Salamat sa pagbisita sa nature.com. Gumagamit ka ng bersyon ng browser na may limitadong suporta para sa CSS. Para makuha ang pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng mas napapanahon na browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Pansamantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site nang walang mga istilo at JavaScript.
Nag-uulat kami ng kahanga-hangang epekto ng photovoltaic sa YBa2Cu3O6.96 (YBCO) ceramic sa pagitan ng 50 at 300 K na sapilitan ng blue-laser illumination, na direktang nauugnay sa superconductivity ng YBCO at ang YBCO-metallic electrode interface. Mayroong polarity reversal para sa open circuit voltage Voc at short circuit current Isc kapag ang YBCO ay sumasailalim sa paglipat mula sa superconducting patungo sa resistive state. Ipinakita namin na mayroong isang potensyal na elektrikal sa buong interface ng superconductor-normal na metal, na nagbibigay ng puwersa ng paghihiwalay para sa mga pares ng photo-induced na electron-hole. Ang potensyal na interface na ito ay nagdidirekta mula sa YBCO patungo sa metal electrode kapag ang YBCO ay superconducting at lumilipat sa tapat na direksyon kapag ang YBCO ay naging nonsuperconducting. Ang pinagmulan ng potensyal ay maaaring madaling maiugnay sa proximity effect sa metal-superconductor interface kapag ang YBCO ay superconducting at ang halaga nito ay tinatantya na ~ 10–8 mV sa 50 K na may laser intensity na 502 mW/cm2. Ang kumbinasyon ng isang p-type na materyal na YBCO sa normal na estado na may isang n-type na materyal Ang Ag-paste ay bumubuo ng isang quasi-pn junction na responsable para sa photovoltaic na pag-uugali ng YBCO ceramics sa mataas na temperatura. Ang aming mga natuklasan ay maaaring magbigay daan sa mga bagong aplikasyon ng mga photon-electronic na aparato at magbigay ng karagdagang liwanag sa proximity effect sa superconductor-metal interface.
Photo-induced boltahe sa mataas na temperatura superconductor ay iniulat sa unang bahagi ng 1990's at malawakan na sinisiyasat mula noon, ngunit ang kalikasan at mekanismo nito ay nananatiling hindi maayos1,2,3,4,5. Ang YBa2Cu3O7-δ (YBCO) thin films6,7,8, sa partikular, ay masinsinang pinag-aralan sa anyo ng photovoltaic (PV) cell dahil sa adjustable energy gap9,10,11,12,13 nito. Gayunpaman, ang mataas na resistensya ng substrate ay palaging humahantong sa mababang kahusayan ng conversion ng device at tinatakpan ang mga pangunahing katangian ng PV ng YBCO8. Dito naiulat namin ang kahanga-hangang epekto ng photovoltaic na dulot ng blue-laser (λ = 450 nm) na pag-iilaw sa YBa2Cu3O6.96 (YBCO) na ceramic sa pagitan ng 50 at 300 K (Tc ~ 90 K). Ipinakita namin na ang epekto ng PV ay direktang nauugnay sa superconductivity ng YBCO at ang likas na katangian ng interface ng YBCO-metallic electrode. Mayroong polarity reversal para sa open circuit voltage Voc at short circuit current Isc kapag ang YBCO ay sumasailalim sa paglipat mula sa superconducting phase patungo sa resistive state. Iminumungkahi na mayroong isang potensyal na elektrikal sa buong superconductor-normal na interface ng metal, na nagbibigay ng puwersa ng paghihiwalay para sa mga pares ng electron-hole na dulot ng larawan. Ang potensyal na interface na ito ay nagdidirekta mula sa YBCO patungo sa metal electrode kapag ang YBCO ay superconducting at lumilipat sa tapat na direksyon kapag ang sample ay naging nonsuperconducting. Ang pinagmulan ng potensyal ay maaaring natural na nauugnay sa proximity effect14,15,16,17 sa metal-superconductor interface kapag ang YBCO ay superconducting at ang halaga nito ay tinatantya na ~10−8 mV sa 50 K na may laser intensity na 502 mW /cm2. Ang kumbinasyon ng isang p-type na materyal na YBCO sa normal na estado na may isang n-type na materyal na Ag-paste ay bumubuo, malamang, isang quasi-pn junction na responsable para sa PV na pag-uugali ng YBCO ceramics sa mataas na temperatura. Ang aming mga obserbasyon ay nagbigay ng karagdagang liwanag sa pinagmulan ng epekto ng PV sa mataas na temperatura na superconducting YBCO ceramics at nagbibigay daan para sa aplikasyon nito sa mga optoelectronic na aparato tulad ng mabilis na passive light detector atbp.
Ipinapakita ng Figure 1a–c na ang mga katangian ng IV ng YBCO ceramic sample sa 50 K. Kung walang liwanag na pag-iilaw, ang boltahe sa kabuuan ng sample ay nananatiling zero sa pagbabago ng kasalukuyang, gaya ng maaaring asahan mula sa isang superconducting na materyal. Ang maliwanag na photovoltaic effect ay lumilitaw kapag ang laser beam ay nakadirekta sa cathode (Fig. 1a): ang IV curves na kahanay sa I-axis ay gumagalaw pababa na may pagtaas ng intensity ng laser. Ito ay maliwanag na mayroong isang negatibong photo-induced boltahe kahit na walang anumang kasalukuyang (madalas na tinatawag na open circuit boltahe Voc). Ang zero slope ng IV curve ay nagpapahiwatig na ang sample ay superconducting pa rin sa ilalim ng laser illumination.
(a–c) at 300 K (e–g). Ang mga halaga ng V(I) ay nakuha sa pamamagitan ng pagwawalis ng kasalukuyang mula −10 mA hanggang +10 mA sa vacuum. Bahagi lamang ng pang-eksperimentong data ang ipinakita para sa kalinawan. a, Mga katangian ng kasalukuyang boltahe ng YBCO na sinusukat gamit ang laser spot na nakaposisyon sa cathode (i). Ang lahat ng IV curves ay pahalang na tuwid na linya na nagpapahiwatig na ang sample ay superconducting pa rin sa laser irradiation. Ang curve ay gumagalaw pababa sa pagtaas ng intensity ng laser, na nagpapahiwatig na mayroong isang negatibong potensyal (Voc) sa pagitan ng dalawang boltahe na lead kahit na may zero na kasalukuyang. Ang IV curves ay nananatiling hindi nagbabago kapag ang laser ay nakadirekta sa gitna ng sample sa eter 50 K (b) o 300 K (f). Ang pahalang na linya ay gumagalaw pataas habang ang anode ay iluminado (c). Ang isang eskematiko na modelo ng metal-superconductor junction sa 50 K ay ipinapakita sa d. Ang mga katangian ng kasalukuyang boltahe ng normal na estado ng YBCO sa 300 K na sinusukat gamit ang laser beam na nakaturo sa cathode at anode ay ibinibigay sa e at g ayon sa pagkakabanggit. Sa kaibahan sa mga resulta sa 50 K, ang di-zero na slope ng mga tuwid na linya ay nagpapahiwatig na ang YBCO ay nasa normal na estado; ang mga halaga ng Voc ay nag-iiba sa intensity ng liwanag sa isang kabaligtaran na direksyon, na nagpapahiwatig ng ibang mekanismo ng paghihiwalay ng singil. Ang isang posibleng istraktura ng interface sa 300 K ay inilalarawan sa hj Ang tunay na larawan ng sample na may mga lead.
Ang YBCO na mayaman sa oxygen sa superconducting state ay maaaring sumipsip ng halos buong spectrum ng sikat ng araw dahil sa napakaliit nitong energy gap (Eg)9,10, at sa gayon ay lumilikha ng mga pares ng electron-hole (e–h). Upang makabuo ng isang bukas na circuit na boltahe na Voc sa pamamagitan ng pagsipsip ng mga photon, kinakailangan na spatially na paghiwalayin ang mga pares na nabuo sa larawan bago maganap ang recombination18. Ang negatibong Voc, na nauugnay sa cathode at anode tulad ng ipinahiwatig sa Fig. 1i, ay nagmumungkahi na mayroong isang potensyal na elektrikal sa buong interface ng metal-superconductor, na nagwawalis ng mga electron sa anode at mga butas sa cathode. Kung ito ang kaso, dapat ding mayroong potensyal na pagturo mula sa superconductor sa metal electrode sa anode. Dahil dito, ang isang positibong Voc ay makukuha kung ang sample na lugar na malapit sa anode ay iluminado. Higit pa rito, dapat ay walang photo-induced voltages kapag ang laser spot ay itinuturo sa mga lugar na malayo sa mga electrodes. Ito ay tiyak na ang kaso gaya ng makikita mula sa Fig. 1b,c!.
Kapag gumagalaw ang light spot mula sa cathode electrode patungo sa gitna ng sample (mga 1.25 mm ang layo mula sa mga interface), walang variation ng IV curves at walang Voc ang makikita sa pagtaas ng intensity ng laser hanggang sa maximum na value na available (Fig. 1b) . Naturally, ang resulta na ito ay maaaring maiugnay sa limitadong buhay ng mga carrier na dulot ng larawan at ang kakulangan ng puwersa ng paghihiwalay sa sample. Maaaring malikha ang mga pares ng electron-hole sa tuwing naiilaw ang sample, ngunit ang karamihan sa mga pares ng e-h ay mapapawi at walang photovoltaic effect na makikita kung ang laser spot ay bumagsak sa mga lugar na malayo sa alinman sa mga electrodes. Ang paglipat ng laser spot sa anode electrodes, ang IV curves parallel sa I-axis ay gumagalaw paitaas na may pagtaas ng intensity ng laser (Fig. 1c). Ang katulad na built-in na electrical field ay umiiral sa metal-superconductor junction sa anode. Gayunpaman, ang metal na elektrod ay kumokonekta sa positibong lead ng sistema ng pagsubok sa oras na ito. Ang mga butas na ginawa ng laser ay itinutulak sa anode lead at sa gayon ay isang positibong Voc ay sinusunod. Ang mga resulta na ipinakita dito ay nagbibigay ng malakas na katibayan na mayroong talagang isang potensyal na interface na tumuturo mula sa superconductor hanggang sa metal electrode.
Ang photovoltaic effect sa YBa2Cu3O6.96 ceramics sa 300 K ay ipinapakita sa Fig. 1e–g. Kung walang liwanag na pag-iilaw, ang IV curve ng sample ay isang tuwid na linya na tumatawid sa pinanggalingan. Ang tuwid na linyang ito ay gumagalaw paitaas parallel sa orihinal na may pagtaas ng intensity ng laser na nag-iilaw sa mga lead ng cathode (Fig. 1e). Mayroong dalawang naglilimita sa mga kaso ng interes para sa isang photovoltaic device. Ang kondisyon ng short-circuit ay nangyayari kapag V = 0. Ang kasalukuyang sa kasong ito ay tinutukoy bilang ang kasalukuyang short circuit (Isc). Ang pangalawang limiting case ay ang open-circuit condition (Voc) na nangyayari kapag ang R→∞ o ang kasalukuyang ay zero. Ang Figure 1e ay malinaw na nagpapakita na ang Voc ay positibo at tumataas sa pagtaas ng intensity ng liwanag, sa kaibahan sa resulta na nakuha sa 50 K; habang ang isang negatibong Isc ay sinusunod na tumaas sa magnitude na may magaan na pag-iilaw, isang karaniwang pag-uugali ng mga normal na solar cell.
Katulad nito, kapag ang laser beam ay itinuro sa mga lugar na malayo sa mga electrodes, ang V(I) curve ay independiyente sa intensity ng laser at walang photovoltaic effect na lumitaw (Fig. 1f). Katulad ng pagsukat sa 50 K, ang mga IV curves ay lumipat sa tapat na direksyon habang ang anode electrode ay irradiated (Fig. 1g). Ang lahat ng mga resultang ito na nakuha para sa YBCO-Ag paste system na ito sa 300 K na may laser irradiated sa iba't ibang posisyon ng sample ay pare-pareho sa isang potensyal na interface na kabaligtaran sa naobserbahan sa 50 K.
Karamihan sa mga electron ay nag-condense sa Cooper pairs sa superconducting YBCO sa ibaba ng transition temperature nito na Tc. Habang nasa metal electrode, ang lahat ng mga electron ay nananatili sa iisang anyo. Mayroong malaking gradient ng density para sa parehong mga singular na electron at mga pares ng Cooper sa paligid ng interface ng metal-superconductor. Ang mayorya-carrier na isahan na mga electron sa metal na materyal ay magkakalat sa superconductor na rehiyon, samantalang ang karamihan-carrier na mga Cooper-pares sa rehiyon ng YBCO ay magkakalat sa metal na rehiyon. Habang nagkakalat ang mga pares ng Cooper na may mas maraming singil at may mas malaking mobility kaysa sa mga singular na electron mula sa YBCO patungo sa metal na rehiyon, naiwan ang mga atom na may positibong charge, na nagreresulta sa isang electric field sa rehiyon ng space charge. Ang direksyon ng electric field na ito ay ipinapakita sa schematic diagram Fig. 1d. Ang pag-iilaw ng photon ng insidente malapit sa rehiyon ng space charge ay maaaring lumikha ng mga pares na magkakahiwalay at magwawalis na gumagawa ng photocurrent sa reverse-bias na direksyon. Sa sandaling makalabas ang mga electron mula sa build-in na electrical field, sila ay i-condensed sa mga pares at dumadaloy sa kabilang elektrod nang walang pagtutol. Sa kasong ito, ang Voc ay kabaligtaran sa pre-set na polarity at nagpapakita ng negatibong halaga kapag ang laser beam ay tumuturo sa lugar sa paligid ng negatibong elektrod. Mula sa halaga ng Voc, ang potensyal sa buong interface ay maaaring matantya: ang distansya sa pagitan ng dalawang boltahe na lead d ay ~5 × 10−3 m, ang kapal ng interface ng metal-superconductor, di, ay dapat na parehong pagkakasunud-sunod ng magnitude bilang haba ng pagkakaugnay ng superconductor ng YBCO (~ 1 nm) 19,20, kunin ang halaga ng Voc = 0.03 mV, ang potensyal na Vms sa interface ng metal-superconductor ay sinusuri na ~10−11 V sa 50 K na may laser intensity na 502 mW/cm2, gamit ang equation,
Gusto naming bigyang-diin dito na ang photo-induced boltahe ay hindi maipaliwanag ng photo thermal effect. Eksperimento na itinatag na ang Seebeck coefficient ng superconductor YBCO ay Ss = 021. Ang Seebeck coefficient para sa mga tansong lead wire ay nasa hanay ng SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Ang temperatura ng copper wire sa laser spot ay maaaring itaas ng isang maliit na halaga ng 0.06 K na may pinakamataas na laser intensity na magagamit sa 50 K. Ito ay maaaring makabuo ng thermoelectric na potensyal na 6.9 × 10−8 V na tatlong order na magnitude na mas maliit kaysa ang Voc na nakuha sa Fig 1 (a). Maliwanag na napakaliit ng thermoelectric effect upang ipaliwanag ang mga resulta ng eksperimentong. Sa katunayan, ang pagkakaiba-iba ng temperatura dahil sa laser irradiation ay mawawala sa loob ng mas mababa sa isang minuto upang ang kontribusyon mula sa thermal effect ay maaaring ligtas na hindi papansinin.
Ang photovoltaic effect na ito ng YBCO sa temperatura ng silid ay nagpapakita na may ibang mekanismo ng paghihiwalay ng singil na kasangkot dito. Ang superconducting YBCO sa normal na estado ay isang p-type na materyal na may mga butas bilang charge carrier22,23, habang ang metal na Ag-paste ay may mga katangian ng isang n-type na materyal. Katulad ng pn junctions, ang pagsasabog ng mga electron sa silver paste at mga butas sa YBCO ceramic ay bubuo ng panloob na electrical field na tumuturo sa YBCO ceramic sa interface (Fig. 1h). Ito ang panloob na patlang na nagbibigay ng puwersa ng paghihiwalay at humahantong sa isang positibong Voc at negatibong Isc para sa YBCO-Ag paste system sa temperatura ng silid, tulad ng ipinapakita sa Fig. 1e. Bilang kahalili, ang Ag-YBCO ay maaaring bumuo ng isang p-type na Schottky junction na humahantong din sa isang potensyal na interface na may parehong polarity tulad ng sa modelong ipinakita sa itaas24.
Upang siyasatin ang detalyadong proseso ng ebolusyon ng mga katangian ng photovoltaic sa panahon ng superconducting transition ng YBCO, ang mga IV curve ng sample sa 80 K ay sinusukat gamit ang mga napiling intensity ng laser na nag-iilaw sa cathode electrode (Fig. 2). Kung walang laser irradiation, ang boltahe sa kabuuan ng sample ay nananatili sa zero anuman ang kasalukuyang, na nagpapahiwatig ng superconducting state ng sample sa 80 K (Fig. 2a). Katulad ng data na nakuha sa 50 K, ang mga IV curve na kahanay sa I-axis ay gumagalaw pababa na may pagtaas ng intensity ng laser hanggang sa maabot ang isang kritikal na halaga ng Pc. Sa itaas ng kritikal na intensity ng laser (Pc), ang superconductor ay sumasailalim sa isang paglipat mula sa isang superconducting phase sa isang resistive phase; ang boltahe ay nagsisimulang tumaas sa kasalukuyang dahil sa hitsura ng paglaban sa superconductor. Bilang resulta, ang IV curve ay nagsisimulang mag-intersect sa I-axis at V-axis na humahantong sa isang negatibong Voc at isang positibong Isc sa una. Ngayon ang sample ay tila nasa isang espesyal na estado kung saan ang polarity ng Voc at Isc ay lubhang sensitibo sa liwanag na intensity; na may napakaliit na pagtaas sa intensity ng liwanag, ang Isc ay na-convert mula sa positibo patungo sa negatibo at ang Voc mula sa negatibo hanggang sa positibong halaga, na pumasa sa pinagmulan (ang mataas na sensitivity ng mga katangian ng photovoltaic, lalo na ang halaga ng Isc, sa liwanag na pag-iilaw ay makikita nang mas malinaw sa Fig. 2b). Sa pinakamataas na intensity ng laser na magagamit, ang mga IV curve ay naglalayon na maging parallel sa isa't isa, na nagpapahiwatig ng normal na estado ng sample ng YBCO.
Ang laser spot center ay nakaposisyon sa paligid ng cathode electrodes (tingnan ang Fig. 1i). a, IV curves ng YBCO na na-irradiated na may iba't ibang intensity ng laser. b (itaas), Laser intensity dependence ng open circuit voltage Voc at short circuit current Isc. Ang mga halaga ng Isc ay hindi maaaring makuha sa mababang intensity ng liwanag ( <110 mW/cm2) dahil ang mga IV curve ay parallel sa I-axis kapag ang sample ay nasa superconducting na estado. b (ibaba), differential resistance bilang isang function ng laser intensity.
Ang laser intensity dependence ng Voc at Isc sa 80 K ay ipinapakita sa Fig. 2b (itaas). Ang mga katangian ng photovoltaic ay maaaring talakayin sa tatlong rehiyon ng intensity ng liwanag. Ang unang rehiyon ay nasa pagitan ng 0 at Pc, kung saan ang YBCO ay superconducting, ang Voc ay negatibo at bumababa (ganap na pagtaas ng halaga) na may light intensity at umaabot sa minimum sa Pc. Ang pangalawang rehiyon ay mula sa Pc patungo sa isa pang kritikal na intensity na P0, kung saan tumataas ang Voc habang bumababa ang Isc sa pagtaas ng intensity ng liwanag at parehong umabot sa zero sa P0. Ang ikatlong rehiyon ay higit sa P0 hanggang sa maabot ang normal na estado ng YBCO. Bagama't pareho ang Voc at Isc na nag-iiba sa intensity ng liwanag sa parehong paraan tulad ng sa rehiyon 2, mayroon silang kabaligtaran na polarity sa itaas ng kritikal na intensity na P0. Ang kahalagahan ng P0 ay namamalagi sa walang photovoltaic effect at ang mekanismo ng paghihiwalay ng singil ay nagbabago nang husay sa partikular na puntong ito. Ang sample ng YBCO ay nagiging non-superconducting sa hanay na ito ng light intensity ngunit ang normal na estado ay hindi pa maaabot.
Maliwanag, ang mga katangian ng photovoltaic ng system ay malapit na nauugnay sa superconductivity ng YBCO at ang superconducting transition nito. Ang differential resistance, dV/dI, ng YBCO ay ipinapakita sa Fig. 2b (ibaba) bilang isang function ng laser intensity. Tulad ng nabanggit bago, ang build-in electric potensyal sa interface dahil sa Cooper pares diffusion point mula sa superconductor sa metal. Katulad ng naobserbahan sa 50 K, ang epekto ng photovoltaic ay pinahusay sa pagtaas ng intensity ng laser mula 0 hanggang Pc. Kapag ang intensity ng laser ay umabot sa isang halaga nang bahagya sa itaas ng Pc, ang IV curve ay magsisimulang tumagilid at ang paglaban ng sample ay nagsisimulang lumitaw, ngunit ang polarity ng potensyal ng interface ay hindi pa nagbabago. Ang epekto ng optical excitation sa superconductivity ay sinisiyasat sa nakikita o malapit-IR na rehiyon. Habang ang pangunahing proseso ay ang paghiwa-hiwalayin ang mga pares ng Cooper at sirain ang superconductivity25,26, sa ilang mga kaso ang superconductivity transition ay maaaring mapahusay27,28,29, ang mga bagong yugto ng superconductivity ay maaari pang mahikayat30. Ang kawalan ng superconductivity sa Pc ay maaaring maiugnay sa photo-induced pair breaking. Sa puntong P0, ang potensyal sa buong interface ay nagiging zero, na nagpapahiwatig na ang density ng singil sa magkabilang panig ng interface ay umabot sa parehong antas sa ilalim ng partikular na intensity ng light illumination. Ang karagdagang pagtaas sa intensity ng laser ay nagreresulta sa mas maraming mga pares ng Cooper na nawasak at ang YBCO ay unti-unting binago pabalik sa isang p-type na materyal. Sa halip na electron at Cooper pair diffusion, ang feature ng interface ay tinutukoy na ngayon ng electron at hole diffusion na humahantong sa isang polarity reversal ng electrical field sa interface at dahil dito ay isang positive Voc (ihambing ang Fig.1d,h). Sa napakataas na intensity ng laser, ang differential resistance ng YBCO ay bumabad sa isang halaga na tumutugma sa normal na estado at ang parehong Voc at Isc ay may posibilidad na mag-iba nang linear na may intensity ng laser (Fig. 2b). Ang obserbasyon na ito ay nagpapakita na ang laser irradiation sa normal na estado ng YBCO ay hindi na magbabago sa resistivity nito at ang tampok ng superconductor-metal interface ngunit tataas lamang ang konsentrasyon ng mga pares ng electron-hole.
Upang siyasatin ang epekto ng temperatura sa mga katangian ng photovoltaic, ang sistema ng metal-superconductor ay na-irradiated sa cathode na may asul na laser ng intensity 502 mW/cm2. Ang mga IV curve na nakuha sa mga napiling temperatura sa pagitan ng 50 at 300 K ay ibinibigay sa Fig. 3a. Ang open circuit voltage Voc, short circuit current Isc at ang differential resistance ay maaaring makuha mula sa mga IV curve na ito at ipinapakita sa Fig. 3b. Kung walang liwanag na pag-iilaw, lahat ng IV curve na sinusukat sa iba't ibang temperatura ay pumasa sa pinanggalingan gaya ng inaasahan (inset ng Fig. 3a). Ang mga katangian ng IV ay nagbabago nang husto sa pagtaas ng temperatura kapag ang sistema ay naiilaw ng medyo malakas na laser beam (502 mW/cm2). Sa mababang temperatura ang IV curves ay mga tuwid na linya na kahanay ng I-axis na may mga negatibong halaga ng Voc. Ang curve na ito ay gumagalaw paitaas sa pagtaas ng temperatura at unti-unting nagiging linya na may nonzero slope sa isang kritikal na temperatura Tcp (Fig. 3a (itaas)). Tila ang lahat ng mga kurba ng katangian ng IV ay umiikot sa isang punto sa ikatlong kuwadrante. Ang Voc ay tumataas mula sa isang negatibong halaga patungo sa isang positibo habang ang Isc ay bumababa mula sa isang positibo patungo sa isang negatibong halaga. Sa itaas ng orihinal na superconducting transition temperature na Tc ng YBCO, ang IV curve ay nagbabago nang iba sa temperatura (ibaba ng Fig. 3a). Una, ang rotation center ng IV curves ay gumagalaw sa unang quadrant. Pangalawa, patuloy na bumababa ang Voc at tumataas ang Isc sa pagtaas ng temperatura (itaas ng Fig. 3b). Pangatlo, ang slope ng IV curves ay tumataas ng linearly na may temperatura na nagreresulta sa isang positibong temperatura koepisyent ng paglaban para sa YBCO (ibaba ng Fig. 3b).
Pagdepende sa temperatura ng mga katangian ng photovoltaic para sa YBCO-Ag paste system sa ilalim ng 502 mW/cm2 laser illumination.
Ang laser spot center ay nakaposisyon sa paligid ng cathode electrodes (tingnan ang Fig. 1i). a, IV curves na nakuha mula 50 hanggang 90 K (itaas) at mula 100 hanggang 300 K (ibaba) na may pagtaas ng temperatura na 5 K at 20 K, ayon sa pagkakabanggit. Ang inset a ay nagpapakita ng mga katangian ng IV sa ilang temperatura sa madilim. Ang lahat ng mga kurba ay tumatawid sa pinanggalingan na punto. b, bukas na circuit boltahe Voc at maikling circuit kasalukuyang Isc (itaas) at ang kaugalian paglaban, dV/dI, ng YBCO (ibaba) bilang isang function ng temperatura. Ang zero resistance superconducting transition temperature Tcp ay hindi ibinigay dahil ito ay masyadong malapit sa Tc0.
Tatlong kritikal na temperatura ang maaaring makilala mula sa Fig. 3b: Tcp, kung saan ang YBCO ay nagiging non-superconducting; Tc0, kung saan ang parehong Voc at Isc ay naging zero at Tc, ang orihinal na simula ng superconducting transition temperature ng YBCO nang walang laser irradiation. Sa ibaba ng Tcp ~ 55 K, ang laser irradiated YBCO ay nasa superconducting state na may medyo mataas na konsentrasyon ng mga pares ng Cooper. Ang epekto ng laser irradiation ay upang bawasan ang zero resistance superconducting transition temperature mula 89 K hanggang ~55 K (ibaba ng Fig. 3b) sa pamamagitan ng pagbabawas ng Cooper pair concentration bilang karagdagan sa paggawa ng photovoltaic voltage at current. Ang pagtaas ng temperatura ay sumisira din sa mga pares ng Cooper na humahantong sa isang mas mababang potensyal sa interface. Dahil dito, ang ganap na halaga ng Voc ay magiging mas maliit, kahit na ang parehong intensity ng laser illumination ay inilapat. Ang potensyal ng interface ay magiging mas maliit at mas maliit na may karagdagang pagtaas sa temperatura at umabot sa zero sa Tc0. Walang photovoltaic effect sa espesyal na puntong ito dahil walang panloob na field upang paghiwalayin ang photo-induced electron-hole pairs. Ang isang polarity reversal ng potensyal ay nangyayari sa itaas ng kritikal na temperatura na ito dahil ang libreng charge density sa Ag paste ay mas malaki kaysa doon sa YBCO na unti-unting inililipat pabalik sa isang p-type na materyal. Dito nais naming bigyang-diin na ang polarity reversal ng Voc at Isc ay nangyayari kaagad pagkatapos ng zero resistance superconducting transition, anuman ang sanhi ng paglipat. Ang pagmamasid na ito ay malinaw na nagpapakita, sa unang pagkakataon, ang ugnayan sa pagitan ng superconductivity at ang mga photovoltaic effect na nauugnay sa potensyal na interface ng metal-superconductor. Ang likas na katangian ng potensyal na ito sa buong interface ng superconductor-normal na metal ay isang pagtuon sa pananaliksik sa nakalipas na ilang dekada ngunit maraming mga tanong na naghihintay pa ring masagot. Ang pagsukat ng photovoltaic effect ay maaaring mapatunayang isang mabisang paraan para sa paggalugad sa mga detalye (tulad ng lakas at polarity nito atbp.) ng mahalagang potensyal na ito at samakatuwid ay nagbibigay-liwanag sa mataas na temperatura na superconducting proximity effect.
Ang karagdagang pagtaas sa temperatura mula Tc0 hanggang Tc ay humahantong sa isang mas maliit na konsentrasyon ng mga pares ng Cooper at isang pagpapahusay sa potensyal ng interface at dahil dito ay mas malaking Voc. Sa Tc ang konsentrasyon ng pares ng Cooper ay nagiging zero at ang build-in na potensyal sa interface ay umabot sa maximum, na nagreresulta sa maximum na Voc at minimum na Isc. Ang mabilis na pagtaas ng Voc at Isc (ganap na halaga) sa hanay ng temperatura na ito ay tumutugma sa superconducting transition na pinalawak mula ΔT ~ 3 K hanggang ~34 K sa pamamagitan ng laser irradiation ng intensity na 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Sa mga normal na estado sa itaas ng Tc, ang open circuit na boltahe na Voc ay bumababa sa temperatura (itaas ng Fig. 3b), katulad ng linear na pag-uugali ng Voc para sa mga normal na solar cell batay sa pn junctions31,32,33. Bagama't ang rate ng pagbabago ng Voc na may temperatura (−dVoc/dT), na lubos na nakadepende sa intensity ng laser, ay mas maliit kaysa sa normal na solar cells, ang temperature coefficient ng Voc para sa YBCO-Ag junction ay may parehong pagkakasunud-sunod ng magnitude na iyon. ng mga solar cell. Ang leakage current ng isang pn junction para sa isang normal na solar cell device ay tumataas sa pagtaas ng temperatura, na humahantong sa pagbaba sa Voc habang tumataas ang temperatura. Ang mga linear IV curves na naobserbahan para sa Ag-superconductor system na ito, dahil una sa napakaliit na potensyal ng interface at pangalawa ang back-to-back na koneksyon ng dalawang heterojunction, ay nagpapahirap sa pagtukoy ng leakage current. Gayunpaman, malamang na ang parehong pagdepende sa temperatura ng kasalukuyang pagtagas ay responsable para sa pag-uugali ng Voc na sinusunod sa aming eksperimento. Ayon sa kahulugan, ang Isc ay ang kasalukuyang kinakailangan upang makabuo ng negatibong boltahe upang mabayaran ang Voc upang ang kabuuang boltahe ay zero. Habang tumataas ang temperatura, nagiging mas maliit ang Voc kaya mas kaunting kasalukuyang kinakailangan upang makagawa ng negatibong boltahe. Higit pa rito, ang paglaban ng YBCO ay tumataas nang linear na may temperatura sa itaas ng Tc (ibaba ng Fig. 3b), na nag-aambag din sa mas maliit na ganap na halaga ng Isc sa mataas na temperatura.
Pansinin na ang mga resulta na ibinigay sa Figs 2,3 ay nakuha sa pamamagitan ng laser irradiating sa lugar sa paligid ng mga electrodes ng cathode. Ang mga sukat ay naulit din na may laser spot na nakaposisyon sa anode at ang mga katulad na katangian ng IV at photovoltaic na katangian ay naobserbahan maliban na ang polarity ng Voc at Isc ay nabaligtad sa kasong ito. Ang lahat ng data na ito ay humantong sa isang mekanismo para sa photovoltaic effect, na malapit na nauugnay sa superconductor-metal interface.
Sa buod, ang IV na mga katangian ng laser irradiated superconducting YBCO-Ag paste system ay nasusukat bilang mga function ng temperatura at intensity ng laser. Ang kapansin-pansing epekto ng photovoltaic ay naobserbahan sa hanay ng temperatura mula 50 hanggang 300 K. Napag-alaman na ang mga katangian ng photovoltaic ay malakas na nauugnay sa superconductivity ng YBCO ceramics. Ang isang polarity reversal ng Voc at Isc ay nangyayari kaagad pagkatapos ng photo-induced superconducting sa non-superconducting transition. Ang pagdepende sa temperatura ng Voc at Isc na sinusukat sa nakapirming intensity ng laser ay nagpapakita rin ng isang natatanging pagbabalik ng polarity sa isang kritikal na temperatura sa itaas kung saan ang sample ay nagiging resistive. Sa pamamagitan ng paghahanap ng laser spot sa iba't ibang bahagi ng sample, ipinapakita namin na mayroong isang potensyal na elektrikal sa buong interface, na nagbibigay ng puwersa ng paghihiwalay para sa photo-induced electron-hole pairs. Ang potensyal na interface na ito ay nagdidirekta mula sa YBCO patungo sa metal electrode kapag ang YBCO ay superconducting at lumilipat sa tapat na direksyon kapag ang sample ay naging nonsuperconducting. Ang pinagmulan ng potensyal ay maaaring natural na nauugnay sa proximity effect sa metal-superconductor interface kapag ang YBCO ay superconducting at tinatantya na ~10−8 mV sa 50 K na may laser intensity na 502 mW/cm2. Ang contact ng isang p-type na materyal na YBCO sa normal na estado na may isang n-type na materyal Ang Ag-paste ay bumubuo ng isang quasi-pn junction na responsable para sa photovoltaic na pag-uugali ng YBCO ceramics sa mataas na temperatura. Ang mga obserbasyon sa itaas ay nagbigay-liwanag sa epekto ng PV sa mataas na temperatura na superconducting na YBCO ceramics at nagbibigay daan sa mga bagong aplikasyon sa mga optoelectronic na device tulad ng mabilis na passive light detector at single photon detector.
Ang mga eksperimento sa photovoltaic effect ay isinagawa sa isang YBCO ceramic sample na 0.52 mm ang kapal at 8.64 × 2.26 mm2 na hugis-parihaba na hugis at naiilaw ng tuloy-tuloy na wave blue-laser (λ = 450 nm) na may sukat ng laser spot na 1.25 mm sa radius. Ang paggamit ng bulk sa halip na manipis na sample ng pelikula ay nagbibigay-daan sa amin na pag-aralan ang mga photovoltaic na katangian ng superconductor nang hindi kailangang harapin ang kumplikadong impluwensya ng substrate6,7. Bukod dito, ang bulk na materyal ay maaaring maging kaaya-aya para sa simpleng pamamaraan ng paghahanda nito at medyo mababang gastos. Ang mga tansong lead wire ay pinagsama-sama sa sample ng YBCO na may pilak na paste na bumubuo ng apat na pabilog na electrodes na halos 1 mm ang lapad. Ang distansya sa pagitan ng dalawang boltahe electrodes ay tungkol sa 5 mm. Ang mga katangian ng IV ng sample ay sinusukat gamit ang vibration sample magnetometer (VersaLab, Quantum Design) na may quartz crystal window. Ang karaniwang paraan ng apat na wire ay ginamit upang makuha ang IV curves. Ang mga kamag-anak na posisyon ng mga electrodes at ang laser spot ay ipinapakita sa Fig. 1i.
Paano mabanggit ang artikulong ito: Yang, F. et al. Pinagmulan ng photovoltaic effect sa superconducting YBa2Cu3O6.96 ceramics. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG at Testardi, LR Symmetry-forbidden laser-induced voltages sa YBa2Cu3O7 . Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Pinagmulan ng maanomalyang photovoltaic signal sa Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pagsukat ng laser-induced voltages ng superconducting Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Lumilipas na mga boltahe na dulot ng laser sa mga pelikulang may temperatura sa silid ng YBa2Cu3O7-x . J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Maanomalyang photovoltaic na tugon sa YBa2Cu3O7 . Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Photogenerated hole carrier injection sa YBa2Cu3O7−x sa isang oxide heterostructure. Appl. Phys. Sinabi ni Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Photoemission study ng YBa2Cu3Oy thin films sa ilalim ng light illumination. Phys. Si Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Photovoltaic effect ng YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction na na-annealed sa iba't ibang oxygen partial pressure. Mater. Sinabi ni Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Dalawang-Gap na istraktura sa Yb(Y)Ba2Cu3O7-x iisang kristal. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Quasiparticle relaxation dynamics sa superconductors na may iba't ibang gap structures: Theory and experiments on YBa2Cu3O7-δ . Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Pagwawasto ng mga katangian ng YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Appl. Phys. Sinabi ni Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Excitonic absorption at superconductivity sa YBa2Cu3O7-δ . Phys. Si Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Lumilipas na photoinduced conductivity sa semiconducting single crystals ng YBa2Cu3O6.3: paghahanap para sa photoinduced metallic state at para sa photoinduced superconductivity. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunneling model ng superconducting proximity effect. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Superconducting proximity effect na sinuri sa isang mesoscopic length scale. Phys. Si Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Proximity effect na may noncenttrosymmetric superconductor. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Malakas na superconducting proximity effect sa Pb-Bi2Te3 hybrid structures. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Isang bagong silicon pn junction photocell para sa pag-convert ng solar radiation sa electrical power. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Impurity effect sa superconducting coherence length sa Zn- o Ni-doped YBa2Cu3O6.9 single crystals. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistance ng Untwinned YBa2Cu3Oy single crystals sa malawak na hanay ng doping: anomalyang hole-doping dependence ng coherence length. Phys. Si Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematics sa thermoelectric power ng high-T, oxides. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Carrier-density-dependent momentum shift ng coherent peak at ang LO phonon mode sa mga p-type na high-Tc superconductors. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Pagbabawas ng butas at akumulasyon ng electron sa YBa2Cu3Oy thin films gamit ang electrochemical technique: Ebidensya para sa n-type na metal na estado. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Ang physics at chemistry ng Schottky barrier height. Appl. Phys. Sinabi ni Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Mga Epekto ng Dynamic na External Pair Breaking sa Superconducting Films. Phys. Si Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Photoinduced na pagpapahusay ng superconductivity. Appl. Phys. Sinabi ni Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Ang patuloy na photoconductivity sa YBa2Cu3O6+x na mga pelikula bilang isang paraan ng photodoping patungo sa metal at superconducting phase. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Nonlinear lattice dynamics bilang batayan para sa pinahusay na superconductivity sa YBa2Cu3O6.5 . Kalikasan 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Light-induced superconductivity sa isang stripe-ordered cuprate. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Ang temperatura functional dependence ng VOC para sa isang solar cell na may kaugnayan sa kahusayan nito bagong diskarte. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM at Anderson, WA Mga epekto sa temperatura sa Schottky-barrier silicon solar cells. Appl. Phys. Sinabi ni Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperature dependence para sa mga parameter ng photovoltaic device ng polymer-fullerene solar cells sa ilalim ng mga kondisyon ng operating. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Ang gawaing ito ay suportado ng National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60571063), ang Fundamental Research Projects ng Henan Province, China (Grant No. 122300410231).
Isinulat ni FY ang teksto ng papel at inihanda ng MYH ang sample ng YBCO ceramic. Ginawa ni FY at MYH ang eksperimento at sinuri ang mga resulta. Pinangunahan ng FGC ang proyekto at ang siyentipikong interpretasyon ng data. Sinuri ng lahat ng may-akda ang manuskrito.
Ang gawaing ito ay lisensyado sa ilalim ng Creative Commons Attribution 4.0 International License. Ang mga larawan o iba pang materyal ng third party sa artikulong ito ay kasama sa lisensya ng Creative Commons ng artikulo, maliban kung iba ang ipinahiwatig sa linya ng kredito; kung ang materyal ay hindi kasama sa ilalim ng lisensya ng Creative Commons, kakailanganin ng mga user na kumuha ng pahintulot mula sa may hawak ng lisensya upang kopyahin ang materyal. Upang tingnan ang isang kopya ng lisensyang ito, bisitahin ang http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Pinagmulan ng photovoltaic effect sa superconducting YBa2Cu3O6.96 ceramics. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Sa pamamagitan ng pagsusumite ng komento sumasang-ayon kang sumunod sa aming Mga Tuntunin at Alituntunin ng Komunidad. Kung makakita ka ng isang bagay na mapang-abuso o hindi sumusunod sa aming mga tuntunin o alituntunin mangyaring i-flag ito bilang hindi naaangkop.
Oras ng post: Abr-22-2020