Tack för att du besöker nature.com. Du använder en webbläsarversion med begränsat stöd för CSS. För att få den bästa upplevelsen rekommenderar vi att du använder en mer uppdaterad webbläsare (eller stänger av kompatibilitetsläget i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Vi rapporterar en anmärkningsvärd fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik mellan 50 och 300 K inducerad av blålaserbelysning, som är direkt relaterad till supraledningsförmågan hos YBCO och YBCO-metalliska elektrodgränssnittet. Det finns en polaritetsomkastning för öppen kretsspänningen Voc och kortslutningsströmmen Isc när YBCO genomgår en övergång från supraledande till resistivt tillstånd. Vi visar att det finns en elektrisk potential över superledarens normala metallgränssnitt, vilket ger separationskraften för de fotoinducerade elektron-hålparen. Denna gränssnittspotential leder från YBCO till metallelektroden när YBCO är supraledande och växlar till motsatt riktning när YBCO blir icke-supraledande. Ursprunget till potentialen kan lätt associeras med närhetseffekten vid metall-supraledare-gränssnittet när YBCO är supraledande och dess värde uppskattas till ~10–8 mV vid 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombination av ett material av p-typ YBCO i normalt tillstånd med ett material av n-typ Ag-pasta bildar en kvasi-pn-övergång som är ansvarig för det fotovoltaiska beteendet hos YBCO-keramik vid höga temperaturer. Våra resultat kan bana väg för nya tillämpningar av fotonelektroniska enheter och kasta ytterligare ljus över närhetseffekten vid gränssnittet mellan supraledare och metall.
Fotoinducerad spänning i högtemperatursupraledare har rapporterats i början av 1990-talet och har undersökts mycket sedan dess, men dess natur och mekanism förblir osäkra1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tunna filmer6,7,8, i synnerhet, studeras intensivt i form av solceller (PV) på grund av dess justerbara energigap9,10,11,12,13. Hög resistans hos substratet leder dock alltid till en låg omvandlingseffektivitet hos enheten och maskerar de primära PV-egenskaperna hos YBCO8. Här rapporterar vi anmärkningsvärd fotovoltaisk effekt inducerad av blålaser (λ = 450 nm) belysning i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik mellan 50 och 300 K (Tc ~ 90 K). Vi visar att PV-effekten är direkt relaterad till supraledningsförmågan hos YBCO och naturen hos YBCO-metallelektrodgränssnittet. Det finns en polaritetsomkastning för öppen kretsspänningen Voc och kortslutningsströmmen Isc när YBCO genomgår en övergång från supraledande fas till ett resistivt tillstånd. Det föreslås att det finns en elektrisk potential över superledarens normala metallgränssnitt, som tillhandahåller separationskraften för de fotoinducerade elektron-hålparen. Denna gränssnittspotential leder från YBCO till metallelektroden när YBCO är supraledande och växlar till motsatt riktning när provet blir icke-supraledande. Potentialens ursprung kan vara naturligt förknippat med närhetseffekten14,15,16,17 vid metall-supraledare-gränssnittet när YBCO är supraledande och dess värde uppskattas till ~10−8 mV vid 50 K med en laserintensitet på 502 mW /cm2. Kombination av ett material av p-typ YBCO i normalt tillstånd med ett material av n-typ Ag-pasta bildar troligen en kvasi-pn-övergång som är ansvarig för PV-beteendet hos YBCO-keramik vid höga temperaturer. Våra observationer kastar ytterligare ljus över ursprunget till PV-effekt i högtemperatursupraledande YBCO-keramik och banar väg för dess tillämpning i optoelektroniska enheter som snabb passiv ljusdetektor etc.
Figur 1a–c visar att IV-egenskaperna för YBCO keramiskt prov vid 50 K. Utan ljusbelysning förblir spänningen över provet på noll med växlande ström, vilket kan förväntas från ett supraledande material. Uppenbar fotovoltaisk effekt uppträder när laserstrålen riktas mot katoden (Fig. 1a): IV-kurvorna parallellt med I-axeln rör sig nedåt med ökande laserintensitet. Det är uppenbart att det finns en negativ fotoinducerad spänning även utan någon ström (ofta kallad öppen kretsspänning Voc). Nolllutningen på IV-kurvan indikerar att provet fortfarande är supraledande under laserbelysning.
(a–c) och 300 K (e–g). Värden på V(I) erhölls genom att svepa strömmen från -10 mA till +10 mA i vakuum. Endast en del av experimentdata presenteras för tydlighetens skull. a, Strömspänningsegenskaper för YBCO mätt med laserpunkten placerad vid katoden (i). Alla IV-kurvorna är horisontella raka linjer som indikerar att provet fortfarande är supraledande med laserbestrålning. Kurvan rör sig nedåt med ökande laserintensitet, vilket indikerar att det finns en negativ potential (Voc) mellan de två spänningsledningarna även med noll ström. IV-kurvorna förblir oförändrade när lasern är riktad mot mitten av provet vid eter 50 K (b) eller 300 K (f). Den horisontella linjen rör sig uppåt när anoden är upplyst (c). En schematisk modell av metall-supraledarövergång vid 50 K visas i d. Strömspänningsegenskaper för normaltillstånd YBCO vid 300 K mätt med laserstrålen riktad mot katod och anod anges i e respektive g. I motsats till resultaten vid 50 K indikerar lutning som inte är noll för de raka linjerna att YBCO är i normalt tillstånd; värdena för Voc varierar med ljusintensiteten i motsatt riktning, vilket indikerar en annan laddningsseparationsmekanism. En möjlig gränssnittsstruktur vid 300 K visas i hj Den verkliga bilden av provet med avledningar.
Syrerikt YBCO i supraledande tillstånd kan absorbera nästan hela spektrumet av solljus på grund av dess mycket lilla energigap (Eg)9,10 och därigenom skapa elektron-hålpar (e–h). För att producera en öppen kretsspänning Voc genom absorption av fotoner, är det nödvändigt att rumsligt separera fotogenererade eh-par innan rekombination sker18. Den negativa Voc, i förhållande till katoden och anoden, såsom visas i Fig. I, antyder att det finns en elektrisk potential över metall-supraledare-gränssnittet, som sveper elektronerna till anoden och hål till katoden. Om så är fallet bör det också finnas en potential som pekar från supraledaren till metallelektroden vid anoden. Följaktligen skulle en positiv Voc erhållas om provområdet nära anoden är upplyst. Dessutom bör det inte finnas några fotoinducerade spänningar när laserpunkten pekar mot områden långt från elektroderna. Det är förvisso fallet som framgår av fig. 1b,c!.
När ljusfläcken rör sig från katodelektroden till mitten av provet (cirka 1,25 mm från gränssnitten), kan ingen variation av IV-kurvor och ingen Voc observeras med ökande laserintensitet till det maximala värdet som är tillgängligt (Fig. 1b). . Naturligtvis kan detta resultat tillskrivas den begränsade livslängden för fotoinducerade bärare och avsaknaden av separationskraft i provet. Elektron-hålspar kan skapas när provet är belyst, men de flesta av e–h-paren kommer att förintas och ingen fotovoltaisk effekt observeras om laserfläcken faller på områden långt borta från någon av elektroderna. När laserpunkten flyttas till anodelektroderna, rör sig IV-kurvorna parallellt med I-axeln uppåt med ökande laserintensitet (Fig. 1c). Liknande inbyggt elektriskt fält finns i metall-supraledarövergången vid anoden. Den metalliska elektroden ansluter dock till testsystemets positiva ledning denna gång. Hålen som produceras av lasern trycks till anodledningen och sålunda observeras en positiv Voc. Resultaten som presenteras här ger starka bevis för att det verkligen finns en gränssnittspotential som pekar från supraledaren till metallelektroden.
Fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96-keramik vid 300 K visas i Fig. 1e–g. Utan ljusbelysning är provets IV-kurva en rät linje som korsar origo. Denna räta linje rör sig uppåt parallellt med den ursprungliga med ökande laserintensitet som strålar vid katodledarna (fig. le). Det finns två begränsande fall av intresse för en solcellsapparat. Kortslutningstillståndet uppstår när V = 0. Strömmen i detta fall kallas kortslutningsströmmen (Isc). Det andra begränsningsfallet är tomgångstillståndet (Voc) som uppstår när R→∞ eller strömmen är noll. Figur le visar tydligt att Voc är positivt och ökar med ökande ljusintensitet, i motsats till resultatet som erhålls vid 50 K; medan en negativ Isc observeras öka i magnitud med ljusbelysning, ett typiskt beteende för normala solceller.
På liknande sätt, när laserstrålen riktas mot områden långt bort från elektroderna, är V(I)-kurvan oberoende av laserintensiteten och det finns ingen fotovoltaisk effekt (fig. 1f). I likhet med mätningen vid 50 K, rör sig IV-kurvorna i motsatt riktning när anodelektroden bestrålas (fig. 1g). Alla dessa resultat som erhållits för detta YBCO-Ag-pastasystem vid 300 K med laser bestrålad vid olika positioner av provet överensstämmer med en gränssnittspotential som är motsatt den som observerats vid 50 K.
De flesta elektroner kondenserar i Cooper-par i supraledande YBCO under dess övergångstemperatur Tc. Medan de är i metallelektroden förblir alla elektroner i singularisform. Det finns en stor densitetsgradient för både singulära elektroner och Cooper-par i närheten av metall-supraledare-gränssnittet. Majoritetsbärarsingularelektroner i metalliskt material kommer att diffundera in i supraledarområdet, medan majoritetsbärar-Cooper-par i YBCO-området kommer att diffundera in i metallområdet. När Cooper-par som bär fler laddningar och har en större rörlighet än singulära elektroner diffunderar från YBCO till metallområdet, lämnas positivt laddade atomer kvar, vilket resulterar i ett elektriskt fält i rymdladdningsområdet. Riktningen för detta elektriska fält visas i det schematiska diagrammet Fig. Id. Infallande fotonbelysning nära rymdladdningsområdet kan skapa eh-par som kommer att separeras och svepas ut och producerar en fotoström i den omvända förspänningsriktningen. Så fort elektronerna kommer ut ur det inbyggda elektriska fältet kondenseras de i par och flyter till den andra elektroden utan motstånd. I detta fall är Voc motsatt den förinställda polariteten och visar ett negativt värde när laserstrålen pekar mot området runt den negativa elektroden. Från värdet på Voc kan potentialen över gränssnittet uppskattas: avståndet mellan de två spänningsledningarna d är ~5 × 10−3 m, tjockleken på metall-supraledargränssnittet, di, bör vara i samma storleksordning som koherenslängden för YBCO supraledare (~1 nm)19,20, ta värdet på Voc = 0,03 mV, potentialen Vms vid metall-supraledare-gränssnitt utvärderas till ~10−11 V vid 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2, med hjälp av ekvation,
Vi vill här betona att den fotoinducerade spänningen inte kan förklaras av fototermisk effekt. Det har experimentellt fastställts att Seebeck-koefficienten för supraledaren YBCO är Ss = 021. Seebeck-koefficienten för koppartrådar ligger i intervallet SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperaturen på koppartråden vid laserpunkten kan höjas med en liten mängd av 0,06 K med maximal laserintensitet tillgänglig vid 50 K. Detta kan ge en termoelektrisk potential på 6,9 × 10−8 V vilket är tre storleksordningar mindre än Voc erhållen i fig 1 (a). Det är uppenbart att termoelektrisk effekt är för liten för att förklara de experimentella resultaten. Faktum är att temperaturvariationen på grund av laserbestrålning skulle försvinna på mindre än en minut så att bidraget från termisk effekt säkert kan ignoreras.
Denna fotovoltaiska effekt av YBCO vid rumstemperatur avslöjar att en annan laddningsseparationsmekanism är inblandad här. Supraledande YBCO i normalt tillstånd är ett material av p-typ med hål som laddningsbärare22,23, medan metallisk Ag-pasta har egenskaper av ett material av n-typ. I likhet med pn-övergångar kommer diffusionen av elektroner i silverpastan och hålen i YBCO-keramen att bilda ett inre elektriskt fält som pekar mot YBCO-keramen vid gränssnittet (fig. 1h). Det är detta interna fält som tillhandahåller separationskraften och leder till en positiv Voc och negativ Isc för YBCO-Ag-pastasystemet vid rumstemperatur, som visas i Fig. 1e. Alternativt skulle Ag-YBCO kunna bilda en Schottky-övergång av p-typ som också leder till en gränssnittspotential med samma polaritet som i modellen presenterad ovan24.
För att undersöka den detaljerade utvecklingsprocessen för de fotovoltaiska egenskaperna under supraledande övergång av YBCO, mättes IV-kurvor av provet vid 80 K med utvalda laserintensiteter som lyser vid katodelektroden (Fig. 2). Utan laserbestrålning hålls spänningen över provet på noll oavsett ström, vilket indikerar det supraledande tillståndet för provet vid 80 K (Fig. 2a). I likhet med data som erhålls vid 50 K, rör sig IV-kurvor parallellt med I-axeln nedåt med ökande laserintensitet tills ett kritiskt värde Pc uppnås. Över denna kritiska laserintensitet (Pc) genomgår supraledaren en övergång från en supraledande fas till en resistiv fas; spänningen börjar öka med strömmen på grund av uppkomsten av motstånd i supraledaren. Som ett resultat börjar IV-kurvan att skära I-axeln och V-axeln, vilket leder till en negativ Voc och en positiv Isc till en början. Nu verkar provet vara i ett speciellt tillstånd där polariteten hos Voc och Isc är extremt känslig för ljusintensitet; med mycket liten ökning av ljusintensiteten omvandlas Isc från positivt till negativt och Voc från negativt till positivt värde, passerar origo (den höga känsligheten hos fotovoltaiska egenskaper, särskilt värdet av Isc, för ljusbelysning kan ses tydligare i fig. 2b). Vid den högsta tillgängliga laserintensiteten avser IV-kurvorna att vara parallella med varandra, vilket indikerar det normala tillståndet för YBCO-provet.
Laserpunktens centrum är placerat runt katodelektroderna (se fig. 1i). a, IV-kurvor av YBCO bestrålade med olika laserintensiteter. b (överst), Laserintensitetsberoende av öppen kretsspänning Voc och kortslutningsström Isc. Isc-värdena kan inte erhållas vid låg ljusintensitet (< 110 mW/cm2) eftersom IV-kurvorna är parallella med I-axeln när provet är i supraledande tillstånd. b (botten), differentiell resistans som en funktion av laserintensitet.
Laserintensitetsberoendet för Voc och Isc vid 80 K visas i fig. 2b (överst). De fotovoltaiska egenskaperna kan diskuteras i tre områden med ljusintensitet. Den första regionen är mellan 0 och Pc, där YBCO är supraledande, Voc är negativ och minskar (det absoluta värdet ökar) med ljusintensiteten och når ett minimum vid Pc. Den andra regionen är från Pc till en annan kritisk intensitet PO, där Voc ökar medan Isc minskar med ökande ljusintensitet och båda når noll vid PO. Den tredje regionen är över PO tills normalt tillstånd för YBCO uppnås. Även om både Voc och Isc varierar med ljusintensiteten på samma sätt som i region 2, har de motsatt polaritet över den kritiska intensiteten P0. Betydelsen av P0 ligger i att det inte finns någon fotovoltaisk effekt och laddningsseparationsmekanismen förändras kvalitativt vid denna speciella punkt. YBCO-provet blir icke-supraledande i detta område av ljusintensitet men det normala tillståndet som ännu inte uppnåtts.
Det är uppenbart att systemets fotovoltaiska egenskaper är nära relaterade till supraledningsförmågan hos YBCO och dess supraledande övergång. Differentialresistansen, dV/dI, för YBCO visas i fig. 2b (nederst) som en funktion av laserintensiteten. Som nämnts tidigare, den inbyggda elektriska potentialen i gränssnittet på grund av Cooper par diffusionspunkter från supraledaren till metall. I likhet med det som observerats vid 50 K, förstärks fotovoltaisk effekt med ökande laserintensitet från 0 till Pc. När laserintensiteten når ett värde något över Pc, börjar IV-kurvan att luta och provets motstånd börjar synas, men polariteten för gränssnittspotentialen har inte ändrats ännu. Effekten av optisk excitation på supraledningsförmågan har undersökts i det synliga eller nära IR-området. Medan den grundläggande processen är att bryta upp Cooper-paren och förstöra supraledningsförmågan25,26, kan i vissa fall supraledningsövergången förbättras27,28,29, nya faser av supraledning kan till och med induceras30. Frånvaron av supraledning vid Pc kan tillskrivas att det fotoinducerade paret bryts. Vid punkten PO blir potentialen över gränssnittet noll, vilket indikerar att laddningstätheten på båda sidor av gränssnittet når samma nivå under denna speciella intensitet av ljusbelysning. Ytterligare ökning av laserintensitet resulterar i att fler Cooper-par förstörs och YBCO omvandlas gradvis tillbaka till ett material av p-typ. Istället för elektron- och Cooper-pardiffusion bestäms nu gränssnittets egenskap av elektron- och håldiffusion som leder till en polaritetsomkastning av det elektriska fältet i gränssnittet och följaktligen en positiv Voc (jämför Fig. 1d,h). Vid mycket hög laserintensitet mättas differentialresistansen för YBCO till ett värde som motsvarar det normala tillståndet och både Voc och Isc tenderar att variera linjärt med laserintensiteten (Fig. 2b). Denna observation avslöjar att laserbestrålning på normalt tillstånd YBCO inte längre kommer att ändra dess resistivitet och särdragen hos gränssnittet mellan supraledare och metall utan bara ökar koncentrationen av elektron-hål-paren.
För att undersöka temperaturens inverkan på de fotovoltaiska egenskaperna bestrålades metall-supraledarsystemet vid katoden med blå laser med intensiteten 502 mW/cm2. IV-kurvor erhållna vid utvalda temperaturer mellan 50 och 300 K ges i fig. 3a. Öppna kretsspänningen Voc, kortslutningsströmmen Isc och differentialresistansen kan sedan erhållas från dessa IV-kurvor och visas i fig. 3b. Utan ljusbelysning passerar alla IV-kurvor uppmätta vid olika temperaturer ursprunget som förväntat (infällt i fig. 3a). IV-egenskaperna förändras drastiskt med ökande temperatur när systemet belyses av en relativt stark laserstråle (502 mW/cm2). Vid låga temperaturer är IV-kurvorna raka linjer parallella med I-axeln med negativa värden på Voc. Denna kurva rör sig uppåt med ökande temperatur och övergår gradvis till en linje med en lutning som inte är noll vid en kritisk temperatur Tcp (fig. 3a (överst)). Det verkar som om alla IV-karakteristiska kurvor roterar runt en punkt i den tredje kvadranten. Voc ökar från ett negativt värde till ett positivt medan Isc minskar från ett positivt till ett negativt värde. Ovanför den ursprungliga supraledande övergångstemperaturen Tc för YBCO ändras IV-kurvan ganska annorlunda med temperaturen (nederst i fig. 3a). För det första flyttas rotationscentrum för IV-kurvorna till den första kvadranten. För det andra fortsätter Voc att minska och Isc ökar med ökande temperatur (överst i fig. 3b). För det tredje ökar IV-kurvornas lutning linjärt med temperaturen, vilket resulterar i en positiv temperaturkoefficient för motstånd för YBCO (nederst i fig. 3b).
Temperaturberoende av fotovoltaiska egenskaper för YBCO-Ag-pastasystem under 502 mW/cm2 laserbelysning.
Laserpunktens centrum är placerat runt katodelektroderna (se fig. 1i). a, IV-kurvor erhållna från 50 till 90 K (överst) och från 100 till 300 K (botten) med en temperaturökning på 5 K respektive 20 K. Insats a visar IV-egenskaper vid flera temperaturer i mörker. Alla kurvor korsar utgångspunkten. b, öppen kretsspänning Voc och kortslutningsström Isc (överst) och differentialresistansen, dV/dI, för YBCO (botten) som en funktion av temperaturen. Nollresistans supraledande övergångstemperatur Tcp ges inte eftersom den är för nära Tc0.
Tre kritiska temperaturer kan ses från fig. 3b: Tcp, över vilken YBCO blir icke-supraledande; Tc0, vid vilken både Voc och Isc blir noll och Tc, den ursprungliga supraledande övergångstemperaturen för YBCO utan laserbestrålning. Under Tcp ~ 55 K är den laserbestrålade YBCO i supraledande tillstånd med relativt hög koncentration av Cooper-par. Effekten av laserbestrålning är att reducera nollresistans supraledande övergångstemperatur från 89 K till ~55 K (nederst i fig. 3b) genom att reducera Cooper-parkoncentrationen förutom att producera fotovoltaisk spänning och ström. Ökande temperatur bryter också ner Cooper-paren vilket leder till en lägre potential i gränssnittet. Följaktligen kommer det absoluta värdet för Voc att bli mindre, även om samma intensitet av laserbelysning tillämpas. Gränssnittspotentialen kommer att bli mindre och mindre med ytterligare temperaturökning och når noll vid Tc0. Det finns ingen fotovoltaisk effekt vid denna speciella punkt eftersom det inte finns något internt fält för att separera de fotoinducerade elektron-hålsparen. En polaritetsomkastning av potentialen inträffar över denna kritiska temperatur eftersom den fria laddningstätheten i Ag-pasta är större än den i YBCO som gradvis överförs tillbaka till ett material av p-typ. Här vill vi betona att polaritetsomkastningen av Voc och Isc sker omedelbart efter nollresistans supraledande övergången, oavsett orsaken till övergången. Denna observation avslöjar tydligt, för första gången, korrelationen mellan supraledning och de fotovoltaiska effekterna associerade med metall-supraledarens gränssnittspotential. Naturen hos denna potential över gränssnittet mellan supraledare och normal metall har varit ett forskningsfokus under de senaste decennierna, men det finns många frågor som fortfarande väntar på att besvaras. Mätning av den fotovoltaiska effekten kan visa sig vara en effektiv metod för att utforska detaljerna (såsom dess styrka och polaritet etc.) hos denna viktiga potential och därmed belysa den högtemperatursupraledande närhetseffekten.
Ytterligare ökning av temperaturen från Tc0 till Tc leder till en mindre koncentration av Cooper-par och en förbättring av gränssnittspotentialen och följaktligen större Voc. Vid Tc blir Cooper-parkoncentrationen noll och den inbyggda potentialen vid gränssnittet når ett maximum, vilket resulterar i maximal Voc och minimal Isc. Den snabba ökningen av Voc och Isc (absolutvärde) i detta temperaturområde motsvarar den supraledande övergången som vidgas från ΔT ~ 3 K till ~34 K genom laserbestrålning med intensiteten 502 mW/cm2 (Fig. 3b). I de normala tillstånden ovanför Tc minskar den öppna kretsspänningen Voc med temperaturen (överst i fig. 3b), liknande det linjära beteendet hos Voc för normala solceller baserat på pn-övergångar31,32,33. Även om förändringshastigheten för Voc med temperaturen (−dVoc/dT), som starkt beror på laserintensiteten, är mycket mindre än den för normala solceller, har temperaturkoefficienten för Voc för YBCO-Ag-övergången samma storleksordning som den av solcellerna. Läckströmmen från en pn-övergång för en normal solcellsenhet ökar med ökande temperatur, vilket leder till en minskning av Voc när temperaturen ökar. De linjära IV-kurvor som observerats för detta Ag-supraledarsystem, på grund av för det första den mycket lilla gränssnittspotentialen och för det andra rygg-mot-rygg-kopplingen av de två heteroövergångarna, gör det svårt att bestämma läckströmmen. Ändå är det mycket troligt att samma temperaturberoende av läckström är ansvarig för Voc-beteendet som observerats i vårt experiment. Enligt definitionen är Isc den ström som behövs för att producera en negativ spänning för att kompensera Voc så att den totala spänningen är noll. När temperaturen ökar blir Voc mindre så att mindre ström behövs för att producera den negativa spänningen. Vidare ökar motståndet för YBCO linjärt med temperaturen över Tc (nederst i fig. 3b), vilket också bidrar till det mindre absoluta värdet av Isc vid höga temperaturer.
Lägg märke till att resultaten som ges i figurerna 2,3 erhålls genom laserbestrålning i området runt katodelektroderna. Mätningar har också upprepats med laserpunkt placerad vid anod och liknande IV-egenskaper och fotovoltaiska egenskaper har observerats förutom att polariteten för Voc och Isc har vänts om i detta fall. Alla dessa data leder till en mekanism för den fotovoltaiska effekten, som är nära relaterad till gränssnittet mellan supraledare och metall.
Sammanfattningsvis har IV-egenskaperna hos laserbestrålade supraledande YBCO-Ag-pastasystem mätts som funktioner av temperatur och laserintensitet. Anmärkningsvärd fotovoltaisk effekt har observerats i temperaturintervallet från 50 till 300 K. Det har visat sig att de fotovoltaiska egenskaperna korrelerar starkt med supraledningsförmågan hos YBCO-keramik. En polaritetsomkastning av Voc och Isc inträffar omedelbart efter den fotoinducerade supraledande till icke-supraledande övergången. Temperaturberoende för Voc och Isc mätt vid fast laserintensitet visar också en distinkt polaritetsomkastning vid en kritisk temperatur över vilken provet blir resistivt. Genom att lokalisera laserpunkten till en annan del av provet visar vi att det finns en elektrisk potential över gränssnittet, som tillhandahåller separationskraften för de fotoinducerade elektron-hålsparen. Denna gränssnittspotential leder från YBCO till metallelektroden när YBCO är supraledande och växlar till motsatt riktning när provet blir icke-supraledande. Potentialens ursprung kan vara naturligt associerat med närhetseffekten vid metall-supraledare-gränssnittet när YBCO är supraledande och uppskattas vara ~10−8 mV vid 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kontakt mellan ett material av p-typ YBCO i normalt tillstånd med ett material av n-typ Ag-pasta bildar en kvasi-pn-övergång som är ansvarig för det fotovoltaiska beteendet hos YBCO-keramik vid höga temperaturer. Ovanstående observationer kastar ljus över PV-effekten i högtemperatursupraledande YBCO-keramik och banar väg för nya tillämpningar i optoelektroniska enheter som snabb passiv ljusdetektor och singelfotondetektor.
Experimenten med fotovoltaisk effekt utfördes på ett YBCO-keramiskt prov med 0,52 mm tjocklek och 8,64 × 2,26 mm2 rektangulär form och belystes av blå laser med kontinuerlig våg (λ = 450 nm) med laserfläckstorlek på 1,25 mm i radie. Genom att använda bulk i stället för tunnfilmsprov gör det möjligt för oss att studera de fotovoltaiska egenskaperna hos supraledaren utan att behöva ta itu med substratets komplexa inverkan6,7. Dessutom kan bulkmaterialet vara gynnsamt för dess enkla framställningsprocedur och relativt låga kostnad. Kopparledningstrådarna är sammanhängande på YBCO-provet med silverpasta som bildar fyra cirkulära elektroder ca 1 mm i diameter. Avståndet mellan de två spänningselektroderna är ca 5 mm. IV-egenskaper hos provet mättes med användning av vibrationsprovmagnetometern (VersaLab, Quantum Design) med ett kvartskristallfönster. Standard fyrtrådsmetod användes för att erhålla IV-kurvorna. De relativa positionerna för elektroderna och laserpunkten visas i fig. 1i.
Hur man citerar den här artikeln: Yang, F. et al. Ursprunget till fotovoltaisk effekt i supraledande YBa2Cu3O6.96-keramik. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetri-förbjudna laserinducerade spänningar i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564-11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Ursprunget till den anomala solcellssignalen i Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270-6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Mätning av laserinducerade spänningar av supraledande Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Transienta laserinducerade spänningar i rumstemperaturfilmer av YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375-4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomal fotovoltaisk respons i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenererad hålbärarinjektion till YBa2Cu3O7−x i en oxidheterostruktur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Fotoemissionsstudie av YBa2Cu3Oy tunna filmer under ljusbelysning. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotovoltaisk effekt av YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunction glödgat i olika syrepartialtryck. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Två-gap struktur i Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkristaller. J. Supercond. 7, 361-365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Quasipartikelrelaxationsdynamik i supraledare med olika gapstrukturer: Teori och experiment på YBa2Cu3O7-δ . Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Rättande egenskaper för YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroövergången. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Excitonisk absorption och supraledning i YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919-922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transient fotoinducerad konduktivitet i halvledande enkristaller av YBa2Cu3O6.3: sök efter fotoinducerat metalliskt tillstånd och för fotoinducerad supraledning. Solid State Commun. 72, 345-349 (1989).
McMillan, WL Tunnelmodell av den supraledande närhetseffekten. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Supraledande närhetseffekt sonderad på en mesoskopisk längdskala. Phys. Rev. Lett. 77, 3025-3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Närhetseffekt med icke-centrosymmetriska supraledare. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Stark supraledande närhetseffekt i Pb-Bi2Te3 hybridstrukturer. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL En ny pn-övergångsfotocell i kisel för att omvandla solstrålning till elektrisk kraft. J. App. Phys. 25, 676-677 (1954).
Tomimoto, K. Orenhetseffekter på den supraledande koherenslängden i Zn- eller Ni-dopade YBa2Cu3O6.9-enkristaller. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistens hos Untwinned YBa2Cu3Oy enkristaller i ett brett spektrum av doping: onormalt håldopningsberoende av koherenslängden. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematik i den termoelektriska kraften hos hög-T, oxider. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Bärvågstäthet-beroende momentumförskjutning av den koherenta toppen och LO-fononmoden i p-typ hög-Tc supraledare. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Hålreduktion och elektronackumulering i YBa2Cu3Oy-tunna filmer med hjälp av en elektrokemisk teknik: Bevis för ett metalliskt tillstånd av n-typ. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Schottky-barriärhöjdens fysik och kemi. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekter av dynamiskt externt parbrott i supraledande filmer. Phys. Rev. Lett. 33, 215-219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotoinducerad förbättring av supraledning. Appl. Phys. Lett. 60, 2159-2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Ihållande fotokonduktivitet i YBa2Cu3O6+x-filmer som en metod för fotodoping mot metalliska och supraledande faser. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Icke-linjär gitterdynamik som grund för förbättrad supraledning i YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Ljusinducerad supraledning i en randordnad kuprat. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Temperaturens funktionella beroende av VOC för en solcell i förhållande till dess effektivitet nya tillvägagångssätt. Avsaltning 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatureffekter i Schottky-barriär kiselsolceller. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturberoende för parametrarna för solceller i polymer-fullerensolceller under driftsförhållanden. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Detta arbete har stötts av National Natural Science Foundation of China (anslag nr 60571063), de grundläggande forskningsprojekten i Henan-provinsen, Kina (bidrag nr 122300410231).
FY skrev texten till tidningen och MYH förberedde YBCO keramiska provet. FY och MYH utförde experimentet och analyserade resultaten. FGC ledde projektet och den vetenskapliga tolkningen av data. Alla författare granskade manuskriptet.
Detta arbete är licensierat under en Creative Commons Attribution 4.0 International License. Bilderna eller annat material från tredje part i denna artikel ingår i artikelns Creative Commons-licens, om inte annat anges i kreditgränsen; om materialet inte ingår under Creative Commons-licensen måste användarna få tillstånd från licensinnehavaren för att reproducera materialet. För att se en kopia av denna licens, besök http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Ursprunget till fotovoltaisk effekt i supraledande YBa2Cu3O6.96-keramik. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och riktlinjer för communityn. Om du hittar något kränkande eller som inte följer våra villkor eller riktlinjer, flagga det som olämpligt.
Posttid: 22 april 2020