
Kami ingin menekankan di sini bahawa voltan teraruh foto tidak dapat dijelaskan oleh kesan terma foto. Telah terbukti secara eksperimen bahawa pekali Seebeck superkonduktor YBCO ialah Ss = 021. Pekali Seebeck untuk wayar plumbum kuprum berada dalam julat SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Suhu wayar kuprum di tempat laser boleh dinaikkan dengan jumlah kecil 0.06 K dengan keamatan laser maksimum tersedia pada 50 K. Ini boleh menghasilkan potensi termoelektrik 6.9 × 10−8 V iaitu tiga pesanan magnitud lebih kecil daripada Voc yang diperolehi dalam Rajah 1 (a). Adalah jelas bahawa kesan termoelektrik terlalu kecil untuk menjelaskan keputusan eksperimen. Malah, variasi suhu akibat penyinaran laser akan hilang dalam masa kurang daripada satu minit supaya sumbangan daripada kesan haba boleh diabaikan dengan selamat.
Kesan fotovoltaik YBCO pada suhu bilik ini mendedahkan bahawa mekanisme pemisahan cas yang berbeza terlibat di sini. YBCO superkonduktor dalam keadaan biasa ialah bahan jenis-p dengan lubang sebagai pembawa cas22,23, manakala tampalan Ag logam mempunyai ciri-ciri bahan jenis-n. Sama seperti persimpangan pn, resapan elektron dalam pes perak dan lubang dalam seramik YBCO akan membentuk medan elektrik dalaman yang menghala ke seramik YBCO di antara muka (Rajah 1h). Medan dalaman inilah yang memberikan daya pemisahan dan membawa kepada Voc positif dan Isc negatif untuk sistem tampal YBCO-Ag pada suhu bilik, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1e. Sebagai alternatif, Ag-YBCO boleh membentuk persimpangan Schottky jenis-p yang juga membawa kepada potensi antara muka dengan kekutuban yang sama seperti dalam model yang dibentangkan di atas24.
Untuk menyiasat proses evolusi terperinci bagi sifat fotovoltaik semasa peralihan superkonduktor YBCO, lengkung IV sampel pada 80 K diukur dengan intensiti laser terpilih yang menerangi pada elektrod katod (Rajah 2). Tanpa penyinaran laser, voltan merentasi sampel kekal pada sifar tanpa mengira arus, menunjukkan keadaan superkonduktor sampel pada 80 K (Rajah 2a). Sama seperti data yang diperoleh pada 50 K, lengkung IV selari dengan paksi-I bergerak ke bawah dengan peningkatan intensiti laser sehingga nilai kritikal Pc dicapai. Di atas keamatan laser kritikal (Pc) ini, superkonduktor mengalami peralihan daripada fasa superkonduktor kepada fasa perintang; voltan mula meningkat dengan arus kerana penampilan rintangan dalam superkonduktor. Akibatnya, lengkung IV mula bersilang dengan paksi-I dan paksi V yang membawa kepada Voc negatif dan Isc positif pada mulanya. Kini sampel nampaknya berada dalam keadaan istimewa di mana kekutuban Voc dan Isc sangat sensitif kepada keamatan cahaya; dengan peningkatan yang sangat kecil dalam keamatan cahaya Isc ditukar daripada positif kepada negatif dan Voc daripada negatif kepada nilai positif, melepasi asalan (kepekaan tinggi sifat fotovoltaik, terutamanya nilai Isc, kepada pencahayaan cahaya boleh dilihat dengan lebih jelas dalam Rajah. 2b). Pada keamatan laser tertinggi yang tersedia, lengkung IV berhasrat untuk selari antara satu sama lain, menandakan keadaan normal sampel YBCO.
Pusat titik laser diletakkan di sekeliling elektrod katod (lihat Rajah 1i). a, lengkung IV YBCO yang disinari dengan keamatan laser yang berbeza. b (atas), pergantungan keamatan laser voltan litar terbuka Voc dan arus litar pintas Isc. Nilai Isc tidak boleh diperolehi pada keamatan cahaya rendah ( < 110 mW/cm2) kerana lengkung IV adalah selari dengan paksi-I apabila sampel berada dalam keadaan superkonduktor. b (bawah), rintangan pembezaan sebagai fungsi keamatan laser.
Kebergantungan intensiti laser Voc dan Isc pada 80 K ditunjukkan dalam Rajah 2b (atas). Sifat fotovoltaik boleh dibincangkan dalam tiga kawasan keamatan cahaya. Rantau pertama adalah antara 0 dan Pc, di mana YBCO adalah superkonduktor, Voc adalah negatif dan berkurangan (nilai mutlak meningkat) dengan keamatan cahaya dan mencapai minimum pada Pc. Rantau kedua adalah dari Pc ke satu lagi keamatan kritikal P0, di mana Voc meningkat manakala Isc berkurangan dengan peningkatan keamatan cahaya dan kedua-duanya mencapai sifar pada P0. Rantau ketiga berada di atas P0 sehingga keadaan normal YBCO dicapai. Walaupun kedua-dua Voc dan Isc berbeza dengan keamatan cahaya dengan cara yang sama seperti di rantau 2, mereka mempunyai kekutuban bertentangan di atas keamatan kritikal P0. Kepentingan P0 terletak pada tiada kesan fotovoltaik dan mekanisme pemisahan cas berubah secara kualitatif pada titik tertentu ini. Sampel YBCO menjadi tidak konduktor super dalam julat keamatan cahaya ini tetapi keadaan normal masih belum dicapai.
Jelas sekali, ciri fotovoltaik sistem berkait rapat dengan superkonduktiviti YBCO dan peralihan superkonduktifnya. Rintangan pembezaan, dV/dI, YBCO ditunjukkan dalam Rajah 2b (bawah) sebagai fungsi keamatan laser. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, potensi elektrik terbina dalam antara muka disebabkan oleh titik resapan pasangan Cooper dari superkonduktor ke logam. Sama seperti yang diperhatikan pada 50 K, kesan fotovoltaik dipertingkatkan dengan peningkatan intensiti laser daripada 0 kepada Pc. Apabila keamatan laser mencapai nilai sedikit di atas Pc, lengkung IV mula condong dan rintangan sampel mula kelihatan, tetapi kekutuban potensi antara muka masih belum berubah. Kesan pengujaan optik pada superkonduktiviti telah disiasat di kawasan yang boleh dilihat atau berhampiran-IR. Walaupun proses asasnya adalah untuk memecahkan pasangan Cooper dan memusnahkan superkonduktiviti25,26, dalam beberapa kes peralihan superkonduktiviti boleh dipertingkatkan27,28,29, fasa baru superkonduktiviti juga boleh diinduksi30. Ketiadaan superkonduktiviti pada Pc boleh dikaitkan dengan pemecahan pasangan yang disebabkan oleh foto. Pada titik P0, potensi merentasi antara muka menjadi sifar, menunjukkan ketumpatan cas di kedua-dua belah antara muka mencapai tahap yang sama di bawah intensiti pencahayaan cahaya tertentu ini. Peningkatan selanjutnya dalam keamatan laser mengakibatkan lebih banyak pasangan Cooper dimusnahkan dan YBCO secara beransur-ansur diubah kembali kepada bahan jenis-p. Daripada resapan pasangan elektron dan Cooper, ciri antara muka kini ditentukan oleh resapan elektron dan lubang yang membawa kepada pembalikan kekutuban medan elektrik dalam antara muka dan seterusnya Voc positif (bandingkan Rajah.1d,h). Pada keamatan laser yang sangat tinggi, rintangan pembezaan YBCO tepu kepada nilai yang sepadan dengan keadaan normal dan kedua-dua Voc dan Isc cenderung berubah secara linear dengan keamatan laser (Rajah 2b). Pemerhatian ini mendedahkan bahawa penyinaran laser pada keadaan biasa YBCO tidak lagi akan mengubah kerintangannya dan ciri antara muka logam superkonduktor tetapi hanya meningkatkan kepekatan pasangan lubang elektron.
Untuk menyiasat kesan suhu pada sifat fotovoltaik, sistem superkonduktor logam telah disinari pada katod dengan laser biru intensiti 502 mW/cm2. Lengkung IV yang diperoleh pada suhu terpilih antara 50 dan 300 K diberikan dalam Rajah 3a. Voltan litar terbuka Voc, arus litar pintas Isc dan rintangan pembezaan kemudiannya boleh diperolehi daripada lengkung IV ini dan ditunjukkan dalam Rajah 3b. Tanpa pencahayaan cahaya, semua lengkung IV yang diukur pada suhu berbeza melepasi asalan seperti yang dijangkakan (inset Rajah 3a). Ciri IV berubah secara drastik dengan peningkatan suhu apabila sistem diterangi oleh pancaran laser yang agak kuat (502 mW/cm2). Pada suhu rendah lengkung IV adalah garis lurus selari dengan paksi-I dengan nilai negatif Voc. Lengkung ini bergerak ke atas dengan peningkatan suhu dan beransur-ansur bertukar menjadi garisan dengan cerun bukan sifar pada suhu kritikal Tcp (Rajah 3a (atas)). Nampaknya semua lengkung ciri IV berputar mengelilingi satu titik dalam kuadran ketiga. Voc meningkat daripada nilai negatif kepada positif manakala Isc menurun daripada nilai positif kepada negatif. Di atas suhu peralihan superkonduktor asal Tc YBCO, lengkung IV berubah agak berbeza dengan suhu (bawah Rajah 3a). Pertama, pusat putaran lengkung IV bergerak ke kuadran pertama. Kedua, Voc terus menurun dan Isc meningkat dengan peningkatan suhu (atas Rajah 3b). Ketiga, kecerunan lengkung IV meningkat secara linear dengan suhu menghasilkan pekali rintangan suhu positif untuk YBCO (bawah Rajah 3b).
Kebergantungan suhu ciri fotovoltaik untuk sistem tampal YBCO-Ag di bawah pencahayaan laser 502 mW/cm2.
Pusat titik laser diletakkan di sekeliling elektrod katod (lihat Rajah 1i). a, lengkung IV diperoleh dari 50 hingga 90 K (atas) dan dari 100 hingga 300 K (bawah) dengan kenaikan suhu masing-masing 5 K dan 20 K. Inset a menunjukkan ciri IV pada beberapa suhu dalam gelap. Semua lengkung melintasi titik asal. b, voltan litar terbuka Voc dan arus litar pintas Isc (atas) dan rintangan pembezaan, dV/dI, YBCO (bawah) sebagai fungsi suhu. Suhu peralihan superkonduktor rintangan sifar Tcp tidak diberikan kerana ia terlalu hampir dengan Tc0.
Tiga suhu kritikal boleh dikenalpasti daripada Rajah 3b: Tcp, di atasnya YBCO menjadi bukan konduktor super; Tc0, di mana kedua-dua Voc dan Isc menjadi sifar dan Tc, suhu peralihan superkonduktor permulaan asal YBCO tanpa penyinaran laser. Di bawah Tcp ~ 55 K, YBCO yang disinari laser berada dalam keadaan superkonduktor dengan kepekatan pasangan Cooper yang agak tinggi. Kesan penyinaran laser adalah untuk mengurangkan suhu peralihan superkonduktor rintangan sifar daripada 89 K kepada ~55 K (bawah Rajah 3b) dengan mengurangkan kepekatan pasangan Cooper di samping menghasilkan voltan dan arus fotovoltaik. Peningkatan suhu juga memecahkan pasangan Cooper yang membawa kepada potensi yang lebih rendah dalam antara muka. Akibatnya, nilai mutlak Voc akan menjadi lebih kecil, walaupun intensiti pencahayaan laser yang sama digunakan. Potensi antara muka akan menjadi lebih kecil dan lebih kecil dengan peningkatan suhu dan mencapai sifar pada Tc0. Tiada kesan fotovoltaik pada titik khas ini kerana tiada medan dalaman untuk memisahkan pasangan lubang elektron teraruh foto. Pembalikan kekutuban potensi berlaku di atas suhu kritikal ini kerana ketumpatan cas bebas dalam pes Ag adalah lebih besar daripada YBCO yang dipindahkan secara beransur-ansur kembali kepada bahan jenis-p. Di sini kami ingin menekankan bahawa pembalikan polariti Voc dan Isc berlaku serta-merta selepas peralihan superkonduktor rintangan sifar, tanpa mengira punca peralihan. Pemerhatian ini mendedahkan dengan jelas, buat kali pertama, korelasi antara superkonduktiviti dan kesan fotovoltaik yang berkaitan dengan potensi antara muka logam-superkonduktor. Sifat potensi ini merentasi antara muka logam superkonduktor-normal telah menjadi tumpuan penyelidikan sejak beberapa dekad yang lalu tetapi terdapat banyak soalan yang masih menunggu untuk dijawab. Pengukuran kesan fotovoltaik mungkin terbukti sebagai kaedah yang berkesan untuk meneroka butiran (seperti kekuatan dan kekutubannya dsb.) potensi penting ini dan dengan itu memberi penerangan tentang kesan kedekatan superkonduktor suhu tinggi.
Peningkatan selanjutnya dalam suhu dari Tc0 ke Tc membawa kepada kepekatan pasangan Cooper yang lebih kecil dan peningkatan dalam potensi antara muka dan seterusnya Voc yang lebih besar. Pada Tc kepekatan pasangan Cooper menjadi sifar dan potensi binaan pada antara muka mencapai maksimum, menghasilkan Voc maksimum dan Isc minimum. Peningkatan pesat Voc dan Isc (nilai mutlak) dalam julat suhu ini sepadan dengan peralihan superkonduktor yang diluaskan daripada ΔT ~ 3 K kepada ~34 K oleh penyinaran laser dengan intensiti 502 mW/cm2 (Rajah 3b). Dalam keadaan biasa di atas Tc, voltan litar terbuka Voc berkurangan dengan suhu (atas Rajah 3b), serupa dengan kelakuan linear Voc untuk sel suria biasa berdasarkan simpang pn31,32,33. Walaupun kadar perubahan Voc dengan suhu (−dVoc/dT), yang sangat bergantung pada keamatan laser, jauh lebih kecil daripada sel suria biasa, pekali suhu Voc untuk simpang YBCO-Ag mempunyai susunan magnitud yang sama seperti itu. daripada sel suria. Arus kebocoran simpang pn untuk peranti sel suria biasa meningkat dengan peningkatan suhu, membawa kepada penurunan dalam Voc apabila suhu meningkat. Lengkung IV linear yang diperhatikan untuk sistem superkonduktor Ag ini, disebabkan pertama sekali potensi antara muka yang sangat kecil dan kedua sambungan belakang-ke-belakang kedua-dua heterojunctions, menjadikannya sukar untuk menentukan arus bocor. Walau bagaimanapun, ia berkemungkinan besar bahawa pergantungan suhu yang sama bagi arus kebocoran bertanggungjawab untuk tingkah laku Voc yang diperhatikan dalam eksperimen kami. Mengikut definisi, Isc ialah arus yang diperlukan untuk menghasilkan voltan negatif untuk mengimbangi Voc supaya jumlah voltan adalah sifar. Apabila suhu meningkat, Voc menjadi lebih kecil sehingga kurang arus diperlukan untuk menghasilkan voltan negatif. Tambahan pula, rintangan YBCO meningkat secara linear dengan suhu di atas Tc (bawah Rajah 3b), yang juga menyumbang kepada nilai mutlak Isc yang lebih kecil pada suhu tinggi.
Perhatikan bahawa keputusan yang diberikan dalam Rajah 2,3 diperoleh dengan penyinaran laser di kawasan sekitar elektrod katod. Pengukuran juga telah diulang dengan titik laser diposisikan pada anod dan ciri-ciri IV yang serupa dan sifat fotovoltaik telah diperhatikan kecuali kekutuban Voc dan Isc telah diterbalikkan dalam kes ini. Semua data ini membawa kepada mekanisme untuk kesan fotovoltaik, yang berkait rapat dengan antara muka superkonduktor-logam.
Ringkasnya, ciri IV sistem tampal YBCO-Ag superkonduktor sinaran laser telah diukur sebagai fungsi suhu dan keamatan laser. Kesan fotovoltan yang luar biasa telah diperhatikan dalam julat suhu dari 50 hingga 300 K. Didapati bahawa sifat fotovoltaik berkorelasi kuat dengan superkonduktiviti seramik YBCO. Pembalikan kekutuban Voc dan Isc berlaku serta-merta selepas peralihan superkonduktor teraruh foto kepada peralihan bukan superkonduktor. Kebergantungan suhu Voc dan Isc yang diukur pada keamatan laser tetap menunjukkan juga pembalikan kekutuban yang berbeza pada suhu kritikal di atas sampel menjadi rintangan. Dengan mencari tempat laser pada bahagian sampel yang berlainan, kami menunjukkan bahawa wujud potensi elektrik di antara muka, yang memberikan daya pemisahan untuk pasangan lubang elektron yang disebabkan oleh foto. Potensi antara muka ini menghala dari YBCO ke elektrod logam apabila YBCO adalah superkonduktor dan bertukar ke arah yang bertentangan apabila sampel menjadi bukan superkonduktor. Asal potensi mungkin secara semula jadi dikaitkan dengan kesan kedekatan pada antara muka logam-superkonduktor apabila YBCO adalah superkonduktor dan dianggarkan ~10−8 mV pada 50 K dengan intensiti laser 502 mW/cm2. Sentuhan bahan jenis-p YBCO pada keadaan biasa dengan bahan jenis-n Ag-tampal membentuk simpang kuasi-pn yang bertanggungjawab untuk kelakuan fotovoltaik seramik YBCO pada suhu tinggi. Pemerhatian di atas memberi penerangan tentang kesan PV dalam seramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan kepada aplikasi baharu dalam peranti optoelektronik seperti pengesan cahaya pasif pantas dan pengesan foton tunggal.
Eksperimen kesan fotovoltaik dilakukan pada sampel seramik YBCO dengan ketebalan 0.52 mm dan 8.64 × 2.26 mm2 bentuk segi empat tepat dan diterangi oleh laser biru gelombang berterusan (λ = 450 nm) dengan saiz bintik laser 1.25 mm dalam jejari. Menggunakan sampel filem pukal dan bukannya nipis membolehkan kita mengkaji sifat fotovoltaik superkonduktor tanpa perlu berurusan dengan pengaruh kompleks substrat6,7. Selain itu, bahan pukal boleh menjadi kondusif untuk prosedur penyediaannya yang mudah dan kos yang agak rendah. Wayar plumbum kuprum disatukan pada sampel YBCO dengan pes perak membentuk empat elektrod bulat kira-kira 1 mm diameter. Jarak antara dua elektrod voltan adalah kira-kira 5 mm. Ciri IV sampel diukur menggunakan magnetometer sampel getaran (VersaLab, Reka Bentuk Kuantum) dengan tingkap kristal kuarza. Kaedah empat wayar standard digunakan untuk mendapatkan lengkung IV. Kedudukan relatif elektrod dan titik laser ditunjukkan dalam Rajah 1i.
Cara memetik rencana ini: Yang, F. et al. Asal kesan fotovoltan dalam seramik YBa2Cu3O6.96 superkonduktor. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, Voltan teraruh laser terlarang simetri LR dalam YBa2Cu3O7 . Fizik. Wahyu B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asal-usul isyarat fotovoltaik anomali dalam Y-Ba-Cu-O. Fizik. Wahyu B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pengukuran voltan teraruh laser bagi superkonduktor Bi-Sr-Ca-Cu-O. Fizik. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Voltan teraruh laser sementara dalam filem suhu bilik YBa2Cu3O7-x . J. Appl. Fizik. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Tindak balas fotovoltaik anomali dalam YBa2Cu3O7 . Fizik. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Suntikan pembawa lubang fotojanaan kepada YBa2Cu3O7−x dalam heterostruktur oksida. Appl. Fizik. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Kajian pelepasan foto filem nipis YBa2Cu3Oy di bawah pencahayaan cahaya. Fizik. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Kesan fotovoltaik YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction disepuhlindapan dalam tekanan separa oksigen yang berbeza. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Struktur Dua Jurang dalam hablur tunggal Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamik kelonggaran kuasipartikel dalam superkonduktor dengan struktur jurang yang berbeza: Teori dan eksperimen pada YBa2Cu3O7-δ . Fizik. Wahyu B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Sifat pembetulan YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Appl. Fizik. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Penyerapan eksitonik dan superkonduktiviti dalam YBa2Cu3O7-δ . Fizik. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Kekonduksian teraruh foto sementara dalam kristal tunggal semikonduktor YBa2Cu3O6.3: cari keadaan logam teraruh foto dan superkonduktiviti teraruh foto. Komuniti Keadaan Pepejal. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Model Terowong bagi kesan kedekatan superkonduktor. Fizik. Wahyu 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Kesan kedekatan superkonduktor disiasat pada skala panjang mesoskopik. Fizik. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Kesan kedekatan dengan superkonduktor tidak simetri. Fizik. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Kesan kedekatan superkonduktor yang kuat dalam struktur hibrid Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Fotosel simpang pn silikon baharu untuk menukar sinaran suria kepada kuasa elektrik. J. Apl. Fizik. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Kesan kekotoran pada panjang koheren superkonduktor dalam hablur tunggal YBa2Cu3O6.9 Zn- atau Ni-doped. Fizik. Wahyu B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Rintangan magnet bagi hablur tunggal YBa2Cu3Oy Tak Bertwin dalam pelbagai jenis doping: pergantungan doping lubang anomali pada panjang koheren. Fizik. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematics dalam kuasa termoelektrik T tinggi, oksida. Fizik. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Peralihan momentum bergantung kepada ketumpatan pembawa puncak koheren dan mod fonon LO dalam superkonduktor Tc tinggi jenis p. Fizik. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Pengurangan lubang dan pengumpulan elektron dalam filem nipis YBa2Cu3Oy menggunakan teknik elektrokimia: Bukti bagi keadaan logam jenis-n. Fizik. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizik dan kimia ketinggian halangan Schottky. Appl. Fizik. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Kesan Pemecahan Pasangan Luar Dinamik dalam Filem Superkonduktor. Fizik. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Peningkatan superkonduktiviti akibat foto. Appl. Fizik. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Fotokonduktiviti berterusan dalam filem YBa2Cu3O6+x sebagai kaedah fotodoping ke arah fasa logam dan superkonduktor. Fizik. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Dinamik kekisi tak linear sebagai asas untuk superkonduktiviti dipertingkatkan dalam YBa2Cu3O6.5 . Alam 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Superkonduktiviti akibat cahaya dalam cuprate tersusun jalur. Sains 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Kebergantungan fungsi suhu VOC untuk sel suria berhubung dengan pendekatan baharu kecekapannya. Penyahgaraman 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Kesan suhu dalam sel suria silikon penghalang Schottky. Appl. Fizik. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Ketergantungan suhu untuk parameter peranti fotovoltaik sel suria polimer-fullerena di bawah keadaan operasi. J. Appl. Fizik. 90, 5343–5350 (2002).
Kerja ini telah disokong oleh Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China (No. Geran 60571063), Projek Penyelidikan Asas Wilayah Henan, China (No. Geran 122300410231).
FY menulis teks kertas dan MYH menyediakan sampel seramik YBCO. FY dan MYH melakukan eksperimen dan menganalisis keputusan. FGC mengetuai projek dan tafsiran saintifik data. Semua pengarang menyemak manuskrip.
Kerja ini dilesenkan di bawah Lesen Antarabangsa Creative Commons Attribution 4.0. Imej atau bahan pihak ketiga lain dalam artikel ini disertakan dalam lesen Creative Commons artikel itu, melainkan dinyatakan sebaliknya dalam garis kredit; jika bahan tersebut tidak disertakan di bawah lesen Creative Commons, pengguna perlu mendapatkan kebenaran daripada pemegang lesen untuk menghasilkan semula bahan tersebut. Untuk melihat salinan lesen ini, lawati http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asal kesan fotovoltan dalam seramik YBa2Cu3O6.96 superkonduktor. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Dengan menyerahkan ulasan anda bersetuju untuk mematuhi Terma dan Garis Panduan Komuniti kami. Jika anda mendapati sesuatu yang kesat atau yang tidak mematuhi terma atau garis panduan kami, sila tandakan ia sebagai tidak sesuai.
Masa siaran: Apr-22-2020