Faleminderit që vizituat nature.com. Po përdorni një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar për CSS. Për të marrë përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues më të përditësuar (ose të çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne po e shfaqim sajtin pa stile dhe JavaScript.
Ne raportojmë efekt të jashtëzakonshëm fotovoltaik në qeramikën YBa2Cu3O6.96 (YBCO) midis 50 dhe 300 K të shkaktuar nga ndriçimi me lazer blu, i cili lidhet drejtpërdrejt me superpërçueshmërinë e YBCO dhe ndërfaqen YBCO-Elektrodë metalike. Ekziston një ndryshim i polaritetit për tensionin e qarkut të hapur Voc dhe rrymën e qarkut të shkurtër Isc kur YBCO i nënshtrohet një kalimi nga gjendja superpërçuese në rezistente. Ne tregojmë se ekziston një potencial elektrik në të gjithë ndërfaqen superpërçues-metal normal, i cili siguron forcën e ndarjes për çiftet elektron-vrima të induktuara nga foto. Ky potencial i ndërfaqes drejtohet nga YBCO në elektrodën metalike kur YBCO është superpërçues dhe kalon në drejtim të kundërt kur YBCO bëhet josuperpërçues. Origjina e potencialit mund të lidhet lehtësisht me efektin e afërsisë në ndërfaqen metal-superpërçues kur YBCO është superpërçues dhe vlera e tij vlerësohet të jetë ~ 10-8 mV në 50 K me një intensitet lazer 502 mW/cm2. Kombinimi i një materiali të tipit p YBCO në gjendje normale me një material të tipit n Ag-paste formon një bashkim kuazi-pn i cili është përgjegjës për sjelljen fotovoltaike të qeramikës YBCO në temperatura të larta. Gjetjet tona mund të hapin rrugën për aplikime të reja të pajisjeve foton-elektronike dhe të hedhin më shumë dritë mbi efektin e afërsisë në ndërfaqen superpërçues-metal.
Tensioni i shkaktuar nga foto në superpërçuesit me temperaturë të lartë është raportuar në fillim të viteve 1990 dhe është hetuar gjerësisht që atëherë, megjithatë natyra dhe mekanizmi i tij mbeten të pazgjidhura1,2,3,4,5. Veçanërisht filmat e hollë YBa2Cu3O7-δ (YBCO) 6,7,8 studiohen intensivisht në formën e qelizës fotovoltaike (PV) për shkak të hendekut të rregullueshëm të energjisë 9,10,11,12,13. Megjithatë, rezistenca e lartë e nënshtresës çon gjithmonë në një efikasitet të ulët të konvertimit të pajisjes dhe maskon vetitë kryesore PV të YBCO8. Këtu raportojmë efekt të jashtëzakonshëm fotovoltaik të shkaktuar nga ndriçimi me lazer blu (λ = 450 nm) në qeramikë YBa2Cu3O6.96 (YBCO) midis 50 dhe 300 K (Tc ~ 90 K). Ne tregojmë se efekti PV lidhet drejtpërdrejt me superpërçueshmërinë e YBCO dhe natyrën e ndërfaqes YBCO-elektrodë metalike. Ekziston një ndryshim i polaritetit për tensionin e qarkut të hapur Voc dhe rrymën e qarkut të shkurtër Isc kur YBCO i nënshtrohet një kalimi nga faza superpërcjellëse në një gjendje rezistente. Është propozuar që ekziston një potencial elektrik përgjatë ndërfaqes superpërçues-metal normal, i cili siguron forcën ndarëse për çiftet elektron-vrima të induktuara nga foto. Ky potencial i ndërfaqes drejtohet nga YBCO në elektrodën metalike kur YBCO është superpërçues dhe kalon në drejtim të kundërt kur kampioni bëhet josuperpërçues. Origjina e potencialit mund të lidhet natyrshëm me efektin e afërsisë14,15,16,17 në ndërfaqen metal-superpërçues kur YBCO është superpërçues dhe vlera e tij vlerësohet të jetë ~ 10−8 mV në 50 K me një intensitet lazer 502 mW /cm2. Kombinimi i një materiali të tipit p YBCO në gjendje normale me një material të tipit n Ag-paste formon, me shumë mundësi, një kryqëzim kuazi-pn i cili është përgjegjës për sjelljen PV të qeramikës YBCO në temperatura të larta. Vëzhgimet tona hedhin më shumë dritë mbi origjinën e efektit PV në qeramikën YBCO superpërcjellëse me temperaturë të lartë dhe hapin rrugën për aplikimin e saj në pajisjet optoelektronike si detektori i shpejtë pasiv i dritës etj.
Figura 1a–c tregon se karakteristikat IV të kampionit qeramik YBCO në 50 K. Pa ndriçim të lehtë, voltazhi në të gjithë kampionin mbetet në zero me ndryshimin e rrymës, siç mund të pritet nga një material superpërçues. Efekti i dukshëm fotovoltaik shfaqet kur rrezja lazer drejtohet në katodë (Fig. 1a): kthesat IV paralele me boshtin I lëvizin poshtë me rritjen e intensitetit të lazerit. Është e qartë se ekziston një tension negativ i shkaktuar nga foto edhe pa asnjë rrymë (shpesh quhet tension i qarkut të hapur Voc). Pjerrësia zero e kurbës IV tregon se kampioni është ende superpërçues nën ndriçimin me lazer.
(a–c) dhe 300 K (e–g). Vlerat e V(I) janë marrë duke fshirë rrymën nga -10 mA në +10 mA në vakum. Vetëm një pjesë e të dhënave eksperimentale është paraqitur për hir të qartësisë. a, Karakteristikat e tensionit të rrymës së YBCO të matura me pikë lazer të pozicionuar në katodë (i). Të gjitha kthesat IV janë vija të drejta horizontale që tregojnë se kampioni është ende superpërçues me rrezatim lazer. Kurba lëviz poshtë me rritjen e intensitetit të lazerit, duke treguar se ekziston një potencial negativ (Voc) midis dy prizave të tensionit edhe me rrymë zero. Lakoret IV mbeten të pandryshuara kur lazeri drejtohet në qendër të kampionit në eterin 50 K (b) ose 300 K (f). Vija horizontale lëviz lart ndërsa anoda ndriçohet (c). Një model skematik i bashkimit metal-mbipërçues në 50 K është paraqitur në d. Karakteristikat e rrymës-tensionit të gjendjes normale YBCO në 300 K të matura me rreze lazer të drejtuar në katodë dhe anodë janë dhënë përkatësisht në e dhe g. Ndryshe nga rezultatet në 50 K, pjerrësia jozero e vijave të drejta tregon se YBCO është në gjendje normale; vlerat e Voc ndryshojnë me intensitetin e dritës në një drejtim të kundërt, duke treguar një mekanizëm të ndryshëm të ndarjes së ngarkesës. Një strukturë e mundshme e ndërfaqes në 300 K është përshkruar në hj Pamja reale e mostrës me priza.
YBCO i pasur me oksigjen në gjendje superpërcjellëse mund të thithë pothuajse spektrin e plotë të dritës së diellit për shkak të hendekut shumë të vogël të energjisë (P.sh.) 9,10, duke krijuar kështu çifte elektron-vrima (e–h). Për të prodhuar një tension të qarkut të hapur Voc me anë të përthithjes së fotoneve, është e nevojshme të ndahen në mënyrë hapësinore çiftet eh të krijuara nga foto para se të ndodhë rikombinimi18. Voc negativ, në lidhje me katodën dhe anodën, siç tregohet në Fig. 1i, sugjeron se ekziston një potencial elektrik në të gjithë ndërfaqen metal-superpërçues, i cili fshin elektronet në anodë dhe vrimat në katodë. Nëse është kështu, duhet të ketë gjithashtu një potencial të drejtuar nga superpërçuesi në elektrodën metalike në anodë. Rrjedhimisht, një Voc pozitiv do të fitohej nëse zona e mostrës pranë anodës ndriçohet. Për më tepër, nuk duhet të ketë tensione të shkaktuara nga foto kur pika lazer është e drejtuar në zona larg elektrodave. Sigurisht që është kështu siç mund të shihet nga Fig. 1b,c!.
Kur pika e dritës lëviz nga elektroda e katodës në qendër të kampionit (rreth 1,25 mm larg nga ndërfaqet), nuk mund të vërehet asnjë ndryshim i kthesave IV dhe asnjë Voc me rritjen e intensitetit të lazerit në vlerën maksimale të disponueshme (Fig. 1b) . Natyrisht, ky rezultat mund t'i atribuohet jetëgjatësisë së kufizuar të transportuesve të induktuar nga foto dhe mungesës së forcës ndarëse në mostër. Çiftet e vrimave elektronike mund të krijohen sa herë që kampioni ndriçohet, por shumica e çifteve e-h do të asgjësohen dhe nuk vërehet asnjë efekt fotovoltaik nëse pika e lazerit bie në zona shumë larg nga ndonjë elektrodë. Duke lëvizur pikën e lazerit në elektrodat e anodës, kthesat IV paralele me boshtin I lëvizin lart me rritjen e intensitetit të lazerit (Fig. 1c). Fushë elektrike e integruar e ngjashme ekziston në kryqëzimin metal-mbipërçues në anodë. Megjithatë, elektroda metalike këtë herë lidhet me plumbin pozitiv të sistemit të testimit. Vrimat e prodhuara nga lazeri shtyhen në plumbin e anodës dhe kështu vërehet një Voc pozitiv. Rezultatet e paraqitura këtu ofrojnë prova të forta se ekziston me të vërtetë një potencial i ndërfaqes që tregon nga superpërçuesi te elektroda metalike.
Efekti fotovoltaik në qeramikën YBa2Cu3O6.96 në 300 K është paraqitur në Fig. 1e–g. Pa ndriçim të lehtë, kurba IV e kampionit është një vijë e drejtë që kalon origjinën. Kjo vijë e drejtë lëviz lart paralelisht me atë origjinale me rritjen e intensitetit të lazerit që rrezatohet në prizat e katodës (Fig. 1e). Ekzistojnë dy raste kufizuese me interes për një pajisje fotovoltaike. Gjendja e lidhjes së shkurtër ndodh kur V = 0. Rryma në këtë rast quhet rryma e qarkut të shkurtër (Isc). Rasti i dytë kufizues është gjendja e qarkut të hapur (Voc) që ndodh kur R→∞ ose rryma është zero. Figura 1e tregon qartë se Voc është pozitiv dhe rritet me rritjen e intensitetit të dritës, në kontrast me rezultatin e marrë në 50 K; ndërsa një ISC negative vërehet të rritet në madhësi me ndriçimin e dritës, një sjellje tipike e qelizave diellore normale.
Në mënyrë të ngjashme, kur rrezja e lazerit drejtohet në zona shumë larg elektrodave, kurba V(I) është e pavarur nga intensiteti i lazerit dhe nuk shfaqet asnjë efekt fotovoltaik (Fig. 1f). Ngjashëm me matjen në 50 K, kthesat IV lëvizin në drejtim të kundërt ndërsa elektroda e anodës rrezatohet (Fig. 1g). Të gjitha këto rezultate të marra për këtë sistem paste YBCO-Ag në 300 K me lazer të rrezatuar në pozicione të ndryshme të kampionit janë në përputhje me një potencial ndërfaqe të kundërt me atë të vërejtur në 50 K.
Shumica e elektroneve kondensohen në çifte Cooper në YBCO superpërcjellëse nën temperaturën e tij të tranzicionit Tc. Ndërsa në elektrodën metalike, të gjitha elektronet mbeten në formë njëjës. Ekziston një gradient i madh densiteti për të dy elektronet singulare dhe çiftet Cooper në afërsi të ndërfaqes metal-superpërçues. Elektronet singulare me shumicë bartëse në materialin metalik do të shpërndahen në rajonin e superpërcjellësit, ndërsa çiftet Cooper me shumicë bartëse në rajonin YBCO do të shpërndahen në rajonin metalik. Ndërsa çiftet e Cooper-it që mbartin më shumë ngarkesa dhe kanë një lëvizshmëri më të madhe se elektronet e vetme shpërndahen nga YBCO në rajonin metalik, atomet e ngarkuar pozitivisht mbeten pas, duke rezultuar në një fushë elektrike në rajonin e ngarkesës hapësinore. Drejtimi i kësaj fushe elektrike është paraqitur në diagramin skematik Fig. 1d. Ndriçimi i fotonit të rastësishëm pranë rajonit të ngarkesës hapësinore mund të krijojë çifte eh që do të ndahen dhe do të fshihen duke prodhuar një rrymë fotoje në drejtimin e animit të kundërt. Sapo elektronet dalin nga fusha elektrike e integruar, ato kondensohen në çifte dhe rrjedhin në elektrodën tjetër pa rezistencë. Në këtë rast, Voc është i kundërt me polaritetin e paracaktuar dhe shfaq një vlerë negative kur rrezja lazer tregon zonën rreth elektrodës negative. Nga vlera e Voc, mund të vlerësohet potenciali në të gjithë ndërfaqen: distanca midis dy prizave të tensionit d është ~5 × 10−3 m, trashësia e ndërfaqes metal-superpërçues, di, duhet të jetë e njëjta renditje e madhësisë pasi gjatësia e koherencës së superpërcjellësit YBCO (~1 nm) 19,20, merr vlerën e Voc = 0,03 mV, Vms potencial në ndërfaqen metal-mbipërçues vlerësohet të jetë ~ 10−11 V në 50 K me një intensitet lazer prej 502 mW/cm2, duke përdorur ekuacionin,
Duam të theksojmë këtu se voltazhi i induktuar nga foto nuk mund të shpjegohet me efektin termik foto. Është vërtetuar eksperimentalisht se koeficienti Seebeck i superpërçuesit YBCO është Ss = 021. Koeficienti Seebeck për telat e plumbit të bakrit është në intervalin SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperatura e telit të bakrit në pikën e lazerit mund të rritet me një sasi të vogël prej 0,06 K me intensitet maksimal lazer të disponueshëm në 50 K. Kjo mund të prodhojë një potencial termoelektrik prej 6,9 × 10−8 V, i cili është tre renditje me madhësi më të vogël se Voc i marrë në Fig 1 (a). Është e qartë se efekti termoelektrik është shumë i vogël për të shpjeguar rezultatet eksperimentale. Në fakt, ndryshimi i temperaturës për shkak të rrezatimit lazer do të zhdukej në më pak se një minutë, në mënyrë që kontributi nga efekti termik të mund të injorohet në mënyrë të sigurt.
Ky efekt fotovoltaik i YBCO në temperaturën e dhomës zbulon se këtu përfshihet një mekanizëm i ndryshëm i ndarjes së ngarkesës. YBCO superpërcjellëse në gjendje normale është një material i tipit p me vrima si bartës ngarkese22,23, ndërsa pasta metalike Ag ka karakteristikat e një materiali të tipit n. Ngjashëm me kryqëzimet pn, difuzioni i elektroneve në pastën e argjendit dhe vrimat në qeramikën YBCO do të formojë një fushë elektrike të brendshme që tregon qeramikën YBCO në ndërfaqe (Fig. 1h). Është kjo fushë e brendshme që siguron forcën e ndarjes dhe çon në një Voc pozitiv dhe Isc negativ për sistemin e pastës YBCO-Ag në temperaturën e dhomës, siç tregohet në Fig. 1e. Përndryshe, Ag-YBCO mund të formojë një kryqëzim Schottky të tipit p, i cili gjithashtu çon në një potencial ndërfaqeje me të njëjtin polaritet si në modelin e paraqitur më sipër24.
Për të hetuar procesin e detajuar të evolucionit të vetive fotovoltaike gjatë tranzicionit superpërcjellës të YBCO, lakoret IV të kampionit në 80 K u matën me intensitete të zgjedhura lazer që ndriçojnë në elektrodën katodë (Fig. 2). Pa rrezatim lazer, voltazhi në të gjithë kampionin mbahet në zero pavarësisht nga rryma, duke treguar gjendjen superpërcjellëse të kampionit në 80 K (Fig. 2a). Ngjashëm me të dhënat e marra në 50 K, lakoret IV paralele me boshtin I lëvizin poshtë me rritjen e intensitetit të lazerit derisa të arrihet një vlerë kritike Pc. Mbi këtë intensitet kritik lazer (Pc), superpërçuesi i nënshtrohet një tranzicioni nga një fazë superpërcjellëse në një fazë rezistente; tensioni fillon të rritet me rrymë për shkak të shfaqjes së rezistencës në superpërçues. Si rezultat, kurba IV fillon të kryqëzohet me boshtin I dhe boshtin V që çon në një Voc negativ dhe një Isc pozitiv në fillim. Tani kampioni duket të jetë në një gjendje të veçantë në të cilën polariteti i Voc dhe Isc është jashtëzakonisht i ndjeshëm ndaj intensitetit të dritës; me rritje shumë të vogël të intensitetit të dritës, Isc konvertohet nga pozitive në negative dhe Voc nga negative në vlerë pozitive, duke kaluar origjinën (ndjeshmëria e lartë e vetive fotovoltaike, veçanërisht vlera e Isc, ndaj ndriçimit të dritës mund të shihet më qartë në Fig. 2b). Në intensitetin më të lartë të disponueshëm të lazerit, kthesat IV synojnë të jenë paralele me njëra-tjetrën, duke nënkuptuar gjendjen normale të kampionit YBCO.
Qendra e pikave lazer është e pozicionuar rreth elektrodave të katodës (shih Fig. 1i). a, lakoret IV të YBCO të rrezatuara me intensitete të ndryshme lazeri. b (lart), varësia e intensitetit të lazerit të tensionit të qarkut të hapur Voc dhe rrymës së qarkut të shkurtër Isc. Vlerat e Isc nuk mund të merren me intensitet të ulët të dritës (< 110 mW/cm2) sepse kurbat IV janë paralele me boshtin I kur kampioni është në gjendje superpërcjellëse. b (poshtë), rezistenca diferenciale në funksion të intensitetit të lazerit.
Varësia e intensitetit të lazerit të Voc dhe Isc në 80 K është paraqitur në Fig. 2b (lart). Karakteristikat fotovoltaike mund të diskutohen në tre rajone të intensitetit të dritës. Rajoni i parë është midis 0 dhe Pc, në të cilin YBCO është superpërçues, Voc është negativ dhe zvogëlohet (vlera absolute rritet) me intensitetin e dritës dhe duke arritur një minimum në Pc. Rajoni i dytë është nga Pc në një intensitet tjetër kritik P0, në të cilin Voc rritet ndërsa Isc zvogëlohet me rritjen e intensitetit të dritës dhe të dy arrijnë zero në P0. Rajoni i tretë është mbi P0 derisa të arrihet gjendja normale e YBCO. Megjithëse Voc dhe Isc ndryshojnë me intensitetin e dritës në të njëjtën mënyrë si në rajonin 2, ato kanë polaritet të kundërt mbi intensitetin kritik P0. Rëndësia e P0 qëndron në atë se nuk ka efekt fotovoltaik dhe mekanizmi i ndarjes së ngarkesës ndryshon cilësisht në këtë pikë të veçantë. Mostra YBCO bëhet jo superpërcjellëse në këtë gamë të intensitetit të dritës, por gjendja normale ende nuk është arritur.
Është e qartë se karakteristikat fotovoltaike të sistemit janë të lidhura ngushtë me superpërçueshmërinë e YBCO dhe tranzicionin e tij superpërcjellës. Rezistenca diferenciale, dV/dI, e YBCO është paraqitur në Fig. 2b (poshtë) si funksion i intensitetit të lazerit. Siç u përmend më parë, potenciali elektrik i integruar në ndërfaqe për shkak të pikave të difuzionit të çiftit Cooper nga superpërçuesi në metal. Ngjashëm me atë të vërejtur në 50 K, efekti fotovoltaik përmirësohet me rritjen e intensitetit të lazerit nga 0 në Pc. Kur intensiteti i lazerit arrin një vlerë pak mbi Pc, kurba IV fillon të anohet dhe rezistenca e kampionit fillon të shfaqet, por polariteti i potencialit të ndërfaqes nuk është ndryshuar ende. Efekti i ngacmimit optik në superpërçueshmëri është hetuar në rajonin e dukshëm ose afër IR. Ndërsa procesi bazë është të ndahen çiftet e Cooper dhe të shkatërrohet superpërcjellshmëria25,26, në disa raste tranzicioni i superpërcjellshmërisë mund të përmirësohet27,28,29, madje mund të nxiten faza të reja të superpërcjellshmërisë30. Mungesa e superpërçueshmërisë në PC mund t'i atribuohet thyerjes së çiftit të shkaktuar nga foto. Në pikën P0, potenciali në të gjithë ndërfaqen bëhet zero, duke treguar se dendësia e ngarkesës në të dy anët e ndërfaqes arrin të njëjtin nivel nën këtë intensitet të veçantë të ndriçimit të dritës. Rritja e mëtejshme e intensitetit të lazerit rezulton në shkatërrimin e më shumë çifteve Cooper dhe YBCO shndërrohet gradualisht përsëri në një material të tipit p. Në vend të difuzionit të çiftit elektron dhe Cooper, veçoria e ndërfaqes përcaktohet tani nga difuzioni i elektroneve dhe vrimave që çon në një ndryshim të polaritetit të fushës elektrike në ndërfaqe dhe rrjedhimisht një Voc pozitiv (krahaso Fig.1d,h). Në intensitet shumë të lartë lazeri, rezistenca diferenciale e YBCO ngopet në një vlerë që korrespondon me gjendjen normale dhe si Voc ashtu edhe Isc priren të ndryshojnë në mënyrë lineare me intensitetin e lazerit (Fig. 2b). Ky vëzhgim zbulon se rrezatimi lazer në gjendjen normale YBCO nuk do të ndryshojë më rezistencën e tij dhe tiparin e ndërfaqes superpërçues-metal, por vetëm do të rrisë përqendrimin e çifteve elektron-vrima.
Për të hetuar efektin e temperaturës në vetitë fotovoltaike, sistemi metal-superpërçues u rrezatua në katodë me lazer blu me intensitet 502 mW/cm2. Lakoret IV të marra në temperatura të zgjedhura ndërmjet 50 dhe 300 K janë dhënë në Fig. 3a. Tensioni i qarkut të hapur Voc, rryma e qarkut të shkurtër Isc dhe rezistenca diferenciale mund të merren më pas nga këto kthesa IV dhe janë paraqitur në Fig. 3b. Pa ndriçim të lehtë, të gjitha kthesat IV të matura në temperatura të ndryshme kalojnë origjinën siç pritej (futja e Fig. 3a). Karakteristikat IV ndryshojnë në mënyrë drastike me rritjen e temperaturës kur sistemi ndriçohet nga një rreze lazer relativisht e fortë (502 mW/cm2). Në temperatura të ulëta kurbat IV janë vija të drejta paralele me boshtin I me vlera negative të Voc. Kjo kurbë lëviz lart me rritjen e temperaturës dhe gradualisht kthehet në një vijë me një pjerrësi jozero në një temperaturë kritike Tcp (Fig. 3a (lart)). Duket se të gjitha kthesat karakteristike IV rrotullohen rreth një pike në kuadrantin e tretë. Voc rritet nga një vlerë negative në një pozitive ndërsa Isc zvogëlohet nga një vlerë pozitive në një vlerë negative. Mbi temperaturën origjinale të tranzicionit superpërcjellës Tc të YBCO, kurba IV ndryshon më shumë me temperaturën (në fund të Fig. 3a). Së pari, qendra e rrotullimit të kurbave IV lëviz në kuadrantin e parë. Së dyti, Voc vazhdon të ulet dhe Isc rritet me rritjen e temperaturës (në krye të Fig. 3b). Së treti, pjerrësia e kurbave IV rritet në mënyrë lineare me temperaturën duke rezultuar në një koeficient pozitiv të temperaturës së rezistencës për YBCO (në fund të Fig. 3b).
Varësia nga temperatura e karakteristikave fotovoltaike për sistemin e pastës YBCO-Ag nën ndriçimin lazer 502 mW/cm2.
Qendra e pikave lazer është e pozicionuar rreth elektrodave të katodës (shih Fig. 1i). a, lakoret IV të marra nga 50 në 90 K (lart) dhe nga 100 në 300 K (poshtë) me një rritje të temperaturës përkatësisht 5 K dhe 20 K. Inset a tregon karakteristikat IV në disa temperatura në errësirë. Të gjitha kthesat kalojnë pikën e origjinës. b, tensioni i qarkut të hapur Voc dhe rryma e qarkut të shkurtër Isc (lart) dhe rezistenca diferenciale, dV/dI, e YBCO (poshtë) në funksion të temperaturës. Temperatura e tranzicionit superpërcjellës me rezistencë zero Tcp nuk është dhënë sepse është shumë afër Tc0.
Tre temperatura kritike mund të njihen nga Fig. 3b: Tcp, mbi të cilën YBCO bëhet jo superpërcjellëse; Tc0, në të cilën Voc dhe Isc bëhen zero dhe Tc, temperatura fillestare e tranzicionit superpërcjellëse e YBCO pa rrezatim lazer. Nën Tcp ~ 55 K, YBCO i rrezatuar me lazer është në gjendje superpërcjellëse me përqendrim relativisht të lartë të çifteve Cooper. Efekti i rrezatimit me lazer është të zvogëlojë temperaturën e tranzicionit superpërcjellës me rezistencë zero nga 89 K në ~55 K (në fund të Fig. 3b) duke reduktuar përqendrimin e çiftit Cooper përveç prodhimit të tensionit dhe rrymës fotovoltaike. Rritja e temperaturës gjithashtu prish çiftet Cooper duke çuar në një potencial më të ulët në ndërfaqe. Rrjedhimisht, vlera absolute e Voc do të bëhet më e vogël, megjithëse aplikohet i njëjti intensitet i ndriçimit me lazer. Potenciali i ndërfaqes do të bëhet gjithnjë e më i vogël me rritjen e mëtejshme të temperaturës dhe do të arrijë zero në Tc0. Nuk ka asnjë efekt fotovoltaik në këtë pikë të veçantë, sepse nuk ka fushë të brendshme për të ndarë çiftet elektron-vrima të induktuara nga foto. Një ndryshim i polaritetit të potencialit ndodh mbi këtë temperaturë kritike pasi dendësia e ngarkesës së lirë në pastën Ag është më e madhe se ajo në YBCO e cila gradualisht transferohet përsëri në një material të tipit p. Këtu duam të theksojmë se përmbysja e polaritetit të Voc dhe Isc ndodh menjëherë pas tranzicionit superpërçues me rezistencë zero, pavarësisht nga shkaku i tranzicionit. Ky vëzhgim zbulon qartë, për herë të parë, korrelacionin midis superpërçueshmërisë dhe efekteve fotovoltaike të lidhura me potencialin e ndërfaqes metal-superpërçues. Natyra e këtij potenciali në të gjithë ndërfaqen superpërçues-metal normal ka qenë një fokus kërkimor për dekadat e fundit, por ka shumë pyetje që presin ende për t'u përgjigjur. Matja e efektit fotovoltaik mund të rezultojë të jetë një metodë efektive për të eksploruar detajet (si forca dhe polariteti i tij etj.) të këtij potenciali të rëndësishëm dhe kështu të hedhë dritë mbi efektin e afërsisë superpërcjellëse të temperaturës së lartë.
Rritja e mëtejshme e temperaturës nga Tc0 në Tc çon në një përqendrim më të vogël të çifteve Cooper dhe një përmirësim në potencialin e ndërfaqes dhe rrjedhimisht Voc më të madh. Në Tc, përqendrimi i çiftit Cooper bëhet zero dhe potenciali i integruar në ndërfaqe arrin një maksimum, duke rezultuar në Voc maksimale dhe Isc minimale. Rritja e shpejtë e Voc dhe Isc (vlera absolute) në këtë interval të temperaturës korrespondon me tranzicionin superpërcjellës i cili zgjerohet nga ΔT ~ 3 K në ~ 34 K nga rrezatimi lazer me intensitet 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Në gjendjet normale mbi Tc, voltazhi i qarkut të hapur Voc zvogëlohet me temperaturën (në krye të Fig. 3b), e ngjashme me sjelljen lineare të Voc për qelizat diellore normale bazuar në kryqëzimet pn31,32,33. Megjithëse shkalla e ndryshimit të Voc me temperaturën (−dVoc/dT), e cila varet fuqishëm nga intensiteti i lazerit, është shumë më e vogël se ajo e qelizave diellore normale, koeficienti i temperaturës së Voc për kryqëzimin YBCO-Ag ka të njëjtin rend të madhësisë si ai të qelizave diellore. Rryma e rrjedhjes së një kryqëzimi pn për një pajisje normale të qelizave diellore rritet me rritjen e temperaturës, duke çuar në një ulje të Voc me rritjen e temperaturës. Lakoret lineare IV të vërejtura për këtë sistem Ag-mbipërçues, së pari për shkak të potencialit shumë të vogël të ndërfaqes dhe së dyti lidhjes së pasme të dy heterobashkimeve, e bën të vështirë përcaktimin e rrymës së rrjedhjes. Sidoqoftë, duket shumë e mundshme që e njëjta varësi nga temperatura e rrymës së rrjedhjes është përgjegjëse për sjelljen Voc të vëzhguar në eksperimentin tonë. Sipas përkufizimit, Isc është rryma e nevojshme për të prodhuar një tension negativ për të kompensuar Voc në mënyrë që voltazhi total të jetë zero. Me rritjen e temperaturës, Voc bëhet më i vogël, kështu që nevojitet më pak rrymë për të prodhuar tensionin negativ. Për më tepër, rezistenca e YBCO rritet në mënyrë lineare me temperaturën mbi Tc (në fund të Fig. 3b), e cila gjithashtu kontribuon në vlerën më të vogël absolute të Isc në temperatura të larta.
Vini re se rezultatet e dhëna në Fig 2,3 janë marrë nga rrezatimi me lazer në zonën rreth elektrodave katodë. Matjet janë përsëritur gjithashtu me spot lazer të pozicionuar në anodë dhe janë vërejtur karakteristika të ngjashme IV dhe veti fotovoltaike, përveç se polariteti i Voc dhe Isc është ndryshuar në këtë rast. Të gjitha këto të dhëna çojnë në një mekanizëm për efektin fotovoltaik, i cili është i lidhur ngushtë me ndërfaqen superpërçues-metal.
Në përmbledhje, karakteristikat IV të sistemit të pastës superpërcjellëse YBCO-Ag të rrezatuar me lazer janë matur si funksione të temperaturës dhe intensitetit të lazerit. Efekti i jashtëzakonshëm fotovoltaik është vërejtur në intervalin e temperaturës nga 50 në 300 K. Është gjetur se vetitë fotovoltaike lidhen fort me superpërçueshmërinë e qeramikës YBCO. Një ndryshim i polaritetit të Voc dhe Isc ndodh menjëherë pas tranzicionit superpërcjellës në josuperpërcjellës të induktuar nga foto. Varësia nga temperatura e Voc dhe Isc e matur me intensitet fiks lazer tregon gjithashtu një ndryshim të veçantë të polaritetit në një temperaturë kritike mbi të cilën kampioni bëhet rezistent. Duke vendosur vendin e lazerit në pjesë të ndryshme të kampionit, ne tregojmë se ekziston një potencial elektrik në të gjithë ndërfaqen, i cili siguron forcën e ndarjes për çiftet elektron-vrima të induktuara nga foto. Ky potencial i ndërfaqes drejtohet nga YBCO në elektrodën metalike kur YBCO është superpërçues dhe kalon në drejtim të kundërt kur kampioni bëhet josuperpërçues. Origjina e potencialit mund të lidhet natyrshëm me efektin e afërsisë në ndërfaqen metal-superpërçues kur YBCO është superpërçues dhe vlerësohet të jetë ~ 10-8 mV në 50 K me një intensitet lazer 502 mW/cm2. Kontakti i një materiali të tipit p YBCO në gjendje normale me një material të tipit n Ag-paste formon një bashkim kuazi-pn i cili është përgjegjës për sjelljen fotovoltaike të qeramikës YBCO në temperatura të larta. Vëzhgimet e mësipërme hedhin dritë mbi efektin PV në qeramikën YBCO superpërcjellëse me temperaturë të lartë dhe hapin rrugën për aplikime të reja në pajisjet optoelektronike si detektor i shpejtë pasiv i dritës dhe detektor i vetëm foton.
Eksperimentet e efektit fotovoltaik u kryen në një mostër qeramike YBCO me trashësi 0,52 mm dhe formë drejtkëndore 8,64 × 2,26 mm2 dhe e ndriçuar nga lazeri blu me valë të vazhdueshme (λ = 450 nm) me madhësi të pikës lazer prej 1,25 mm në rreze. Përdorimi i mostrës së madhe dhe jo të shtresës së hollë na mundëson të studiojmë vetitë fotovoltaike të superpërçuesit pa pasur nevojë të përballemi me ndikimin kompleks të nënshtresës6,7. Për më tepër, materiali me shumicë mund të jetë i favorshëm për procedurën e thjeshtë të përgatitjes dhe koston relativisht të ulët. Telat e plumbit të bakrit janë të lidhura në kampionin YBCO me pastë argjendi duke formuar katër elektroda rrethore me diametër rreth 1 mm. Distanca midis dy elektrodave të tensionit është rreth 5 mm. Karakteristikat IV të kampionit u matën duke përdorur magnetometrin e mostrës së vibrimit (VersaLab, Quantum Design) me një dritare kristal kuarci. Metoda standarde me katër tela u përdor për të marrë kurbat IV. Pozicionet relative të elektrodave dhe pika lazer janë paraqitur në Fig. 1i.
Si të citojmë këtë artikull: Yang, F. et al. Origjina e efektit fotovoltaik në qeramikën superpërçuese YBa2Cu3O6.96. Shkencë. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Tensionet e induktuara nga lazeri të ndaluara nga simetria në YBa2Cu3O7. Fiz. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Origjina e sinjalit fotovoltaik anormal në Y-Ba-Cu-O. Fiz. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Matja e tensioneve të induktuara nga lazeri të superpërçuesve Bi-Sr-Ca-Cu-O. Fiz. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, etj. Tensionet kalimtare të shkaktuara nga lazeri në filmat në temperaturë dhome të YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Fiz. 67, 4375-4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Përgjigje anormale fotovoltaike në YBa2Cu3O7. Fiz. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injeksion i bartësit të vrimave të fotogjeneruara në YBa2Cu3O7−x në një heterostrukturë oksidi. Aplikim Fiz. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Studimi i fotoemetimit të filmave të hollë YBa2Cu3Oy nën ndriçim të lehtë. Fiz. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Efekti fotovoltaik i heterobashkimit YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb i pjekur në presione të ndryshme të pjesshme të oksigjenit. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Struktura me dy boshllëqe në kristalet e vetme Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Superkond. 7, 361-365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamika e relaksimit të kuazipartikulave në superpërçues me struktura të ndryshme të boshllëkut: Teoria dhe eksperimentet në YBa2Cu3O7-δ. Fiz. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Vetitë korrigjuese të heterobashkimit YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Aplikim Fiz. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Absorbimi eksitonik dhe superpërçueshmëria në YBa2Cu3O7-δ. Fiz. Rev. Lett. 59, 919-922 (1987).
Yu. Komuna e Gjendjes së Ngurtë. 72, 345-349 (1989).
McMillan, modeli WL Tuneling i efektit të afërsisë superpërcjellëse. Fiz. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Efekti i afërsisë superpërcjellëse i testuar në një shkallë gjatësie mesoskopike. Fiz. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efekti i afërsisë me superpërçues jocentrosimetrik. Fiz. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Efekti i fortë i afërsisë superpërcjellëse në strukturat hibride Pb-Bi2Te3. Shkencë. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Një fotocelë e re me lidhje pn silikoni për konvertimin e rrezatimit diellor në energji elektrike. J. App. Fiz. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Efektet e papastërtisë në gjatësinë e koherencës superpërcjellëse në kristalet e vetme YBa2Cu3O6.9 të dopuara nga Zn ose Ni. Fiz. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetorezistenca e kristaleve të vetme YBa2Cu3Oy të untwinned në një gamë të gjerë dopingu: vartësia anormale e vrimave-doping të gjatësisë së koherencës. Fiz. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika në fuqinë termoelektrike të oksideve të larta T. Fiz. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Zhvendosja e momentit të varur nga dendësia e bartësit të pikut koherent dhe modalitetit të fononit LO në superpërçuesit e tipit p me Tc të lartë. Fiz. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Reduktimi i vrimave dhe akumulimi i elektroneve në filmat e hollë YBa2Cu3Oy duke përdorur një teknikë elektrokimike: Dëshmi për një gjendje metalike të tipit n. Fiz. Rev B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizika dhe kimia e lartësisë së pengesës Schottky. Aplikim Fiz. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efektet e thyerjes dinamike të çifteve të jashtme në filmat superpërcjellës. Fiz. Rev. Lett. 33, 215-219 (1974).
Nieva, G. et al. Përmirësimi i superpërçueshmërisë i shkaktuar nga foto. Aplikim Fiz. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI etj. Fotopërçueshmëria e vazhdueshme në filmat YBa2Cu3O6+x si një metodë e fotodopingut drejt fazave metalike dhe superpërçuese. Fiz. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Dinamika jolineare e rrjetës si bazë për superpërçueshmëri të zgjeruar në YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Superpërcjellshmëria e induktuar nga drita në një cuprate të renditur me shirita. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Varësia funksionale nga temperatura e VOC për një qelizë diellore në lidhje me efikasitetin e saj qasje të re. Dekripëzimi 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Efektet e temperaturës në qelizat diellore të silikonit me barrierë Schottky. Aplikim Fiz. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Varësia nga temperatura për parametrat e pajisjes fotovoltaike të qelizave diellore polimer-fulleren në kushte funksionimi. J. Appl. Fiz. 90, 5343–5350 (2002).
Kjo punë është mbështetur nga Fondacioni Kombëtar i Shkencave Natyrore të Kinës (Nr. Grant 60571063), Projektet Kërkimore Fundamentale të Provincës Henan, Kinë (Nr. Grant 122300410231).
VF shkroi tekstin e letrës dhe MYH përgatiti mostrën e qeramikës YBCO. FY dhe MYH kryen eksperimentin dhe analizuan rezultatet. FGC udhëhoqi projektin dhe interpretimin shkencor të të dhënave. Të gjithë autorët e rishikuan dorëshkrimin.
Kjo punë është e licencuar sipas një licence ndërkombëtare Creative Commons Attribution 4.0. Imazhet ose materialet e tjera të palëve të treta në këtë artikull përfshihen në licencën Creative Commons të artikullit, përveç nëse tregohet ndryshe në linjën e kreditit; nëse materiali nuk përfshihet nën licencën Creative Commons, përdoruesit do të duhet të marrin leje nga mbajtësi i licencës për të riprodhuar materialin. Për të parë një kopje të kësaj licence, vizitoni http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Origjina e efektit fotovoltaik në qeramikën superpërçuese YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Duke dorëzuar një koment, ju pranoni t'i përmbaheni Kushteve tona dhe Udhëzimeve të Komunitetit. Nëse gjeni diçka abuzive ose që nuk përputhet me kushtet ose udhëzimet tona, ju lutemi shënoni atë si të papërshtatshme.
Koha e postimit: 22 Prill 2020