Hvala, ker ste obiskali nature.com. Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite novejši brskalnik (ali izklopite način združljivosti v Internet Explorerju). Da bi zagotovili nadaljnjo podporo, spletno mesto medtem prikazujemo brez slogov in JavaScripta.
Poročamo o izjemnem fotonapetostnem učinku v keramiki YBa2Cu3O6.96 (YBCO) med 50 in 300 K, ki ga povzroča modra laserska osvetlitev, ki je neposredno povezana s superprevodnostjo YBCO in vmesnikom YBCO-kovinske elektrode. Pri prehodu YBCO iz superprevodnega v uporovno stanje pride do obrata polarnosti za napetost odprtega tokokroga Voc in tok kratkega stika Isc. Pokažemo, da na vmesniku superprevodnik-normalna kovina obstaja električni potencial, ki zagotavlja ločevalno silo za fotoinducirane pare elektron-luknja. Ta potencial vmesnika je usmerjen od YBCO do kovinske elektrode, ko je YBCO superprevoden, in preklopi v nasprotno smer, ko YBCO postane neprevoden. Izvor potenciala je mogoče zlahka povezati z učinkom bližine na vmesniku kovina-superprevodnik, ko je YBCO superprevoden in je njegova vrednost ocenjena na ~10–8 mV pri 50 K z lasersko intenzivnostjo 502 mW/cm2. Kombinacija materiala p-tipa YBCO v normalnem stanju z materialom n-tipa Ag-pasta tvori kvazi-pn spoj, ki je odgovoren za fotovoltaično obnašanje keramike YBCO pri visokih temperaturah. Naše ugotovitve lahko utrejo pot novim aplikacijam fotonskih elektronskih naprav in dodatno osvetlijo učinek bližine na vmesniku superprevodnik-kovina.
O fotoinducirani napetosti v visokotemperaturnih superprevodnikih so poročali v zgodnjih 1990-ih letih in jo vse od takrat obsežno raziskali, vendar njena narava in mehanizem ostajata nedorečena1,2,3,4,5. Zlasti tanke plasti YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 se intenzivno preučujejo v obliki fotovoltaičnih (PV) celic zaradi njihove nastavljive energijske vrzeli9,10,11,12,13. Vendar pa visoka odpornost substrata vedno povzroči nizko učinkovitost pretvorbe naprave in prikrije primarne PV lastnosti YBCO8. Tukaj poročamo o izjemnem fotonapetostnem učinku, ki ga povzroča osvetlitev z modrim laserjem (λ = 450 nm) v keramiki YBa2Cu3O6.96 (YBCO) med 50 in 300 K (Tc ~ 90 K). Pokazali smo, da je PV učinek neposredno povezan s superprevodnostjo YBCO in naravo vmesnika YBCO-kovinske elektrode. Za napetost odprtega tokokroga Voc in tok kratkega stika Isc pride do obrata polarnosti, ko je YBCO podvržen prehodu iz superprevodne faze v uporovno stanje. Predlagano je, da obstaja električni potencial na vmesniku superprevodnik-normalna kovina, ki zagotavlja ločevalno silo za foto-inducirane pare elektron-luknja. Ta potencial vmesnika je usmerjen od YBCO do kovinske elektrode, ko je YBCO superprevoden, in preklopi v nasprotno smer, ko vzorec postane neprevoden. Izvor potenciala je lahko naravno povezan z učinkom bližine14,15,16,17 na vmesniku kovina-superprevodnik, ko je YBCO superprevoden in je njegova vrednost ocenjena na ~10-8 mV pri 50 K z lasersko intenzivnostjo 502 mW /cm2. Kombinacija materiala p-tipa YBCO v normalnem stanju z materialom n-tipa Ag-pasta tvori najverjetneje kvazi-pn spoj, ki je odgovoren za PV obnašanje keramike YBCO pri visokih temperaturah. Naša opažanja dodatno osvetljujejo izvor PV učinka v visokotemperaturni superprevodni keramiki YBCO in utirajo pot njeni uporabi v optoelektronskih napravah, kot je hitri pasivni detektor svetlobe itd.
Slika 1a–c prikazuje IV značilnosti keramičnega vzorca YBCO pri 50 K. Brez svetlobne osvetlitve ostane napetost na vzorcu enaka nič s spreminjajočim se tokom, kot se lahko pričakuje od superprevodnega materiala. Očiten fotovoltaični učinek se pojavi, ko je laserski žarek usmerjen na katodo (slika 1a): IV krivulje, vzporedne z osjo I, se premikajo navzdol z naraščajočo intenzivnostjo laserja. Očitno je, da obstaja negativna foto-inducirana napetost tudi brez toka (pogosto imenovana napetost odprtega tokokroga Voc). Ničelni naklon IV krivulje kaže, da je vzorec še vedno superprevoden pod lasersko osvetlitvijo.
(a–c) in 300 K (e–g). Vrednosti V(I) so bile pridobljene s pometanjem toka od -10 mA do +10 mA v vakuumu. Zaradi jasnosti je predstavljen le del eksperimentalnih podatkov. a, Tokovno-napetostne karakteristike YBCO, izmerjene z lasersko točko, nameščeno na katodi (i). Vse krivulje IV so vodoravne ravne črte, kar kaže, da je vzorec še vedno superprevoden z laserskim obsevanjem. Krivulja se premika navzdol z naraščajočo intenzivnostjo laserja, kar kaže, da obstaja negativni potencial (Voc) med obema napetostnima vodnikoma tudi pri ničelnem toku. IV krivulje ostanejo nespremenjene, ko je laser usmerjen v središče vzorca pri etru 50 K (b) ali 300 K (f). Vodoravna črta se premakne navzgor, ko je anoda osvetljena (c). Shematski model spoja kovina-superprevodnik pri 50 K je prikazan na d. Tokovno-napetostne karakteristike normalnega stanja YBCO pri 300 K, izmerjene z laserskim žarkom, usmerjenim na katodo in anodo, so podane v e oziroma g. V nasprotju z rezultati pri 50 K naklon ravnih črt, ki ni enak nič, kaže, da je YBCO v normalnem stanju; vrednosti Voc se spreminjajo z jakostjo svetlobe v nasprotni smeri, kar kaže na drugačen mehanizem ločevanja naboja. Možna struktura vmesnika pri 300 K je prikazana v hj Realna slika vzorca z vodi.
YBCO, bogat s kisikom, v superprevodnem stanju lahko absorbira skoraj celoten spekter sončne svetlobe zaradi svoje zelo majhne energijske vrzeli (Npr.) 9, 10 in tako ustvari pare elektron-luknja (e–h). Za proizvodnjo napetosti odprtega tokokroga Voc z absorpcijo fotonov je treba prostorsko ločiti foto-generirane pare eh, preden pride do rekombinacije18. Negativni Voc glede na katodo in anodo, kot je prikazano na sliki 1i, nakazuje, da obstaja električni potencial na vmesniku kovina-superprevodnik, ki pometa elektrone na anodo in luknje na katodo. Če je temu tako, mora obstajati tudi potencial, ki kaže od superprevodnika do kovinske elektrode na anodi. Posledično bi dobili pozitiven Voc, če bi osvetlili območje vzorca blizu anode. Poleg tega ne sme biti foto-induciranih napetosti, ko je laserska točka usmerjena na območja, ki so daleč od elektrod. Vsekakor je tako, kot je razvidno iz slike 1b,c!.
Ko se svetlobna točka premakne od katodne elektrode do središča vzorca (približno 1,25 mm narazen od vmesnikov), ni mogoče opaziti nobenih variacij IV krivulj in nobenega Voc s povečanjem intenzitete laserja do največje razpoložljive vrednosti (slika 1b) . Seveda lahko ta rezultat pripišemo omejeni življenjski dobi foto-induciranih nosilcev in pomanjkanju ločevalne sile v vzorcu. Pari elektron-luknja se lahko ustvarijo vsakič, ko je vzorec osvetljen, vendar bo večina parov e–h anihiliranih in fotonapetostnega učinka ne opazimo, če laserska lisa pade na področja, ki so daleč stran od katere koli elektrode. S premikanjem laserske točke na anodne elektrode se krivulje IV, vzporedne z osjo I, premikajo navzgor z naraščajočo intenzivnostjo laserja (slika 1c). Podobno vgrajeno električno polje obstaja v spoju kovina-superprevodnik na anodi. Vendar se kovinska elektroda tokrat poveže s pozitivnim vodnikom testnega sistema. Luknje, ki jih ustvari laser, se potisnejo na anodni vodnik in tako opazimo pozitiven Voc. Tu predstavljeni rezultati zagotavljajo trdne dokaze, da res obstaja potencial vmesnika, ki kaže od superprevodnika do kovinske elektrode.
Fotovoltaični učinek v keramiki YBa2Cu3O6.96 pri 300 K je prikazan na slikah 1e–g. Brez svetlobne osvetlitve je IV krivulja vzorca ravna črta, ki prečka izhodišče. Ta ravna črta se premika navzgor vzporedno s prvotno z naraščajočo intenzivnostjo laserja, ki seva na katodnih vodnikih (slika 1e). Za fotovoltaično napravo sta zanimiva dva omejujoča primera. Do stanja kratkega stika pride, ko je V = 0. Tok v tem primeru se imenuje tok kratkega stika (Isc). Drugi omejevalni primer je stanje odprtega tokokroga (Voc), ki se pojavi, ko je R→∞ ali tok enak nič. Slika 1e jasno kaže, da je Voc pozitiven in narašča z naraščajočo jakostjo svetlobe, v nasprotju z rezultatom, dobljenim pri 50 K; medtem ko opazimo, da negativni Isc narašča v magnitudi s svetlobno osvetlitvijo, kar je tipično vedenje običajnih sončnih celic.
Podobno, ko je laserski žarek usmerjen na področja, ki so daleč stran od elektrod, je krivulja V(I) neodvisna od intenzitete laserja in ni prišlo do fotovoltaičnega učinka (slika 1f). Podobno kot pri meritvi pri 50 K se krivulje IV premaknejo v nasprotno smer, ko je anodna elektroda obsevana (slika 1g). Vsi ti rezultati, dobljeni za ta sistem paste YBCO-Ag pri 300 K z laserjem, obsevanim na različnih položajih vzorca, so skladni s potencialom vmesnika, nasprotnim tistemu, ki ga opazimo pri 50 K.
Večina elektronov kondenzira v Cooperjevih parih v superprevodnem YBCO pod njegovo prehodno temperaturo Tc. Medtem ko so v kovinski elektrodi, ostanejo vsi elektroni v ednini. V bližini vmesnika kovina-superprevodnik obstaja velik gradient gostote tako za singularne elektrone kot za Cooperjeve pare. Singularni elektroni z večinskimi nosilci v kovinskem materialu bodo difundirali v območje superprevodnika, medtem ko bodo Cooperjevi pari z večinskimi nosilci v območju YBCO difundirali v kovinsko območje. Ker Cooperjevi pari, ki nosijo več nabojev in imajo večjo mobilnost kot singularni elektroni, difundirajo iz YBCO v kovinsko območje, ostanejo pozitivno nabiti atomi, kar ima za posledico električno polje v območju prostorskega naboja. Smer tega električnega polja je prikazana na shematskem diagramu, sl. 1d. Vpadna fotonska osvetlitev v bližini območja prostorskega naboja lahko ustvari eh pare, ki bodo ločeni in pometeni ven, kar bo povzročilo fototok v smeri obratne prednapetosti. Takoj, ko elektroni zapustijo vgrajeno električno polje, se zgostijo v pare in brez upora tečejo na drugo elektrodo. V tem primeru je Voc nasproten prednastavljeni polariteti in prikazuje negativno vrednost, ko laserski žarek kaže na območje okoli negativne elektrode. Iz vrednosti Voc je mogoče oceniti potencial čez vmesnik: razdalja med obema napetostnima vodnikoma d je ~5 × 10−3 m, debelina vmesnika kovina-superprevodnik, di, mora biti enakega reda velikosti kot koherenčno dolžino superprevodnika YBCO (~1 nm)19,20 vzemite vrednost Voc = 0,03 mV, potencial Vms pri vmesnik kovina-superprevodnik je ocenjen na ~10−11 V pri 50 K z lasersko intenzivnostjo 502 mW/cm2 z uporabo enačbe,
Tu želimo poudariti, da foto-inducirane napetosti ni mogoče razložiti s fototermalnim učinkom. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da je Seebeckov koeficient superprevodnika YBCO Ss = 021. Seebeckov koeficient za bakrene svinčene žice je v območju SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperaturo bakrene žice na laserski točki je mogoče zvišati za majhno količino 0,06 K z največjo lasersko intenzivnostjo, ki je na voljo pri 50 K. To bi lahko proizvedlo termoelektrični potencial 6,9 × 10-8 V, kar je tri reda velikosti manjše od Voc, dobljen na sliki 1 (a). Očitno je, da je termoelektrični učinek premajhen, da bi pojasnil eksperimentalne rezultate. Pravzaprav bi nihanje temperature zaradi laserskega obsevanja izginilo v manj kot eni minuti, tako da lahko prispevek toplotnega učinka varno zanemarimo.
Ta fotonapetostni učinek YBCO pri sobni temperaturi razkriva, da je tu vključen drugačen mehanizem ločevanja naboja. Superprevodni YBCO v normalnem stanju je material p-tipa z luknjami kot nosilcem naboja 22, 23, medtem ko ima kovinska Ag-pasta lastnosti materiala n-tipa. Podobno kot pri pn spojih bo difuzija elektronov v srebrovi pasti in luknjah v keramiki YBCO oblikovala notranje električno polje, ki kaže na keramiko YBCO na vmesniku (slika 1h). To notranje polje je tisto, ki zagotavlja ločitveno silo in vodi do pozitivnega Voc in negativnega Isc za sistem paste YBCO-Ag pri sobni temperaturi, kot je prikazano na sliki 1e. Druga možnost je, da bi Ag-YBCO lahko tvoril Schottkyjev spoj p-tipa, ki prav tako vodi do vmesniškega potenciala z enako polarnostjo kot v zgoraj predstavljenem modelu24.
Da bi raziskali podroben razvojni proces fotonapetostnih lastnosti med superprevodnim prehodom YBCO, smo izmerili IV krivulje vzorca pri 80 K z izbranimi laserskimi intenzitetami, ki osvetljujejo katodno elektrodo (slika 2). Brez laserskega obsevanja napetost na vzorcu ostane enaka nič ne glede na tok, kar kaže na superprevodno stanje vzorca pri 80 K (slika 2a). Podobno kot podatki, dobljeni pri 50 K, se krivulje IV, vzporedne z osjo I, premikajo navzdol z naraščajočo intenzivnostjo laserja, dokler ni dosežena kritična vrednost Pc. Nad to kritično lasersko intenzivnostjo (Pc) superprevodnik preide iz superprevodne faze v uporovno fazo; napetost začne naraščati s tokom zaradi pojava upora v superprevodniku. Posledično se krivulja IV začne sekati z osjo I in osjo V, kar vodi najprej do negativnega Voc in pozitivnega Isc. Zdaj se zdi, da je vzorec v posebnem stanju, v katerem je polarnost Voc in Isc izjemno občutljiva na jakost svetlobe; z zelo majhnim povečanjem jakosti svetlobe se Isc pretvori iz pozitivne v negativno in Voc iz negativne v pozitivno vrednost, pri čemer gre mimo izvora (visoka občutljivost fotonapetostnih lastnosti, zlasti vrednost Isc, na svetlobno osvetlitev je jasneje vidna na sliki 1). 2b). Pri najvišji razpoložljivi laserski intenzivnosti naj bi bile IV krivulje med seboj vzporedne, kar pomeni normalno stanje vzorca YBCO.
Središče laserske točke je nameščeno okoli katodnih elektrod (glej sliko 1i). a, IV krivulje YBCO, obsevane z različnimi laserskimi intenzitetami. b (zgoraj), Odvisnost napetosti odprtega tokokroga Voc in toka kratkega stika Isc od jakosti laserja. Vrednosti Isc ni mogoče dobiti pri nizki jakosti svetlobe (< 110 mW/cm2), ker so IV krivulje vzporedne z osjo I, ko je vzorec v superprevodnem stanju. b (spodaj), diferencialni upor kot funkcija intenzitete laserja.
Odvisnost Voc in Isc od laserske intenzivnosti pri 80 K je prikazana na sliki 2b (zgoraj). O fotovoltaičnih lastnostih lahko razpravljamo v treh območjih jakosti svetlobe. Prvo območje je med 0 in Pc, v katerem je YBCO superprevoden, Voc je negativen in pada (absolutna vrednost narašča) z intenzivnostjo svetlobe in doseže minimum pri Pc. Drugo območje je od Pc do druge kritične intenzitete P0, v kateri Voc narašča, medtem ko Isc pada z naraščajočo intenzivnostjo svetlobe in obe dosežeta nič pri P0. Tretja regija je nad P0, dokler ni doseženo normalno stanje YBCO. Čeprav se tako Voc kot Isc spreminjata z intenzivnostjo svetlobe na enak način kot v regiji 2, imata nasprotno polarnost nad kritično intenzivnostjo P0. Pomen P0 je v tem, da ni fotovoltaičnega učinka in da se mehanizem ločevanja naboja na tej točki kvalitativno spremeni. Vzorec YBCO postane nesuperprevoden v tem razponu jakosti svetlobe, vendar normalno stanje še ni doseženo.
Jasno je, da so fotovoltaične značilnosti sistema tesno povezane s superprevodnostjo YBCO in njegovim superprevodnim prehodom. Diferencialni upor, dV/dI, YBCO je prikazan na sliki 2b (spodaj) kot funkcija intenzitete laserja. Kot smo že omenili, vgrajeni električni potencial v vmesniku zaradi difuzijskih točk Cooperjevega para od superprevodnika do kovine. Podobno kot pri 50 K se fotovoltaični učinek poveča z naraščajočo intenzivnostjo laserja od 0 do Pc. Ko intenziteta laserja doseže vrednost nekoliko nad Pc, se IV krivulja začne nagibati in upor vzorca se začne pojavljati, vendar polarnost vmesnika potenciala še ni spremenjena. Vpliv optičnega vzbujanja na superprevodnost so raziskali v vidnem in bližnjem IR območju. Medtem ko je osnovni postopek razbijanje Cooperjevih parov in uničenje superprevodnosti 25, 26, se lahko v nekaterih primerih prehod superprevodnosti izboljša 27, 28, 29, lahko pa se celo inducirajo nove faze superprevodnosti 30. Odsotnost superprevodnosti pri Pc je mogoče pripisati foto-induciranemu zlomu para. V točki P0 postane potencial na vmesniku enak nič, kar kaže, da gostota naboja na obeh straneh vmesnika doseže enako raven pod to posebno intenzivnostjo svetlobne osvetlitve. Nadaljnje povečanje intenzivnosti laserja povzroči uničenje več Cooperjevih parov in YBCO se postopoma spremeni nazaj v material tipa p. Namesto difuzije elektronov in Cooperjevega para je značilnost vmesnika zdaj določena z difuzijo elektronov in lukenj, ki vodi do obrata polarnosti električnega polja v vmesniku in posledično do pozitivnega Voc (primerjaj sliko 1d,h). Pri zelo visoki laserski intenzivnosti se diferencialni upor YBCO nasiči na vrednost, ki ustreza normalnemu stanju, Voc in Isc pa se linearno spreminjata z lasersko intenzivnostjo (slika 2b). Ta ugotovitev razkriva, da lasersko obsevanje v normalnem stanju YBCO ne bo več spremenilo njegove upornosti in značilnosti vmesnika superprevodnik-kovina, temveč samo povečalo koncentracijo parov elektron-luknja.
Da bi raziskali vpliv temperature na fotonapetostne lastnosti, smo sistem kovina-superprevodnik na katodi obsevali z modrim laserjem intenzitete 502 mW/cm2. IV krivulje, dobljene pri izbranih temperaturah med 50 in 300 K, so podane na sliki 3a. Napetost odprtega tokokroga Voc, tok kratkega stika Isc in diferencialni upor se nato lahko pridobijo iz teh IV krivulj in so prikazani na sliki 3b. Brez svetlobne osvetlitve vse krivulje IV, izmerjene pri različnih temperaturah, preidejo izvor, kot je bilo pričakovano (vstavek na sliki 3a). IV karakteristike se drastično spremenijo z naraščanjem temperature, ko je sistem osvetljen z relativno močnim laserskim žarkom (502 mW/cm2). Pri nizkih temperaturah so krivulje IV ravne črte, vzporedne z osjo I z negativnimi vrednostmi Voc. Ta krivulja se pomika navzgor z naraščajočo temperaturo in se pri kritični temperaturi Tcp postopoma spremeni v črto z neničelnim naklonom (slika 3a (zgoraj)). Zdi se, da se vse karakteristične krivulje IV vrtijo okoli točke v tretjem kvadrantu. Voc se poveča od negativne vrednosti do pozitivne, medtem ko se Isc zmanjša od pozitivne do negativne vrednosti. Nad prvotno superprevodno prehodno temperaturo Tc YBCO se krivulja IV precej drugače spreminja s temperaturo (spodnji del slike 3a). Najprej se središče vrtenja IV krivulj premakne v prvi kvadrant. Drugič, Voc se še naprej zmanjšuje, Isc pa narašča z naraščajočo temperaturo (vrh slike 3b). Tretjič, naklon krivulj IV narašča linearno s temperaturo, kar povzroči pozitiven temperaturni koeficient upora za YBCO (spodaj na sliki 3b).
Temperaturna odvisnost fotonapetostnih karakteristik za sistem paste YBCO-Ag pod lasersko osvetlitvijo 502 mW/cm2.
Središče laserske točke je nameščeno okoli katodnih elektrod (glej sliko 1i). a, IV krivulje, dobljene od 50 do 90 K (zgoraj) in od 100 do 300 K (spodaj) s temperaturnim prirastkom 5 K oziroma 20 K. Vložek a prikazuje karakteristike IV pri več temperaturah v temi. Vse krivulje prečkajo izhodišče. b, napetost odprtega tokokroga Voc in tok kratkega stika Isc (zgoraj) ter diferenčni upor, dV/dI, YBCO (spodaj) kot funkcija temperature. Temperatura prehoda v superprevodni ničelni upor Tcp ni navedena, ker je preblizu Tc0.
Na sliki 3b lahko prepoznamo tri kritične temperature: Tcp, nad katero YBCO postane nesuperprevoden; Tc0, pri kateri tako Voc kot Isc postaneta nič in Tc, prvotna začetna temperatura superprevodnega prehoda YBCO brez laserskega obsevanja. Pod Tcp ~ 55 K je lasersko obsevana YBCO v superprevodnem stanju z relativno visoko koncentracijo Cooperjevih parov. Učinek laserskega obsevanja je zmanjšanje superprevodne prehodne temperature brez upora z 89 K na ~55 K (spodaj na sliki 3b) z zmanjšanjem koncentracije Cooperjevega para poleg proizvajanja fotovoltaične napetosti in toka. Naraščajoča temperatura razgradi tudi Cooperjeve pare, kar povzroči nižji potencial v vmesniku. Posledično bo absolutna vrednost Voc manjša, čeprav je uporabljena enaka intenzivnost laserske osvetlitve. Potencial vmesnika bo z nadaljnjim naraščanjem temperature postajal vedno manjši in pri Tc0 doseže nič. Na tej posebni točki ni fotovoltaičnega učinka, ker ni notranjega polja, ki bi ločevalo fotoinducirane pare elektron-luknja. Nad to kritično temperaturo pride do obračanja polarnosti potenciala, saj je gostota prostega naboja v Ag pasti večja od gostote v YBCO, ki se postopoma prenese nazaj na material p-tipa. Tukaj želimo poudariti, da se zamenjava polarnosti Voc in Isc pojavi takoj po ničelnem upornem superprevodnem prehodu, ne glede na vzrok prehoda. Ta ugotovitev prvič jasno razkriva korelacijo med superprevodnostjo in fotovoltaičnimi učinki, povezanimi s potencialom vmesnika kovina-superprevodnik. Narava tega potenciala prek vmesnika superprevodnik-normalna kovina je bila v središču raziskav zadnjih nekaj desetletij, vendar obstaja veliko vprašanj, ki še čakajo na odgovore. Merjenje fotonapetostnega učinka se lahko izkaže za učinkovito metodo za raziskovanje podrobnosti (kot so njegova moč in polarnost itd.) tega pomembnega potenciala in s tem osvetli visokotemperaturni superprevodni učinek bližine.
Nadaljnje zvišanje temperature od Tc0 do Tc vodi do manjše koncentracije Cooperjevih parov in povečanja potenciala vmesnika ter posledično večjega Voc. Pri Tc koncentracija Cooperjevega para postane nič in vgrajeni potencial na vmesniku doseže maksimum, kar ima za posledico največji Voc in najmanjši Isc. Hitro povečanje Voc in Isc (absolutna vrednost) v tem temperaturnem območju ustreza superprevodnemu prehodu, ki je razširjen z ΔT ~ 3 K na ~ 34 K z laserskim obsevanjem intenzivnosti 502 mW/cm2 (slika 3b). V normalnih stanjih nad Tc se napetost odprtega tokokroga Voc zmanjšuje s temperaturo (vrh slike 3b), podobno kot linearno obnašanje Voc za običajne sončne celice, ki temeljijo na pn spojih 31, 32, 33. Čeprav je stopnja spremembe Voc s temperaturo (−dVoc/dT), ki je močno odvisna od intenzitete laserja, veliko manjša kot pri običajnih sončnih celicah, ima temperaturni koeficient Voc za spoj YBCO-Ag enak vrstni red velikosti kot sončnih celic. Uhajajoči tok pn spoja za običajno napravo s sončno celico narašča z naraščajočo temperaturo, kar vodi do zmanjšanja Voc z naraščanjem temperature. Linearne IV krivulje, opažene za ta Ag-superprevodniški sistem, zaradi prvič zelo majhnega vmesniškega potenciala in drugič povratne povezave obeh heterojunkcij, otežujejo določitev toka uhajanja. Kljub temu se zdi zelo verjetno, da je ista temperaturna odvisnost uhajalnega toka odgovorna za obnašanje Voc, opaženo v našem poskusu. Po definiciji je Isc tok, potreben za proizvodnjo negativne napetosti za kompenzacijo Voc, tako da je skupna napetost nič. Ko se temperatura poveča, Voc postane manjši, tako da je za proizvodnjo negativne napetosti potreben manjši tok. Poleg tega se odpornost YBCO povečuje linearno s temperaturo nad Tc (spodaj na sliki 3b), kar prav tako prispeva k manjši absolutni vrednosti Isc pri visokih temperaturah.
Upoštevajte, da so rezultati, podani na slikah 2, 3, pridobljeni z laserskim obsevanjem območja okoli katodnih elektrod. Meritve so bile ponovljene tudi z lasersko točko, nameščeno na anodi, in opažene so bile podobne karakteristike IV in fotovoltaične lastnosti, le da je bila polarnost Voc in Isc v tem primeru obrnjena. Vsi ti podatki vodijo do mehanizma za fotovoltaični učinek, ki je tesno povezan z vmesnikom superprevodnik-kovina.
Če povzamemo, IV značilnosti lasersko obsevanega sistema superprevodne paste YBCO-Ag so bile izmerjene kot funkcije temperature in intenzitete laserja. Izjemen fotovoltaični učinek so opazili v temperaturnem območju od 50 do 300 K. Ugotovljeno je bilo, da so fotovoltaične lastnosti močno povezane s superprevodnostjo YBCO keramike. Obrat polarnosti Voc in Isc se pojavi takoj po fotoinduciranem prehodu iz superprevodnega v nesuperprevodnega. Temperaturna odvisnost Voc in Isc, izmerjena pri fiksni laserski intenziteti, kaže tudi izrazito zamenjavo polarnosti pri kritični temperaturi, nad katero vzorec postane uporoven. Z lociranjem laserske točke na drugem delu vzorca pokažemo, da obstaja električni potencial čez vmesnik, ki zagotavlja ločitveno silo za foto-inducirane pare elektron-luknja. Ta potencial vmesnika je usmerjen od YBCO do kovinske elektrode, ko je YBCO superprevoden, in preklopi v nasprotno smer, ko vzorec postane neprevoden. Izvor potenciala je lahko naravno povezan z učinkom bližine na vmesniku kovina-superprevodnik, ko je YBCO superprevoden in je ocenjen na ~10−8 mV pri 50 K z lasersko intenzivnostjo 502 mW/cm2. Stik materiala p-tipa YBCO v normalnem stanju z materialom n-tipa Ag-pasta tvori kvazi-pn spoj, ki je odgovoren za fotovoltaično obnašanje keramike YBCO pri visokih temperaturah. Zgornja opažanja osvetljujejo fotonapetostni učinek v visokotemperaturni superprevodni keramiki YBCO in utirajo pot novim aplikacijam v optoelektronskih napravah, kot sta hitri pasivni svetlobni detektor in enofotonski detektor.
Poskusi fotonapetostnega učinka so bili izvedeni na keramičnem vzorcu YBCO debeline 0,52 mm in pravokotne oblike 8,64 × 2,26 mm2, ki je bil osvetljen z modrim laserjem z neprekinjenim valom (λ = 450 nm) z velikostjo laserske točke 1,25 mm v radiju. Uporaba razsutega vzorca namesto tankoplastnega vzorca nam omogoča preučevanje fotovoltaičnih lastnosti superprevodnika, ne da bi se morali ukvarjati s kompleksnim vplivom substrata 6,7. Poleg tega bi lahko material v razsutem stanju prispeval k preprostemu postopku priprave in relativno nizki ceni. Bakrene svinčene žice so povezane na vzorcu YBCO s srebrno pasto, ki tvori štiri krožne elektrode s premerom približno 1 mm. Razdalja med dvema napetostnima elektrodama je približno 5 mm. IV karakteristike vzorca so bile izmerjene z magnetometrom vibracijskega vzorca (VersaLab, Quantum Design) z oknom iz kvarčnega kristala. Za pridobitev IV krivulj je bila uporabljena standardna štirižična metoda. Relativni položaji elektrod in laserske točke so prikazani na sliki 1i.
Kako citirati ta članek: Yang, F. et al. Izvor fotovoltaičnega učinka v superprevodni keramiki YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Simetrično prepovedane lasersko inducirane napetosti v YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Izvor nepravilnega fotovoltaičnega signala v Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Merjenje lasersko induciranih napetosti superprevodnega Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Prehodne lasersko inducirane napetosti v filmih YBa2Cu3O7-x pri sobni temperaturi. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomalen fotovoltaični odziv v YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenerirana injekcija nosilcev lukenj v YBa2Cu3O7−x v oksidni heterostrukturi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Študija fotoemisije tankih plasti YBa2Cu3Oy pri svetlobni osvetlitvi. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotonapetostni učinek heterospojnice YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb, žarjene v različnih delnih tlakih kisika. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Dvorežna struktura v monokristalih Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demšar, J., Podobnik, B. & Mihailović, D. Kvazidelčna relaksacijska dinamika v superprevodnikih z različnimi strukturami vrzel: Teorija in eksperimenti na YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Popravljalne lastnosti heterospojnice YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Ekscitonična absorpcija in superprevodnost v YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Prehodna fotoinducirana prevodnost v polprevodniških monokristalih YBa2Cu3O6.3: iskanje fotoinduciranega kovinskega stanja in fotoinducirane superprevodnosti. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunelski model superprevodnega učinka bližine. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Superprevodni učinek bližine, preizkušen na mezoskopski dolžinski lestvici. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Učinek bližine z necentrosimetričnimi superprevodniki. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Močan superprevodni učinek bližine v hibridnih strukturah Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Nova silicijeva pn spojna fotocelica za pretvorbo sončnega sevanja v električno energijo. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Učinki nečistoč na superprevodno koherenčno dolžino v monokristalih YBa2Cu3O6.9, dopiranih z Zn ali Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistance of Untwinned YBa2Cu3Oy monokristalov v širokem razponu dopinga: nenormalna odvisnost koherenčne dolžine od dopinga lukenj. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika v termoelektrični moči oksidov z visoko T. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Od gostote nosilcev odvisen premik momenta koherentnega vrha in LO fononskega načina v superprevodnikih p-tipa z visokim Tc. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Zmanjšanje lukenj in kopičenje elektronov v tankih plasteh YBa2Cu3Oy z uporabo elektrokemijske tehnike: dokazi za kovinsko stanje n-tipa. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizika in kemija višine Schottkyjeve pregrade. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Učinki dinamičnega zunanjega loma para v superprevodnih filmih. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotoinducirano povečanje superprevodnosti. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Obstojna fotoprevodnost v filmih YBa2Cu3O6+x kot metoda fotodopinga proti kovinskim in superprevodnim fazam. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Nelinearna dinamika mreže kot osnova za povečano superprevodnost v YBa2Cu3O6.5. Narava 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Svetlobno inducirana superprevodnost v trakasto urejenem kupratu. Znanost 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Funkcionalna odvisnost VOC od temperature za sončno celico v povezavi z njenim novim pristopom učinkovitosti. Razsoljevanje 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperaturni učinki v silicijevih sončnih celicah s Schottkyjevo pregrado. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturna odvisnost za parametre fotonapetostne naprave polimer-fulerenskih sončnih celic v delovnih pogojih. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
To delo so podprli Kitajska nacionalna naravoslovna fundacija (dotacija št. 60571063), Fundamentalni raziskovalni projekti province Henan, Kitajska (dotacija št. 122300410231).
FY je napisal besedilo prispevka, MYH pa je pripravil vzorec keramike YBCO. FY in MYH sta izvedla poskus in analizirala rezultate. FGC je vodil projekt in znanstveno interpretacijo podatkov. Vsi avtorji so rokopis pregledali.
To delo je licencirano pod mednarodno licenco Creative Commons Attribution 4.0. Slike ali drugo gradivo tretjih oseb v tem članku so vključeni v licenco Creative Commons za članek, razen če je v kreditni liniji navedeno drugače; če gradivo ni vključeno pod licenco Creative Commons, bodo morali uporabniki pridobiti dovoljenje imetnika licence za reprodukcijo gradiva. Če si želite ogledati kopijo te licence, obiščite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Izvor fotovoltaičnega učinka v superprevodni keramiki YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Z oddajo komentarja se strinjate, da boste upoštevali naše pogoje in smernice skupnosti. Če ugotovite, da je nekaj žaljivo ali da ni v skladu z našimi pogoji ali smernicami, to označite kot neprimerno.
Čas objave: 22. aprila 2020