Originea efectului fotovoltaic în ceramica supraconductoare YBa 2 Cu 3 O 6.96

Vă mulțumim că ați vizitat nature.com. Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS. Pentru a obține cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser mai actualizat (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura suport continuu, afișăm site-ul fără stiluri și JavaScript.

Raportăm efect fotovoltaic remarcabil în ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) între 50 și 300 K indus de iluminarea cu laser albastru, care este direct legat de supraconductivitatea YBCO și interfața electrodului YBCO-metalic. Există o inversare a polarității pentru tensiunea de circuit deschis Voc și curentul de scurtcircuit Isc atunci când YBCO trece de la starea supraconductivă la starea rezistivă. Arătăm că există un potențial electric peste interfața supraconductor-metal normală, care asigură forța de separare pentru perechile electron-gaură induse foto. Acest potențial de interfață direcționează de la YBCO la electrodul metalic atunci când YBCO este supraconductor și comută în direcția opusă când YBCO devine nesuperconductor. Originea potențialului poate fi ușor asociată cu efectul de proximitate la interfața metal-superconductor atunci când YBCO este supraconductor și valoarea sa este estimată la ~10–8 mV la 50 K cu o intensitate laser de 502 mW/cm2. Combinația unui material de tip p YBCO în stare normală cu un material de tip n Ag-pastă formează o joncțiune cvasi-pn care este responsabilă pentru comportamentul fotovoltaic al ceramicii YBCO la temperaturi ridicate. Descoperirile noastre pot deschide calea către noi aplicații ale dispozitivelor fotoni-electronice și pot arunca o lumină suplimentară asupra efectului de proximitate la interfața supraconductor-metal.

Tensiunea foto-indusă în supraconductorii de înaltă temperatură a fost raportată la începutul anilor 1990 și a fost investigată pe larg de atunci, dar natura și mecanismul său rămân nedeterminate1,2,3,4,5. Filmele subțiri YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, în special, sunt studiate intens sub formă de celule fotovoltaice (PV) datorită decalajului său de energie reglabil9,10,11,12,13. Cu toate acestea, rezistența ridicată a substratului duce întotdeauna la o eficiență scăzută de conversie a dispozitivului și maschează proprietățile fotovoltaice primare ale YBCO8. Aici raportăm un efect fotovoltaic remarcabil indus de iluminarea cu laser albastru (λ = 450 nm) în ceramică YBa2Cu3O6.96 (YBCO) între 50 și 300 K (Tc ~ 90 K). Arătăm că efectul PV este direct legat de supraconductibilitatea YBCO și de natura interfeței electrodului metalic YBCO. Există o inversare de polaritate pentru tensiunea de circuit deschis Voc și curentul de scurtcircuit Isc atunci când YBCO trece de la faza supraconductivă la o stare rezistivă. Se propune că există un potențial electric peste interfața supraconductor-metal normală, care asigură forța de separare pentru perechile electron-gaură induse foto. Acest potențial de interfață direcționează de la YBCO la electrodul metalic atunci când YBCO este supraconductor și comută în direcția opusă atunci când proba devine nesuperconductoare. Originea potențialului poate fi asociată în mod natural cu efectul de proximitate14,15,16,17 la interfața metal-superconductor atunci când YBCO este supraconductor și valoarea sa este estimată la ~10−8 mV la 50 K cu o intensitate laser de 502 mW /cm2. Combinația unui material de tip p YBCO în stare normală cu un material de tip n Ag-pastă formează, cel mai probabil, o joncțiune cvasi-pn care este responsabilă pentru comportamentul PV al ceramicii YBCO la temperaturi ridicate. Observațiile noastre aruncă o lumină suplimentară asupra originii efectului PV în ceramica YBCO supraconductivă la temperatură înaltă și deschid calea pentru aplicarea acestuia în dispozitive optoelectronice, cum ar fi detector de lumină pasiv rapid etc.

Figura 1a–c arată că caracteristicile IV ale probei de ceramică YBCO la 50 K. Fără iluminare luminoasă, tensiunea pe eșantion rămâne la zero cu curentul în schimbare, așa cum se poate aștepta de la un material supraconductor. Efectul fotovoltaic evident apare atunci când fasciculul laser este îndreptat spre catod (Fig. 1a): curbele IV paralele cu axa I se mișcă în jos odată cu creșterea intensității laserului. Este evident că există o tensiune foto-indusă negativă chiar și fără curent (denumită adesea tensiune în circuit deschis Voc). Panta zero a curbei IV indică faptul că proba este încă supraconductoare sub iluminare laser.

(a–c) și 300 K (e–g). Valorile lui V(I) au fost obținute prin trecerea curentului de la -10 mA la +10 mA în vid. Doar o parte din datele experimentale sunt prezentate din motive de claritate. a, Caracteristicile curent-tensiune ale YBCO măsurate cu spot laser poziționat la catod (i). Toate curbele IV sunt linii drepte orizontale care indică că proba este încă supraconductivă cu iradiere cu laser. Curba se deplasează în jos odată cu creșterea intensității laserului, indicând faptul că există un potențial negativ (Voc) între cele două cabluri de tensiune chiar și cu curent zero. Curbele IV rămân neschimbate atunci când laserul este îndreptat spre centrul probei la eter 50 K (b) sau 300 K (f). Linia orizontală se mișcă în sus pe măsură ce anodul este iluminat (c). Un model schematic al joncțiunii metal-superconductor la 50 K este prezentat în d. Caracteristicile curent-tensiune ale YBCO în stare normală la 300 K măsurate cu fascicul laser îndreptat spre catod și anod sunt date în e și, respectiv, g. Spre deosebire de rezultatele la 50 K, panta diferită de zero a liniilor drepte indică faptul că YBCO este în stare normală; valorile Voc variază cu intensitatea luminii într-o direcție opusă, indicând un mecanism diferit de separare a sarcinii. O posibilă structură de interfață la 300 K este reprezentată în hj Imaginea reală a probei cu cabluri.

YBCO bogat în oxigen în stare supraconductivă poate absorbi aproape întregul spectru al luminii solare datorită decalajului său energetic foarte mic (Eg)9,10, creând astfel perechi electron-gaură (e–h). Pentru a produce o tensiune de circuit deschis Voc prin absorbția fotonilor, este necesar să se separe spațial perechile eh foto-generate înainte de a avea loc recombinarea18. Voc negativ, raportat la catod și anod, așa cum este indicat în Fig. 1i, sugerează că există un potențial electric peste interfața metal-superconductor, care mătură electronii către anod și găurile către catod. Dacă acesta este cazul, ar trebui să existe și un potențial orientat de la supraconductor la electrodul metalic de la anod. În consecință, un Voc pozitiv ar fi obținut dacă zona eșantionului din apropierea anodului este iluminată. În plus, nu ar trebui să existe tensiuni foto-induse atunci când punctul laser este îndreptat către zone departe de electrozi. Este cu siguranță cazul, așa cum se poate observa din Fig. 1b,c!.

Când spotul luminos se deplasează de la electrodul catodic în centrul probei (la aproximativ 1,25 mm față de interfețe), nu se poate observa nicio variație a curbelor IV și nicio Voc cu creșterea intensității laserului până la valoarea maximă disponibilă (Fig. 1b) . Desigur, acest rezultat poate fi atribuit duratei de viață limitate a purtătorilor foto-induși și lipsei forței de separare din probă. Perechile electron-gaură pot fi create ori de câte ori proba este iluminată, dar majoritatea perechilor e–h vor fi anihilate și nu se observă niciun efect fotovoltaic dacă spotul laser cade pe zone îndepărtate de oricare dintre electrozi. Deplasând spotul laser către electrozii anodici, curbele IV paralele cu axa I se deplasează în sus cu creșterea intensității laserului (Fig. 1c). Câmp electric încorporat similar există în joncțiunea metal-superconductor de la anod. Cu toate acestea, electrodul metalic se conectează de data aceasta la conductorul pozitiv al sistemului de testare. Găurile produse de laser sunt împinse spre conductorul anodului și astfel se observă un Voc pozitiv. Rezultatele prezentate aici oferă dovezi puternice că există într-adevăr un potențial de interfață care îndreaptă de la supraconductor la electrodul metalic.

Efectul fotovoltaic în ceramica YBa2Cu3O6.96 la 300 K este prezentat în Fig. 1e–g. Fără iluminare luminoasă, curba IV a probei este o linie dreaptă care traversează originea. Această linie dreaptă se mișcă în sus paralel cu cea inițială cu o intensitate crescută a laserului care iradiază la cablurile catodului (Fig. 1e). Există două cazuri limitative de interes pentru un dispozitiv fotovoltaic. Condiția de scurtcircuit apare atunci când V = 0. În acest caz, curentul este denumit curent de scurtcircuit (Isc). Al doilea caz limitativ este condiția de circuit deschis (Voc) care apare atunci când R→∞ sau curentul este zero. Figura 1e arată clar că Voc este pozitiv și crește odată cu creșterea intensității luminii, în contrast cu rezultatul obținut la 50 K; în timp ce se observă că un Isc negativ crește în magnitudine cu iluminarea luminii, un comportament tipic al celulelor solare normale.

În mod similar, atunci când fasciculul laser este îndreptat către zone îndepărtate de electrozi, curba V(I) este independentă de intensitatea laserului și nu a apărut niciun efect fotovoltaic (Fig. 1f). Similar cu măsurarea la 50 K, curbele IV se deplasează în direcția opusă pe măsură ce electrodul anodului este iradiat (Fig. 1g). Toate aceste rezultate obținute pentru acest sistem de pastă YBCO-Ag la 300 K cu laser iradiat în diferite poziții ale probei sunt în concordanță cu un potențial de interfață opus celui observat la 50 K.

Majoritatea electronilor se condensează în perechi Cooper în YBCO supraconductor sub temperatura sa de tranziție Tc. În timp ce se află în electrodul metalic, toți electronii rămân în formă singulară. Există un gradient de densitate mare atât pentru electroni singulari, cât și pentru perechile Cooper în vecinătatea interfeței metal-superconductor. Electronii singulari purtători majoritari din materialul metalic vor difuza în regiunea supraconductoare, în timp ce perechile Cooper cu purtători majoritari din regiunea YBCO vor difuza în regiunea metalică. Pe măsură ce perechile Cooper care poartă mai multe sarcini și au o mobilitate mai mare decât electronii singulari difuzează din YBCO în regiunea metalică, atomii încărcați pozitiv sunt lăsați în urmă, rezultând un câmp electric în regiunea de încărcare spațială. Direcția acestui câmp electric este prezentată în schema schematică Fig. 1d. Iluminarea fotonică incidentă în apropierea regiunii de încărcare a spațiului poate crea eh perechi care vor fi separate și eliminate producând un fotocurent în direcția inversă. De îndată ce electronii ies din câmpul electric încorporat, ei sunt condensați în perechi și curg către celălalt electrod fără rezistență. În acest caz, Voc este opus polarității prestabilite și afișează o valoare negativă atunci când fasciculul laser indică zona din jurul electrodului negativ. Din valoarea lui Voc, se poate estima potențialul peste interfață: distanța dintre cele două cabluri de tensiune d este de ~5 × 10−3 m, grosimea interfeței metal-superconductor, di, ar trebui să fie de același ordin de mărime ca lungimea de coerență a supraconductorului YBCO (~1 nm)19,20, luați valoarea Voc = 0,03 mV, potențialul Vms la interfața metal-superconductor este evaluat la fie ~10−11 V la 50 K cu o intensitate laser de 502 mW/cm2, folosind ecuația,

Vrem să subliniem aici că tensiunea foto-indusă nu poate fi explicată prin efect foto-termic. Sa stabilit experimental că coeficientul Seebeck al supraconductorului YBCO este Ss = 021. Coeficientul Seebeck pentru firele cu plumb de cupru este în intervalul SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperatura firului de cupru la punctul laser poate fi crescută cu o cantitate mică de 0,06 K, cu intensitatea maximă a laserului disponibilă la 50 K. Acest lucru ar putea produce un potențial termoelectric de 6,9 ​​× 10−8 V, care este cu trei ordine de mărime mai mic decât Voc-ul obţinut în Fig 1 (a). Este evident că efectul termoelectric este prea mic pentru a explica rezultatele experimentale. De fapt, variația de temperatură din cauza iradierii laser ar dispărea în mai puțin de un minut, astfel încât contribuția din efectul termic poate fi ignorată în siguranță.

Acest efect fotovoltaic al YBCO la temperatura camerei dezvăluie că aici este implicat un mecanism diferit de separare a sarcinii. YBCO supraconductor în stare normală este un material de tip p cu găuri ca purtător de sarcină22,23, în timp ce pasta de Ag metalică are caracteristicile unui material de tip n. Similar cu joncțiunile pn, difuzia electronilor în pasta de argint și găurile din ceramica YBCO va forma un câmp electric intern îndreptat către ceramica YBCO la interfață (Fig. 1h). Acest câmp intern este cel care asigură forța de separare și duce la un Voc pozitiv și Isc negativ pentru sistemul de pastă YBCO-Ag la temperatura camerei, așa cum se arată în Fig. 1e. Alternativ, Ag-YBCO ar putea forma o joncțiune Schottky de tip p care duce, de asemenea, la un potențial de interfață cu aceeași polaritate ca în modelul prezentat mai sus24.

Pentru a investiga procesul de evoluție detaliat al proprietăților fotovoltaice în timpul tranziției supraconductoare a YBCO, curbele IV ale probei la 80 K au fost măsurate cu intensitățile laser selectate iluminând la electrodul catodului (Fig. 2). Fără iradiere cu laser, tensiunea pe eșantion se menține la zero indiferent de curent, indicând starea supraconductoare a probei la 80 K (Fig. 2a). Similar cu datele obținute la 50 K, curbele IV paralele cu axa I se mișcă în jos cu creșterea intensității laserului până când se atinge o valoare critică Pc. Peste această intensitate critică a laserului (Pc), supraconductorul suferă o tranziție de la o fază supraconductoare la o fază rezistivă; tensiunea începe să crească odată cu curentul datorită apariției rezistenței în supraconductor. Ca rezultat, curba IV începe să se intersecteze cu axa I și axa V conducând la un Voc negativ și un Isc pozitiv la început. Acum proba pare să fie într-o stare specială în care polaritatea Voc și Isc este extrem de sensibilă la intensitatea luminii; cu o creștere foarte mică a intensității luminii Isc este convertit din pozitiv în negativ și Voc din negativ în valoare pozitivă, trecând de origine (sensibilitatea ridicată a proprietăților fotovoltaice, în special valoarea Isc, la iluminarea luminii poate fi văzută mai clar în Fig. 2b). La cea mai mare intensitate laser disponibilă, curbele IV intenționează să fie paralele între ele, ceea ce înseamnă starea normală a probei YBCO.

Centrul spotului laser este poziționat în jurul electrozilor catodici (vezi Fig. 1i). a, curbe IV ale YBCO iradiate cu diferite intensități laser. b (sus), dependența de intensitatea laser a tensiunii în circuit deschis Voc și a curentului de scurtcircuit Isc. Valorile Isc nu pot fi obținute la intensitate luminoasă scăzută (< 110 mW/cm2) deoarece curbele IV sunt paralele cu axa I atunci când proba este în stare supraconductivă. b (jos), rezistență diferențială în funcție de intensitatea laserului.

Dependența de intensitatea laser a Voc și Isc la 80 K este prezentată în Fig. 2b (sus). Proprietățile fotovoltaice pot fi discutate în trei regiuni de intensitate luminoasă. Prima regiune este între 0 și Pc, în care YBCO este supraconductor, Voc este negativ și scade (valoarea absolută crește) cu intensitatea luminii și atingând un minim la Pc. A doua regiune este de la Pc la o altă intensitate critică P0, în care Voc crește în timp ce Isc scade odată cu creșterea intensității luminii și ambele ajung la zero la P0. A treia regiune este deasupra P0 până când se atinge starea normală a YBCO. Deși atât Voc cât și Isc variază cu intensitatea luminii în același mod ca în regiunea 2, ele au polaritate opusă peste intensitatea critică P0. Semnificația lui P0 constă în faptul că nu există efect fotovoltaic și mecanismul de separare a sarcinii se modifică calitativ în acest punct particular. Proba YBCO devine nesuperconductoare în acest interval de intensitate luminoasă, dar starea normală nu a fost încă atinsă.

În mod clar, caracteristicile fotovoltaice ale sistemului sunt strâns legate de supraconductivitatea YBCO și de tranziția superconductivă a acestuia. Rezistența diferențială, dV/dI, a YBCO este prezentată în Fig. 2b (jos) în funcție de intensitatea laserului. După cum sa menționat anterior, potențialul electric încorporat în interfață se datorează punctelor de difuzie a perechii Cooper de la supraconductor la metal. Similar cu cel observat la 50 K, efectul fotovoltaic este îmbunătățit odată cu creșterea intensității laserului de la 0 la Pc. Când intensitatea laserului atinge o valoare puțin peste Pc, curba IV începe să se încline și începe să apară rezistența probei, dar polaritatea potențialului de interfață nu este încă modificată. Efectul excitației optice asupra supraconductivității a fost investigat în regiunea vizibilă sau aproape IR. În timp ce procesul de bază este de a sparge perechile Cooper și de a distruge supraconductivitatea25,26, în unele cazuri tranziția de supraconductivitate poate fi îmbunătățită27,28,29, pot fi chiar induse noi faze de supraconductivitate30. Absența supraconductivității la Pc poate fi atribuită ruperii perechii foto-induse. În punctul P0, potențialul de-a lungul interfeței devine zero, indicând că densitatea de încărcare în ambele părți ale interfeței atinge același nivel la această intensitate particulară a luminii luminii. O creștere suplimentară a intensității laserului are ca rezultat distrugerea mai multor perechi Cooper și YBCO este transformat treptat înapoi într-un material de tip p. În loc de difuzia de electroni și perechi Cooper, caracteristica interfeței este acum determinată de difuzia de electroni și gaură care duce la o inversare a polarității câmpului electric din interfață și, în consecință, la un Voc pozitiv (comparați Fig.1d,h). La intensitatea laser foarte mare, rezistența diferențială a YBCO se saturează la o valoare corespunzătoare stării normale și atât Voc, cât și Isc tind să varieze liniar cu intensitatea laser (Fig. 2b). Această observație arată că iradierea laser pe YBCO în stare normală nu își va mai modifica rezistivitatea și caracteristica interfeței supraconductor-metal, ci doar crește concentrația perechilor electron-gaură.

Pentru a investiga efectul temperaturii asupra proprietăților fotovoltaice, sistemul metal-superconductor a fost iradiat la catod cu laser albastru de intensitate 502 mW/cm2. Curbele IV obținute la temperaturi selectate între 50 și 300 K sunt prezentate în Fig. 3a. Tensiunea în circuit deschis Voc, curentul de scurtcircuit Isc și rezistența diferențială pot fi apoi obținute din aceste curbe IV și sunt prezentate în Fig. 3b. Fără iluminare luminoasă, toate curbele IV măsurate la diferite temperaturi trec de origine așa cum era de așteptat (inserția din Fig. 3a). Caracteristicile IV se schimbă drastic odată cu creșterea temperaturii atunci când sistemul este iluminat de un fascicul laser relativ puternic (502 mW/cm2). La temperaturi scăzute, curbele IV sunt linii drepte paralele cu axa I cu valori negative ale Voc. Această curbă se deplasează în sus odată cu creșterea temperaturii și se transformă treptat într-o linie cu o pantă diferită de zero la o temperatură critică Tcp (Fig. 3a (sus)). Se pare că toate curbele caracteristice IV se rotesc în jurul unui punct din al treilea cadran. Voc crește de la o valoare negativă la una pozitivă, în timp ce Isc scade de la o valoare pozitivă la una negativă. Deasupra temperaturii inițiale de tranziție supraconductoare Tc a YBCO, curba IV se schimbă destul de diferit cu temperatura (partea de jos a Fig. 3a). În primul rând, centrul de rotație al curbelor IV se deplasează în primul cadran. În al doilea rând, Voc continuă să scadă și Isc crește odată cu creșterea temperaturii (partea de sus a Fig. 3b). În al treilea rând, panta curbelor IV crește liniar cu temperatura, rezultând un coeficient de temperatură pozitiv de rezistență pentru YBCO (partea de jos a Fig. 3b).

Dependența de temperatură a caracteristicilor fotovoltaice pentru sistemul de pastă YBCO-Ag sub iluminare laser de 502 mW/cm2.

Centrul spotului laser este poziționat în jurul electrozilor catodici (vezi Fig. 1i). a, curbele IV obținute de la 50 la 90 K (sus) și de la 100 la 300 K (jos) cu o creștere a temperaturii de 5 K și, respectiv, 20 K. Insertul a prezintă caracteristicile IV la mai multe temperaturi în întuneric. Toate curbele traversează punctul de origine. b, tensiunea în circuit deschis Voc și curentul de scurtcircuit Isc (sus) și rezistența diferențială, dV/dI, a YBCO (jos) în funcție de temperatură. Temperatura de tranziție supraconductoare cu rezistență zero Tcp nu este dată deoarece este prea aproape de Tc0.

Trei temperaturi critice pot fi recunoscute din Fig. 3b: Tcp, peste care YBCO devine nesuperconductor; Tc0, la care atât Voc, cât și Isc devin zero și Tc, temperatura de tranziție superconductivă de debut originală a YBCO fără iradiere cu laser. Sub Tcp ~ 55 K, YBCO iradiat cu laser este în stare supraconductoare cu o concentrație relativ mare de perechi Cooper. Efectul iradierii laser este de a reduce temperatura de tranziție supraconductoare cu rezistență zero de la 89 K la ~ 55 K (partea de jos a Fig. 3b) prin reducerea concentrației perechii Cooper în plus față de producerea de tensiune și curent fotovoltaic. Creșterea temperaturii descompune și perechile Cooper, ducând la un potențial mai scăzut în interfață. În consecință, valoarea absolută a Voc va deveni mai mică, deși se aplică aceeași intensitate a iluminării laser. Potențialul de interfață va deveni din ce în ce mai mic odată cu creșterea în continuare a temperaturii și ajunge la zero la Tc0. Nu există efect fotovoltaic în acest punct special, deoarece nu există un câmp intern care să separe perechile electron-gaură induse foto. O inversare de polaritate a potențialului are loc peste această temperatură critică, deoarece densitatea de încărcare liberă în pasta de Ag este mai mare decât cea din YBCO care este transferată treptat înapoi la un material de tip p. Aici dorim să subliniem că inversarea polarității Voc și Isc are loc imediat după tranziția supraconductoare cu rezistență zero, indiferent de cauza tranziției. Această observație relevă clar, pentru prima dată, corelația dintre supraconductivitate și efectele fotovoltaice asociate cu potențialul de interfață metal-superconductor. Natura acestui potențial de-a lungul interfeței supraconductoare-metal normală a fost un accent de cercetare în ultimele câteva decenii, dar există multe întrebări care încă așteaptă să primească răspuns. Măsurarea efectului fotovoltaic se poate dovedi a fi o metodă eficientă de explorare a detaliilor (cum ar fi puterea și polaritatea sa etc.) ale acestui potențial important și, prin urmare, să arunce lumină asupra efectului de proximitate supraconductor la temperatură ridicată.

Creșterea suplimentară a temperaturii de la Tc0 la Tc duce la o concentrație mai mică de perechi Cooper și o îmbunătățire a potențialului de interfață și, în consecință, Voc mai mare. La Tc, concentrația perechii Cooper devine zero și potențialul încorporat la interfață atinge un maxim, rezultând Voc maxim și Isc minim. Creșterea rapidă a Voc și Isc (valoarea absolută) în acest interval de temperatură corespunde tranziției supraconductoare care este lărgită de la ΔT ~ 3 K la ~ 34 K prin iradierea laser de intensitate 502 mW/cm2 (Fig. 3b). În stările normale de deasupra Tc, tensiunea în circuit deschis Voc scade cu temperatura (în partea de sus a Fig. 3b), similar comportamentului liniar al Voc pentru celulele solare normale bazate pe joncțiuni pn31,32,33. Deși rata de schimbare a Voc cu temperatura (−dVoc/dT), care depinde puternic de intensitatea laserului, este mult mai mică decât cea a celulelor solare normale, coeficientul de temperatură al Voc pentru joncțiunea YBCO-Ag are același ordin de mărime ca cel a celulelor solare. Curentul de scurgere al unei joncțiuni pn pentru un dispozitiv normal cu celule solare crește odată cu creșterea temperaturii, ceea ce duce la o scădere a Voc pe măsură ce temperatura crește. Curbele IV liniare observate pentru acest sistem Ag-superconductor, datorită în primul rând potențialului de interfață foarte mic și în al doilea rând conexiunii back-to-back a celor două heterojoncțiuni, face dificilă determinarea curentului de scurgere. Cu toate acestea, pare foarte probabil că aceeași dependență de temperatură a curentului de scurgere este responsabilă pentru comportamentul Voc observat în experimentul nostru. Conform definiției, Isc este curentul necesar pentru a produce o tensiune negativă pentru a compensa Voc, astfel încât tensiunea totală să fie zero. Pe măsură ce temperatura crește, Voc devine mai mic, astfel încât este nevoie de mai puțin curent pentru a produce tensiunea negativă. În plus, rezistența YBCO crește liniar cu temperatura peste Tc (partea de jos a Fig. 3b), ceea ce contribuie, de asemenea, la valoarea absolută mai mică a lui Isc la temperaturi ridicate.

Observați că rezultatele prezentate în Figurile 2, 3 sunt obținute prin iradierea cu laser în zona din jurul electrozilor catodici. Măsurătorile au fost de asemenea repetate cu spotul laser poziționat la anod și au fost observate caracteristici IV și proprietăți fotovoltaice similare, cu excepția faptului că polaritatea Voc și Isc a fost inversată în acest caz. Toate aceste date conduc la un mecanism pentru efectul fotovoltaic, care este strâns legat de interfața supraconductor-metal.

În rezumat, caracteristicile IV ale sistemului de pastă YBCO-Ag supraconductor iradiat cu laser au fost măsurate în funcție de temperatură și intensitate laser. S-a observat un efect fotovoltaic remarcabil în intervalul de temperatură de la 50 la 300 K. Se constată că proprietățile fotovoltaice se corelează puternic cu supraconductivitatea ceramicii YBCO. O inversare de polaritate a Voc și Isc are loc imediat după tranziția supraconductivă foto-indusă la non-superconductor. Dependența de temperatură a Voc și Isc măsurată la intensitatea laser fixă ​​arată, de asemenea, o inversare distinctă a polarității la o temperatură critică peste care proba devine rezistivă. Prin localizarea punctului laser în diferite părți a eșantionului, arătăm că există un potențial electric peste interfață, care asigură forța de separare pentru perechile electron-gaură induse foto. Acest potențial de interfață direcționează de la YBCO la electrodul metalic atunci când YBCO este supraconductor și comută în direcția opusă atunci când proba devine nesuperconductoare. Originea potențialului poate fi asociată în mod natural cu efectul de proximitate la interfața metal-superconductor atunci când YBCO este supraconductor și este estimat a fi ~ 10-8 mV la 50 K cu o intensitate laser de 502 mW/cm2. Contactul unui material de tip p YBCO în stare normală cu un material de tip n Ag-pasta formează o joncțiune cvasi-pn care este responsabilă pentru comportamentul fotovoltaic al ceramicii YBCO la temperaturi ridicate. Observațiile de mai sus aruncă lumină asupra efectului PV în ceramica YBCO supraconductoare la temperatură înaltă și deschide calea către noi aplicații în dispozitive optoelectronice, cum ar fi detectorul de lumină pasiv rapid și detectorul cu un singur foton.

Experimentele cu efect fotovoltaic au fost efectuate pe o probă ceramică YBCO cu grosimea de 0,52 mm și formă dreptunghiulară de 8,64 × 2,26 mm2 și iluminată cu laser albastru cu undă continuă (λ = 450 nm) cu dimensiunea spotului laser de 1,25 mm în rază. Utilizarea eșantionului în vrac, mai degrabă decât a filmului subțire, ne permite să studiem proprietățile fotovoltaice ale supraconductorului fără a trebui să ne confruntăm cu influența complexă a substratului6,7. Mai mult, materialul în vrac ar putea fi propice pentru procedura de preparare simplă și costul relativ scăzut. Firele de plumb de cupru sunt coerente pe proba YBCO cu pastă de argint formând patru electrozi circulari de aproximativ 1 mm în diametru. Distanța dintre cei doi electrozi de tensiune este de aproximativ 5 mm. Caracteristicile IV ale probei au fost măsurate cu ajutorul magnetometrului cu vibrații (VersaLab, Quantum Design) cu o fereastră cu cristal de cuarț. Metoda standard cu patru fire a fost folosită pentru a obține curbele IV. Pozițiile relative ale electrozilor și spotului laser sunt prezentate în Fig. 1i.

Cum să citez acest articol: Yang, F. et al. Originea efectului fotovoltaic în ceramica supraconductoare YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG și Testardi, LR Tensiuni induse de laser interzise prin simetrie în YBa2Cu3O7. Fiz. Apoc. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Originea semnalului fotovoltaic anormal în Y-Ba-Cu-O. Fiz. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Măsurarea tensiunilor induse de laser ale supraconductorilor Bi-Sr-Ca-Cu-O. Fiz. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Tensiuni tranzitorii induse de laser în filmele de YBa2Cu3O7-x la temperatura camerei. J. Apl. Fiz. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Răspuns fotovoltaic anormal în YBa2Cu3O7. Fiz. Apoc. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injecție de purtător de găuri fotogenerate la YBa2Cu3O7-x într-o heterostructură de oxid. Appl. Fiz. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. şi colab. Studiul fotoemisiei filmelor subțiri YBa2Cu3Oy sub iluminare luminoasă. Fiz. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. şi colab. Efectul fotovoltaic al heterojoncției YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb recoaptă în diferite presiuni parțiale de oxigen. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA şi colab. Structura cu două goluri în cristale simple Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamica relaxării cvasiparticulelor în supraconductori cu diferite structuri de gol: Teorie și experimente pe YBa2Cu3O7-δ . Fiz. Apoc. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Proprietăți de rectificare ale heterojoncției YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Fiz. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Absorbția excitonică și supraconductivitate în YBa2Cu3O7-δ. Fiz. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Conductivitatea fotoindusă tranzitorie în cristalele simple semiconductoare ale YBa2Cu3O6.3: căutarea stării metalice fotoinduse și a supraconductivității fotoinduse. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Model de tunel al efectului de proximitate supraconductor. Fiz. Apoc. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. și colab. Efectul de proximitate supraconductor testat pe o scară de lungime mezoscopică. Fiz. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Efectul de proximitate cu supraconductori noncentrosimetrici. Fiz. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM şi colab. Efect puternic de proximitate supraconductor în structurile hibride Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL O nouă fotocelulă de joncțiune pn din silicon pentru transformarea radiației solare în energie electrică. J. App. Fiz. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Efectele impurităților asupra lungimii coerenței supraconductoare în cristale simple YBa2Cu3O6.9 dopate cu Zn sau Ni. Fiz. Apoc. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistance of Untwined YBa2Cu3Oy single crystals într-o gamă largă de dopaj: dependență anormală de dopaj de găuri a lungimii de coerență. Fiz. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematica în puterea termoelectrică a oxizilor de înaltă valoare. Fiz. Apoc. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. şi colab. Deplasarea impulsului dependentă de densitatea purtătorului a vârfului coerent și a modului de fonon LO în supraconductori de tip p cu Tc ridicat. Fiz. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. şi colab. Reducerea găurilor și acumularea de electroni în filmele subțiri YBa2Cu3Oy folosind o tehnică electrochimică: Dovezi pentru o stare metalică de tip n. Fiz. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fizica și chimia înălțimii barierei Schottky. Appl. Fiz. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efectele ruperii dinamice ale perechilor externe în filmele supraconductoare. Fiz. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. şi colab. Creșterea supraconductivității fotoindusă. Appl. Fiz. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI și colab. Fotoconductivitate persistentă în filmele YBa2Cu3O6+x ca metodă de fotodopare către fazele metalice și supraconductoare. Fiz. Apoc. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. şi colab. Dinamica rețelei neliniare ca bază pentru supraconductivitate îmbunătățită în YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Supraconductivitate indusă de lumină într-un cuprat ordonat în dungi. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Dependența funcțională de temperatură a COV pentru o celulă solară în raport cu noua abordare a eficienței sale. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Efectele temperaturii în celulele solare cu siliciu cu barieră Schottky. Appl. Fiz. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Dependența de temperatură pentru parametrii dispozitivului fotovoltaic ai celulelor solare polimer-fulerenă în condiții de funcționare. J. Apl. Fiz. 90, 5343–5350 (2002).

Această lucrare a fost susținută de Fundația Națională de Științe Naturale din China (grant nr. 60571063), proiectele de cercetare fundamentală din provincia Henan, China (grant nr. 122300410231).

FY a scris textul lucrării, iar MYH a pregătit proba de ceramică YBCO. FY și MYH au efectuat experimentul și au analizat rezultatele. FGC a condus proiectul și interpretarea științifică a datelor. Toți autorii au revizuit manuscrisul.

Această lucrare este licențiată sub o licență internațională Creative Commons Attribution 4.0. Imaginile sau alte materiale ale terților din acest articol sunt incluse în licența Creative Commons a articolului, cu excepția cazului în care se indică altfel în linia de credit; dacă materialul nu este inclus sub licența Creative Commons, utilizatorii vor trebui să obțină permisiunea deținătorului licenței pentru a reproduce materialul. Pentru a vedea o copie a acestei licențe, vizitați http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Originea efectului fotovoltaic în ceramica supraconductoare YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Trimițând un comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva abuziv sau care nu respectă termenii sau regulile noastre, vă rugăm să semnalați-l ca nepotrivit.