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Relatamos notável efeito fotovoltaico na cerâmica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 e 300 K induzido pela iluminação laser azul, que está diretamente relacionada à supercondutividade do YBCO e à interface YBCO-eletrodo metálico. Há uma inversão de polaridade para a tensão de circuito aberto Voc e para a corrente de curto-circuito Isc quando YBCO sofre uma transição do estado supercondutor para o estado resistivo. Mostramos que existe um potencial elétrico através da interface supercondutor-metal normal, que fornece a força de separação para os pares elétron-buraco foto-induzidos. Este potencial de interface direciona do YBCO para o eletrodo metálico quando o YBCO é supercondutor e muda para a direção oposta quando o YBCO se torna não supercondutor. A origem do potencial pode ser prontamente associada ao efeito de proximidade na interface metal-supercondutor quando o YBCO é supercondutor e seu valor é estimado em ~10–8 mV a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm2. A combinação de um material tipo p YBCO no estado normal com um material tipo n Ag-paste forma uma junção quase-pn que é responsável pelo comportamento fotovoltaico da cerâmica YBCO em altas temperaturas. Nossas descobertas podem abrir caminho para novas aplicações de dispositivos eletrônicos de fótons e lançar mais luz sobre o efeito de proximidade na interface supercondutor-metal.
A voltagem fotoinduzida em supercondutores de alta temperatura foi relatada no início da década de 1990 e extensivamente investigada desde então, mas sua natureza e mecanismo permanecem incertos . Os filmes finos YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, em particular, são intensamente estudados na forma de células fotovoltaicas (PV) devido ao seu gap de energia ajustável9,10,11,12,13. No entanto, a alta resistência do substrato sempre leva a uma baixa eficiência de conversão do dispositivo e mascara as propriedades fotovoltaicas primárias do YBCO8. Aqui relatamos notável efeito fotovoltaico induzido por iluminação com laser azul (λ = 450 nm) em cerâmica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 e 300 K (Tc ~ 90 K). Mostramos que o efeito PV está diretamente relacionado à supercondutividade do YBCO e à natureza da interface YBCO-eletrodo metálico. Há uma inversão de polaridade para a tensão de circuito aberto Voc e a corrente de curto-circuito Isc quando YBCO sofre uma transição da fase supercondutora para um estado resistivo. É proposto que existe um potencial elétrico através da interface supercondutor-metal normal, que fornece a força de separação para os pares elétron-buraco foto-induzidos. Este potencial de interface direciona do YBCO para o eletrodo metálico quando o YBCO é supercondutor e muda para a direção oposta quando a amostra se torna não supercondutora. A origem do potencial pode estar naturalmente associada ao efeito de proximidade na interface metal-supercondutor quando YBCO é supercondutor e seu valor é estimado em ~ 10 -8 mV a 50 K com intensidade de laser de 502 mW /cm2. A combinação de um material tipo p YBCO no estado normal com um material tipo n Ag-paste forma, muito provavelmente, uma junção quase-pn que é responsável pelo comportamento PV da cerâmica YBCO em altas temperaturas. Nossas observações lançam mais luz sobre a origem do efeito fotovoltaico em cerâmicas YBCO supercondutoras de alta temperatura e abrem caminho para sua aplicação em dispositivos optoeletrônicos, como detector de luz passivo rápido, etc.
A Figura 1a-c mostra que as características IV da amostra de cerâmica YBCO a 50 K. Sem iluminação luminosa, a tensão na amostra permanece em zero com a mudança de corrente, como pode ser esperado de um material supercondutor. O efeito fotovoltaico óbvio aparece quando o feixe de laser é direcionado ao cátodo (Fig. 1a): as curvas IV paralelas ao eixo I movem-se para baixo com o aumento da intensidade do laser. É evidente que existe uma tensão foto-induzida negativa mesmo sem qualquer corrente (frequentemente chamada de tensão de circuito aberto Voc). A inclinação zero da curva IV indica que a amostra ainda é supercondutora sob iluminação laser.
(a – c) e 300 K (por exemplo). Os valores de V(I) foram obtidos varrendo a corrente de −10 mA a +10 mA no vácuo. Apenas parte dos dados experimentais é apresentada por uma questão de clareza. a, Características de corrente-tensão do YBCO medidas com ponto de laser posicionado no cátodo (i). Todas as curvas IV são linhas retas horizontais indicando que a amostra ainda é supercondutora com irradiação laser. A curva desce com o aumento da intensidade do laser, indicando que existe um potencial negativo (Voc) entre os dois terminais de tensão, mesmo com corrente zero. As curvas IV permanecem inalteradas quando o laser é direcionado ao centro da amostra em éter 50 K (b) ou 300 K (f). A linha horizontal sobe à medida que o ânodo é iluminado (c). Um modelo esquemático da junção metal-supercondutor a 50 K é mostrado em d. As características de corrente-tensão do estado normal YBCO a 300 K medidas com feixe de laser apontado para o cátodo e o ânodo são fornecidas em e e g, respectivamente. Em contraste com os resultados a 50 K, a inclinação diferente de zero das linhas retas indica que YBCO está no estado normal; os valores de Voc variam com a intensidade da luz na direção oposta, indicando um mecanismo diferente de separação de carga. Uma possível estrutura de interface a 300 K é representada em hj A imagem real da amostra com terminais.
O YBCO rico em oxigênio no estado supercondutor pode absorver quase todo o espectro da luz solar devido ao seu intervalo de energia muito pequeno (Eg) , criando assim pares elétron-buraco (e – h). Para produzir uma tensão de circuito aberto Voc por absorção de fótons, é necessário separar espacialmente os pares eh fotogerados antes que ocorra a recombinação . O Voc negativo, em relação ao cátodo e ao ânodo, como indicado na Fig. 1i, sugere que existe um potencial elétrico através da interface metal-supercondutor, que varre os elétrons para o ânodo e os buracos para o cátodo. Se for este o caso, também deverá haver um potencial apontando do supercondutor para o eletrodo metálico no ânodo. Consequentemente, um Voc positivo seria obtido se a área da amostra próxima ao ânodo estivesse iluminada. Além disso, não deve haver tensões foto-induzidas quando o ponto do laser estiver apontado para áreas distantes dos eletrodos. É certamente o caso, como pode ser visto na Fig. 1b,c!.
Quando o ponto de luz se move do eletrodo catódico para o centro da amostra (cerca de 1,25 mm de distância das interfaces), nenhuma variação das curvas IV e nenhum Voc pode ser observada com o aumento da intensidade do laser até o valor máximo disponível (Fig. 1b) . Naturalmente, este resultado pode ser atribuído à vida útil limitada dos portadores foto-induzidos e à falta de força de separação na amostra. Pares elétron-buraco podem ser criados sempre que a amostra é iluminada, mas a maioria dos pares e-h serão aniquilados e nenhum efeito fotovoltaico será observado se o ponto do laser cair em áreas distantes de qualquer um dos eletrodos. Movendo o ponto do laser para os eletrodos anódicos, as curvas IV paralelas ao eixo I movem-se para cima com o aumento da intensidade do laser (Fig. 1c). Existe um campo elétrico embutido semelhante na junção metal-supercondutor no ânodo. No entanto, desta vez o eletrodo metálico se conecta ao terminal positivo do sistema de teste. Os buracos produzidos pelo laser são empurrados para o ânodo e assim um Voc positivo é observado. Os resultados aqui apresentados fornecem fortes evidências de que existe de fato um potencial de interface apontando do supercondutor para o eletrodo metálico.
O efeito fotovoltaico na cerâmica YBa2Cu3O6.96 a 300 K é mostrado na Fig. Sem iluminação luminosa, a curva IV da amostra é uma linha reta que cruza a origem. Esta linha reta se move para cima paralelamente à original com o aumento da intensidade do laser irradiando nos terminais do cátodo (Fig. 1e). Existem dois casos limites de interesse para um dispositivo fotovoltaico. A condição de curto-circuito ocorre quando V = 0. A corrente neste caso é chamada de corrente de curto-circuito (Isc). O segundo caso limite é a condição de circuito aberto (Voc) que ocorre quando R→∞ ou a corrente é zero. A Figura 1e mostra claramente que Voc é positivo e aumenta com o aumento da intensidade da luz, em contraste com o resultado obtido a 50 K; enquanto se observa que um Isc negativo aumenta em magnitude com a iluminação leve, um comportamento típico de células solares normais.
Da mesma forma, quando o feixe de laser é apontado para áreas distantes dos eletrodos, a curva V (I) é independente da intensidade do laser e não há efeito fotovoltaico (Fig. 1f). Semelhante à medição a 50 K, as curvas IV movem-se para a direção oposta à medida que o eletrodo anódico é irradiado (Fig. 1g). Todos estes resultados obtidos para este sistema de pasta YBCO-Ag a 300 K com laser irradiado em diferentes posições da amostra são consistentes com um potencial de interface oposto ao observado a 50 K.
A maioria dos elétrons condensa-se em pares de Cooper no YBCO supercondutor abaixo de sua temperatura de transição Tc. Enquanto no eletrodo metálico, todos os elétrons permanecem na forma singular. Há um grande gradiente de densidade tanto para elétrons singulares quanto para pares de Cooper nas proximidades da interface metal-supercondutor. Os elétrons singulares portadores majoritários no material metálico se difundirão na região do supercondutor, enquanto os pares de Cooper portadores majoritários na região YBCO se difundirão na região metálica. À medida que pares de Cooper carregando mais cargas e tendo maior mobilidade do que os elétrons singulares se difundem do YBCO para a região metálica, átomos carregados positivamente são deixados para trás, resultando em um campo elétrico na região de carga espacial. A direção deste campo elétrico é mostrada no diagrama esquemático da Fig. A iluminação incidente de fótons perto da região de carga espacial pode criar pares eh que serão separados e varridos, produzindo uma fotocorrente na direção de polarização reversa. Assim que os elétrons saem do campo elétrico incorporado, eles são condensados em pares e fluem para o outro eletrodo sem resistência. Neste caso, o Voc é oposto à polaridade pré-definida e apresenta um valor negativo quando o feixe de laser aponta para a área ao redor do eletrodo negativo. A partir do valor de Voc, o potencial através da interface pode ser estimado: a distância entre os dois condutores de tensão d é ~5 × 10−3 m, a espessura da interface metal-supercondutor, di, deve ser da mesma ordem de grandeza como o comprimento de coerência do supercondutor YBCO (~ 1 nm) , tome o valor de Voc = 0, 03 mV, o potencial Vms na interface metal-supercondutor é avaliado como sendo ~10−11 V a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm2, usando a equação,
Queremos enfatizar aqui que a tensão fotoinduzida não pode ser explicada pelo efeito fototérmico. Foi estabelecido experimentalmente que o coeficiente de Seebeck do supercondutor YBCO é Ss = 021. O coeficiente de Seebeck para fios condutores de cobre está na faixa de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. A temperatura do fio de cobre no ponto do laser pode ser aumentada em uma pequena quantidade de 0,06 K com intensidade máxima do laser disponível em 50 K. Isso poderia produzir um potencial termoelétrico de 6,9 × 10−8 V, que é três ordens de magnitude menor que o Voc obtido na Figura 1 (a). É evidente que o efeito termoelétrico é muito pequeno para explicar os resultados experimentais. Na verdade, a variação de temperatura devido à irradiação laser desapareceria em menos de um minuto, de modo que a contribuição do efeito térmico pode ser ignorada com segurança.
Este efeito fotovoltaico do YBCO à temperatura ambiente revela que um mecanismo diferente de separação de carga está envolvido aqui. O YBCO supercondutor no estado normal é um material do tipo p com furos como transportadores de carga , enquanto a pasta Ag metálica possui características de um material do tipo n. Semelhante às junções pn, a difusão de elétrons na pasta de prata e buracos na cerâmica YBCO formará um campo elétrico interno apontando para a cerâmica YBCO na interface (Fig. 1h). É este campo interno que fornece a força de separação e leva a um Voc positivo e Isc negativo para o sistema de pasta YBCO-Ag à temperatura ambiente, como mostrado na Fig. Alternativamente, Ag-YBCO poderia formar uma junção Schottky tipo p que também leva a um potencial de interface com a mesma polaridade do modelo apresentado acima .
Para investigar o processo detalhado de evolução das propriedades fotovoltaicas durante a transição supercondutora do YBCO, curvas IV da amostra a 80 K foram medidas com intensidades de laser selecionadas iluminando o eletrodo catódico (Fig. 2). Sem irradiação laser, a tensão através da amostra mantém-se em zero, independentemente da corrente, indicando o estado supercondutor da amostra a 80 K (Fig. 2a). Semelhante aos dados obtidos a 50 K, as curvas IV paralelas ao eixo I movem-se para baixo com o aumento da intensidade do laser até que um valor crítico Pc seja alcançado. Acima desta intensidade crítica do laser (Pc), o supercondutor sofre uma transição de uma fase supercondutora para uma fase resistiva; a tensão começa a aumentar com a corrente devido ao aparecimento de resistência no supercondutor. Como resultado, a curva IV começa a cruzar com o eixo I e o eixo V, levando inicialmente a um Voc negativo e a um Isc positivo. Agora a amostra parece estar num estado especial em que a polaridade de Voc e Isc é extremamente sensível à intensidade da luz; com um aumento muito pequeno na intensidade da luz Isc é convertido de positivo para negativo e Voc de negativo para positivo, passando pela origem (a alta sensibilidade das propriedades fotovoltaicas, particularmente o valor de Isc, à iluminação luminosa pode ser vista mais claramente na Fig. 2b). Na intensidade de laser mais alta disponível, as curvas IV pretendem ser paralelas entre si, significando o estado normal da amostra YBCO.
O centro do ponto laser está posicionado ao redor dos eletrodos catódicos (ver Fig. 1i). a, curvas IV de YBCO irradiado com diferentes intensidades de laser. b (topo), Dependência da intensidade do laser da tensão de circuito aberto Voc e da corrente de curto-circuito Isc. Os valores de Isc não podem ser obtidos com baixa intensidade de luz (<110 mW/cm2) porque as curvas IV são paralelas ao eixo I quando a amostra está em estado supercondutor. b (parte inferior), resistência diferencial em função da intensidade do laser.
A dependência da intensidade do laser de Voc e Isc a 80 K é mostrada na Fig. As propriedades fotovoltaicas podem ser discutidas em três regiões de intensidade de luz. A primeira região está entre 0 e Pc, na qual YBCO é supercondutor, Voc é negativo e diminui (o valor absoluto aumenta) com a intensidade da luz e atingindo um mínimo em Pc. A segunda região vai de Pc até outra intensidade crítica P0, na qual Voc aumenta enquanto Isc diminui com o aumento da intensidade luminosa e ambos chegam a zero em P0. A terceira região está acima de P0 até que o estado normal de YBCO seja alcançado. Embora Voc e Isc variem com a intensidade da luz da mesma forma que na região 2, eles têm polaridade oposta acima da intensidade crítica P0. A importância de P0 reside no fato de não haver efeito fotovoltaico e o mecanismo de separação de carga mudar qualitativamente neste ponto específico. A amostra YBCO torna-se não supercondutora nesta faixa de intensidade de luz, mas o estado normal ainda não foi alcançado.
Claramente, as características fotovoltaicas do sistema estão intimamente relacionadas com a supercondutividade do YBCO e sua transição supercondutora. A resistência diferencial, dV/dI, do YBCO é mostrada na Fig. 2b (parte inferior) em função da intensidade do laser. Como mencionado anteriormente, o potencial elétrico incorporado na interface devido aos pontos de difusão do par de Cooper do supercondutor para o metal. Semelhante ao observado a 50 K, o efeito fotovoltaico é aumentado com o aumento da intensidade do laser de 0 a Pc. Quando a intensidade do laser atinge um valor ligeiramente acima de Pc, a curva IV começa a se inclinar e a resistência da amostra começa a aparecer, mas a polaridade do potencial de interface ainda não foi alterada. O efeito da excitação óptica na supercondutividade foi investigado na região do visível ou do infravermelho próximo. Embora o processo básico seja quebrar os pares de Cooper e destruir a supercondutividade25,26, em alguns casos a transição da supercondutividade pode ser melhorada27,28,29, novas fases de supercondutividade podem até ser induzidas30. A ausência de supercondutividade em Pc pode ser atribuída à quebra de pares foto-induzida. No ponto P0, o potencial através da interface torna-se zero, indicando que a densidade de carga em ambos os lados da interface atinge o mesmo nível sob esta intensidade particular de iluminação luminosa. O aumento adicional na intensidade do laser resulta na destruição de mais pares de Cooper e o YBCO é gradualmente transformado de volta em um material do tipo p. Em vez da difusão de elétrons e pares de Cooper, a característica da interface é agora determinada pela difusão de elétrons e buracos, o que leva a uma inversão de polaridade do campo elétrico na interface e, conseqüentemente, a um Voc positivo (compare Fig.1d, h). Em intensidade de laser muito alta, a resistência diferencial do YBCO satura a um valor correspondente ao estado normal e tanto Voc quanto Isc tendem a variar linearmente com a intensidade do laser (Fig. 2b). Esta observação revela que a irradiação do laser no estado normal do YBCO não alterará mais sua resistividade e a característica da interface supercondutor-metal, mas apenas aumentará a concentração dos pares elétron-buraco.
Para investigar o efeito da temperatura nas propriedades fotovoltaicas, o sistema metal-supercondutor foi irradiado no cátodo com laser azul de intensidade 502 mW/cm2. Curvas IV obtidas em temperaturas selecionadas entre 50 e 300 K são apresentadas na Fig. A tensão de circuito aberto Voc, a corrente de curto-circuito Isc e a resistência diferencial podem então ser obtidas a partir dessas curvas IV e são mostradas na Fig. Sem iluminação luminosa, todas as curvas IV medidas em diferentes temperaturas passam pela origem conforme esperado (inserção da Fig. 3a). As características IV mudam drasticamente com o aumento da temperatura quando o sistema é iluminado por um feixe de laser relativamente forte (502 mW/cm2). Em baixas temperaturas as curvas IV são linhas retas paralelas ao eixo I com valores negativos de Voc. Esta curva se move para cima com o aumento da temperatura e gradualmente se transforma em uma linha com inclinação diferente de zero a uma temperatura crítica Tcp (Fig. 3a (topo)). Parece que todas as curvas características IV giram em torno de um ponto no terceiro quadrante. Voc aumenta de um valor negativo para um valor positivo enquanto Isc diminui de um valor positivo para um valor negativo. Acima da temperatura de transição supercondutora original Tc do YBCO, a curva IV muda de maneira bastante diferente com a temperatura (parte inferior da Fig. 3a). Primeiramente, o centro de rotação das curvas IV move-se para o primeiro quadrante. Em segundo lugar, Voc continua diminuindo e Isc aumentando com o aumento da temperatura (parte superior da Fig. 3b). Em terceiro lugar, a inclinação das curvas IV aumenta linearmente com a temperatura, resultando em um coeficiente de resistência de temperatura positivo para YBCO (parte inferior da Fig. 3b).
Dependência da temperatura das características fotovoltaicas para sistema de pasta YBCO-Ag sob iluminação laser de 502 mW/cm2.
O centro do ponto laser está posicionado ao redor dos eletrodos catódicos (ver Fig. 1i). a, curvas IV obtidas de 50 a 90 K (superior) e de 100 a 300 K (inferior) com incremento de temperatura de 5 K e 20 K, respectivamente. A inserção a mostra características IV em diversas temperaturas no escuro. Todas as curvas cruzam o ponto de origem. b, tensão de circuito aberto Voc e corrente de curto-circuito Isc (parte superior) e a resistência diferencial, dV/dI, de YBCO (parte inferior) em função da temperatura. A temperatura de transição supercondutora com resistência zero Tcp não é fornecida porque está muito próxima de Tc0.
Três temperaturas críticas podem ser reconhecidas na Fig. 3b: Tcp, acima da qual YBCO torna-se não supercondutor; Tc0, no qual Voc e Isc se tornam zero e Tc, a temperatura de transição supercondutora de início original de YBCO sem irradiação laser. Abaixo de Tcp ~ 55 K, o YBCO irradiado com laser está em estado supercondutor com concentração relativamente alta de pares de Cooper. O efeito da irradiação a laser é reduzir a temperatura de transição supercondutora de resistência zero de 89 K para ~ 55 K (parte inferior da Fig. 3b), reduzindo a concentração do par de Cooper, além de produzir tensão e corrente fotovoltaica. O aumento da temperatura também quebra os pares de Cooper, levando a um potencial mais baixo na interface. Consequentemente, o valor absoluto de Voc se tornará menor, embora seja aplicada a mesma intensidade de iluminação do laser. O potencial de interface se tornará cada vez menor com o aumento da temperatura e atingirá zero em Tc0. Não há efeito fotovoltaico neste ponto especial porque não há campo interno para separar os pares elétron-buraco foto-induzidos. Uma inversão de polaridade do potencial ocorre acima desta temperatura crítica, pois a densidade de carga livre na pasta Ag é maior que a do YBCO, que é gradualmente transferida de volta para um material do tipo p. Queremos enfatizar aqui que a inversão de polaridade de Voc e Isc ocorre imediatamente após a transição supercondutora de resistência zero, independentemente da causa da transição. Esta observação revela claramente, pela primeira vez, a correlação entre a supercondutividade e os efeitos fotovoltaicos associados ao potencial da interface metal-supercondutor. A natureza deste potencial através da interface supercondutor-metal normal tem sido um foco de pesquisa nas últimas décadas, mas há muitas questões ainda esperando para serem respondidas. A medição do efeito fotovoltaico pode revelar-se um método eficaz para explorar os detalhes (tais como a sua força e polaridade, etc.) deste importante potencial e, portanto, lançar luz sobre o efeito de proximidade supercondutor de alta temperatura.
Um aumento adicional na temperatura de Tc0 para Tc leva a uma menor concentração de pares de Cooper e a um aumento no potencial de interface e, consequentemente, a um Voc maior. Em Tc a concentração do par de Cooper torna-se zero e o potencial incorporado na interface atinge um máximo, resultando em Voc máximo e Isc mínimo. O rápido aumento de Voc e Isc (valor absoluto) nesta faixa de temperatura corresponde à transição supercondutora que é ampliada de ΔT ~ 3 K para ~ 34 K por irradiação laser de intensidade 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Nos estados normais acima de Tc, a tensão de circuito aberto Voc diminui com a temperatura (parte superior da Fig. 3b), semelhante ao comportamento linear de Voc para células solares normais baseadas em junções pn . Embora a taxa de mudança de Voc com a temperatura (−dVoc/dT), que depende fortemente da intensidade do laser, seja muito menor que a das células solares normais, o coeficiente de temperatura de Voc para a junção YBCO-Ag tem a mesma ordem de grandeza que aquela das células solares. A corrente de fuga de uma junção pn para um dispositivo de célula solar normal aumenta com o aumento da temperatura, levando a uma diminuição no Voc à medida que a temperatura aumenta. As curvas IV lineares observadas para este sistema supercondutor Ag, devido, em primeiro lugar, ao potencial de interface muito pequeno e, em segundo lugar, à conexão costas com costas das duas heterojunções, dificultam a determinação da corrente de fuga. No entanto, parece muito provável que a mesma dependência da corrente de fuga com a temperatura seja responsável pelo comportamento de Voc observado em nosso experimento. De acordo com a definição, Isc é a corrente necessária para produzir uma tensão negativa para compensar Voc de forma que a tensão total seja zero. À medida que a temperatura aumenta, Voc torna-se menor, de modo que é necessária menos corrente para produzir a tensão negativa. Além disso, a resistência do YBCO aumenta linearmente com a temperatura acima de Tc (parte inferior da Fig. 3b), o que também contribui para o menor valor absoluto de Isc em altas temperaturas.
Observe que os resultados apresentados nas Figuras 2.3 são obtidos pela irradiação do laser na área ao redor dos eletrodos catódicos. As medições também foram repetidas com o ponto de laser posicionado no ânodo e características IV e propriedades fotovoltaicas semelhantes foram observadas, exceto que a polaridade de Voc e Isc foi invertida neste caso. Todos esses dados levam a um mecanismo para o efeito fotovoltaico, que está intimamente relacionado à interface metal-supercondutor.
Em resumo, as características IV do sistema de pasta YBCO-Ag supercondutor irradiado com laser foram medidas como funções da temperatura e da intensidade do laser. Notável efeito fotovoltaico foi observado na faixa de temperatura de 50 a 300 K. Verifica-se que as propriedades fotovoltaicas se correlacionam fortemente com a supercondutividade da cerâmica YBCO. Uma inversão de polaridade de Voc e Isc ocorre imediatamente após a transição foto-induzida de supercondutor para não supercondutor. A dependência da temperatura de Voc e Isc medida em intensidade de laser fixa mostra também uma inversão de polaridade distinta a uma temperatura crítica acima da qual a amostra se torna resistiva. Ao localizar o ponto do laser em diferentes partes da amostra, mostramos que existe um potencial elétrico através da interface, que fornece a força de separação para os pares elétron-buraco foto-induzidos. Este potencial de interface direciona do YBCO para o eletrodo metálico quando o YBCO é supercondutor e muda para a direção oposta quando a amostra se torna não supercondutora. A origem do potencial pode estar naturalmente associada ao efeito de proximidade na interface metal-supercondutor quando o YBCO é supercondutor e é estimado em ~10-8 mV a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm2. O contato de um material tipo p YBCO no estado normal com um material tipo n Ag-paste forma uma junção quase-pn que é responsável pelo comportamento fotovoltaico da cerâmica YBCO em altas temperaturas. As observações acima lançam luz sobre o efeito fotovoltaico em cerâmicas YBCO supercondutoras de alta temperatura e abrem caminho para novas aplicações em dispositivos optoeletrônicos, como detector de luz passivo rápido e detector de fóton único.
Os experimentos de efeito fotovoltaico foram realizados em uma amostra de cerâmica YBCO de 0,52 mm de espessura e formato retangular de 8,64 × 2,26 mm2 e iluminada por laser azul de onda contínua (λ = 450 nm) com tamanho de ponto de laser de 1,25 mm de raio. O uso de amostra a granel em vez de amostra de filme fino nos permite estudar as propriedades fotovoltaicas do supercondutor sem ter que lidar com a influência complexa do substrato . Além disso, o material a granel pode ser propício ao seu procedimento de preparação simples e ao custo relativamente baixo. Os fios condutores de cobre são unidos na amostra YBCO com pasta de prata formando quatro eletrodos circulares com cerca de 1 mm de diâmetro. A distância entre os dois eletrodos de tensão é de cerca de 5 mm. As características IV da amostra foram medidas usando o magnetômetro de amostra vibratória (VersaLab, Quantum Design) com janela de cristal de quartzo. O método padrão de quatro fios foi empregado para obter as curvas IV. As posições relativas dos eletrodos e do ponto laser são mostradas na Fig.
Como citar este artigo: Yang, F. et al. Origem do efeito fotovoltaico em cerâmicas supercondutoras YBa2Cu3O6.96. Ciência. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
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Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Grant No. 60571063), pelos Projetos de Pesquisa Fundamental da Província de Henan, China (Grant No. 122300410231).
FY escreveu o texto do artigo e MYH preparou a amostra de cerâmica YBCO. FY e MYH realizaram o experimento e analisaram os resultados. FGC liderou o projeto e a interpretação científica dos dados. Todos os autores revisaram o manuscrito.
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Yang, F., Han, M. & Chang, F. Origem do efeito fotovoltaico em cerâmica supercondutora YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
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Horário da postagem: 22 de abril de 2020