Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. CSS için sınırlı desteğe sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz. En iyi deneyimi elde etmek için daha güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada desteğin devamını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntülüyoruz.
YBCO'nun süper iletkenliği ve YBCO-metalik elektrot arayüzü ile doğrudan ilişkili olan, mavi lazer aydınlatmanın neden olduğu 50 ila 300 K arasında YBa2Cu3O6.96 (YBCO) seramiğinde dikkate değer fotovoltaik etki rapor ediyoruz. YBCO süperiletken durumdan dirençli duruma geçiş yaptığında, açık devre voltajı Voc ve kısa devre akımı Isc için bir polarite değişimi söz konusudur. Süperiletken-normal metal arayüzünde, foto-indüklü elektron-delik çiftleri için ayırma kuvvetini sağlayan bir elektrik potansiyelinin var olduğunu gösterdik. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süper iletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda yönelir ve YBCO süper iletken olmadığında ters yöne geçer. YBCO süperiletken olduğunda ve değerinin 502 mW/cm2 lazer yoğunluğuyla 50 K'de ~10–8 mV olduğu tahmin edildiğinde, potansiyelin kökeni metal-süperiletken arayüzündeki yakınlık etkisi ile kolayca ilişkilendirilebilir. Normal durumda p tipi bir malzeme olan YBCO'nun n tipi bir malzeme olan Ag-macun ile kombinasyonu, YBCO seramiklerinin yüksek sıcaklıklarda fotovoltaik davranışından sorumlu olan bir yarı-pn bağlantısı oluşturur. Bulgularımız foton-elektronik cihazların yeni uygulamalarına yol açabilir ve süperiletken-metal arayüzündeki yakınlık etkisine daha fazla ışık tutabilir.
Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde foto-indüklenen voltaj 1990'ların başında rapor edildi ve o zamandan beri kapsamlı bir şekilde araştırıldı, ancak doğası ve mekanizması hala belirsizliğini koruyor1,2,3,4,5. Özellikle YBa2Cu3O7-δ (YBCO) ince filmleri6,7,8 ayarlanabilir enerji aralığı9,10,11,12,13 nedeniyle fotovoltaik (PV) hücre formunda yoğun bir şekilde incelenmektedir. Ancak alt tabakanın yüksek direnci her zaman cihazın dönüşüm verimliliğinin düşük olmasına neden olur ve YBCO8'in birincil PV özelliklerini maskeler. Burada, YBa2Cu3O6.96 (YBCO) seramiğinde 50 ila 300 K (Tc ~ 90 K) arasında mavi lazer (λ = 450 nm) aydınlatmanın neden olduğu dikkate değer fotovoltaik etkiyi rapor ediyoruz. PV etkisinin doğrudan YBCO'nun süperiletkenliği ve YBCO-metalik elektrot arayüzünün doğası ile ilişkili olduğunu gösterdik. YBCO süperiletken fazdan dirençli duruma geçiş yaptığında açık devre voltajı Voc ve kısa devre akımı Isc için bir polarite değişimi söz konusudur. Süperiletken-normal metal arayüzü boyunca, foto-indüklenen elektron-delik çiftleri için ayırma kuvvetini sağlayan bir elektrik potansiyelinin mevcut olduğu ileri sürülmektedir. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süperiletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda yönelir ve numune süperiletken olmadığında ters yöne geçer. YBCO süper iletken olduğunda ve değerinin 50 K'de 502 mW lazer yoğunluğuyla ~10−8 mV olduğu tahmin edildiğinde, potansiyelin kaynağı doğal olarak metal-süper iletken arayüzündeki yakınlık etkisi14,15,16,17 ile ilişkilendirilebilir. /cm2. Normal durumda p-tipi bir malzeme olan YBCO'nun n-tipi bir malzeme olan Ag-macun ile kombinasyonu, büyük olasılıkla YBCO seramiklerinin yüksek sıcaklıklarda PV davranışından sorumlu olan bir yarı-pn bağlantısı oluşturur. Gözlemlerimiz, yüksek sıcaklıktaki süper iletken YBCO seramiklerindeki PV etkisinin kökenine daha fazla ışık tuttu ve hızlı pasif ışık dedektörü vb. gibi optoelektronik cihazlarda uygulanmasının önünü açtı.
Şekil 1a-c, YBCO seramik numunesinin 50 K'deki IV özelliklerini göstermektedir. Işık aydınlatması olmadan, süper iletken bir malzemeden beklenebileceği gibi, numune üzerindeki voltaj değişen akımla birlikte sıfırda kalır. Lazer ışını katoda yönlendirildiğinde bariz fotovoltaik etki ortaya çıkar (Şekil 1a): I eksenine paralel IV eğrileri, artan lazer yoğunluğuyla birlikte aşağı doğru hareket eder. Herhangi bir akım olmasa bile negatif bir foto-indüklü voltajın (genellikle açık devre voltajı Voc olarak adlandırılır) olduğu açıktır. IV eğrisinin sıfır eğimi, numunenin lazer aydınlatma altında hala süper iletken olduğunu gösterir.
(a – c) ve 300 K (e – g). V(I) değerleri, akımın vakumda -10 mA'dan +10 mA'ya kadar süpürülmesiyle elde edildi. Açıklık sağlamak amacıyla deneysel verilerin yalnızca bir kısmı sunulmuştur. a, YBCO'nun katotta (i) konumlandırılmış lazer noktasıyla ölçülen akım-gerilim özellikleri. Tüm IV eğrileri, numunenin hala lazer ışınlaması ile süper iletken olduğunu gösteren yatay düz çizgilerdir. Eğri, artan lazer yoğunluğuyla birlikte aşağı doğru hareket eder; bu, sıfır akımda bile iki gerilim ucu arasında negatif bir potansiyelin (Voc) mevcut olduğunu gösterir. Lazer, eter 50 K (b) veya 300 K (f)'de numunenin merkezine yönlendirildiğinde IV eğrileri değişmeden kalır. Anot aydınlandıkça yatay çizgi yukarı doğru hareket eder (c). 50 K'deki metal-süper iletken bağlantının şematik modeli d'de gösterilmiştir. Katot ve anoda yönlendirilmiş lazer ışınıyla ölçülen 300 K'deki normal durum YBCO'nun akım-gerilim özellikleri sırasıyla e ve g olarak verilmiştir. 50 K'deki sonuçların aksine, düz çizgilerin sıfır olmayan eğimi YBCO'nun normal durumda olduğunu gösterir; Voc değerleri ışık yoğunluğuna göre ters yönde değişir, bu da farklı bir yük ayırma mekanizmasına işaret eder. 300 K'deki olası bir arayüz yapısı hj'de gösterilmektedir. Numunenin uçlarla birlikte gerçek resmi.
Süperiletken durumdaki oksijen açısından zengin YBCO, çok küçük enerji aralığı (Eg)9,10 nedeniyle güneş ışığının neredeyse tüm spektrumunu emebilir, böylece elektron-delik çiftleri (e-h) oluşturabilir. Fotonların emilmesiyle açık devre voltajı Voc üretmek için, rekombinasyon oluşmadan önce foto-oluşturulan eh çiftlerinin mekansal olarak ayrılması gerekir18. Şekil 1i'de gösterildiği gibi katot ve anoda göre negatif Voc, metal-süperiletken arayüzü boyunca elektronları anoda ve delikleri katoda doğru sürükleyen bir elektrik potansiyelinin var olduğunu göstermektedir. Durum böyleyse, süperiletkenden anottaki metal elektroda doğru bir potansiyelin de olması gerekir. Sonuç olarak, anoda yakın örnek alan aydınlatılırsa pozitif bir Voc elde edilecektir. Ayrıca, lazer noktası elektrotlardan uzak alanlara işaret edildiğinde foto kaynaklı voltajlar olmamalıdır. Şekil 1b,c!'de de görülebileceği gibi durum kesinlikle budur.
Işık noktası katot elektrottan numunenin merkezine (arayüzlerden yaklaşık 1,25 mm uzakta) hareket ettiğinde, lazer yoğunluğunun mevcut maksimum değere arttırılmasıyla IV eğrilerinde hiçbir değişiklik ve Voc gözlemlenemez (Şekil 1b). . Doğal olarak bu sonuç, foto-indüklenen taşıyıcıların sınırlı ömrüne ve numunede ayırma kuvvetinin olmamasına atfedilebilir. Numune aydınlatıldığında elektron-delik çiftleri oluşturulabilir, ancak e-h çiftlerinin çoğu yok olur ve lazer noktası elektrotların herhangi birinden uzak alanlara düşerse hiçbir fotovoltaik etki gözlemlenmez. Lazer noktasını anot elektrotlarına hareket ettiren IV eğrileri, I eksenine paralel olarak artan lazer yoğunluğuyla yukarı doğru hareket eder (Şekil 1c). Anottaki metal-süper iletken bağlantı noktasında da benzer yerleşik elektrik alanı mevcuttur. Ancak metalik elektrot bu sefer test sisteminin pozitif ucuna bağlanır. Lazer tarafından oluşturulan delikler anot ucuna doğru itilir ve böylece pozitif bir Voc gözlemlenir. Burada sunulan sonuçlar, süperiletkenden metal elektroda doğru bir arayüz potansiyelinin gerçekten var olduğuna dair güçlü kanıtlar sağlıyor.
YBa2Cu3O6.96 seramiklerinde 300 K'de fotovoltaik etki Şekil 1e-g'de gösterilmektedir. Işık aydınlatması olmadan, numunenin IV eğrisi orijinden geçen düz bir çizgidir. Bu düz çizgi, katot uçlarında yayılan lazer yoğunluğunun artmasıyla birlikte orijinal çizgiye paralel olarak yukarı doğru hareket eder (Şekil 1e). Bir fotovoltaik cihaz için iki sınırlayıcı durum vardır. Kısa devre durumu V = 0 olduğunda ortaya çıkar. Bu durumda akıma kısa devre akımı (Isc) adı verilir. İkinci sınırlayıcı durum, R→∞ veya akımın sıfır olması durumunda ortaya çıkan açık devre durumudur (Voc). Şekil 1e, 50 K'de elde edilen sonucun aksine, Voc'nin pozitif olduğunu ve artan ışık yoğunluğuyla arttığını açıkça göstermektedir; normal güneş pillerinin tipik bir davranışı olan, ışık aydınlatmasıyla negatif Isc'nin büyüklüğünün arttığı gözlemlenir.
Benzer şekilde, lazer ışını elektrotlardan uzak alanlara yönlendirildiğinde V(I) eğrisi lazer yoğunluğundan bağımsızdır ve herhangi bir fotovoltaik etki ortaya çıkmamaktadır (Şekil 1f). 50 K'deki ölçüme benzer şekilde IV eğrileri, anot elektrodu ışınlandıkça ters yöne hareket eder (Şekil 1g). Numunenin farklı pozisyonlarında lazer ışınımı uygulanarak 300 K'de bu YBCO-Ag macun sistemi için elde edilen tüm bu sonuçlar, 50 K'de gözlemlenenin tersi bir arayüz potansiyeli ile tutarlıdır.
Elektronların çoğu süperiletken YBCO'da Tc geçiş sıcaklığının altında Cooper çiftleri halinde yoğunlaşır. Metal elektrotta tüm elektronlar tekil formda kalır. Metal-süperiletken arayüzünün yakınında hem tekil elektronlar hem de Cooper çiftleri için büyük bir yoğunluk gradyanı vardır. Metalik malzemedeki çoğunluk taşıyıcı tekil elektronlar süperiletken bölgeye yayılırken, YBCO bölgesindeki çoğunluk taşıyıcı Cooper çiftleri metal bölgeye yayılacaktır. Tekil elektronlara göre daha fazla yük taşıyan ve daha büyük hareket kabiliyetine sahip Cooper çiftleri YBCO'dan metalik bölgeye yayıldıkça, pozitif yüklü atomlar geride kalır ve bu da uzay yük bölgesinde bir elektrik alanıyla sonuçlanır. Bu elektrik alanının yönü, Şekil 1d'deki şematik diyagramda gösterilmektedir. Uzay yükü bölgesinin yakınındaki olay foton aydınlatması, ayrılacak ve ters yönde bir fotoakım üretecek şekilde süpürülecek eh çiftleri yaratabilir. Elektronlar yerleşik elektrik alanından çıkar çıkmaz çiftler halinde yoğunlaşır ve direnç olmadan diğer elektroda doğru akarlar. Bu durumda, Voc önceden ayarlanmış polaritenin tersidir ve lazer ışını negatif elektrotun etrafındaki alana işaret ettiğinde negatif bir değer görüntüler. Voc değerinden arayüz boyunca potansiyel tahmin edilebilir: iki voltaj ucu d arasındaki mesafe ~5 × 10−3 m'dir, metal-süper iletken arayüzünün kalınlığı di, aynı büyüklükte olmalıdır YBCO süper iletkeninin tutarlılık uzunluğu (~1 nm)19,20 olarak, Voc = 0,03 mV değerini alın, metal-süper iletken arayüzündeki potansiyel Vms ~10−11 V olarak değerlendirilir Denklemi kullanarak, 502 mW/cm2 lazer yoğunluğuyla 50 K'de,
Burada foto kaynaklı voltajın foto termal etkiyle açıklanamayacağını vurgulamak istiyoruz. Süper iletken YBCO'nun Seebeck katsayısının Ss = 021 olduğu deneysel olarak tespit edilmiştir. Bakır kurşun teller için Seebeck katsayısı SCu = 0,34–1,15 μV/K3 aralığındadır. Lazer noktasındaki bakır telin sıcaklığı, 50 K'de maksimum lazer yoğunluğu ile 0,06 K kadar küçük bir miktar kadar yükseltilebilir. Bu, 6,9 × 10−8 V'luk bir termoelektrik potansiyel üretebilir; bu, üç mertebeden daha küçük bir büyüklüktür. Şekil 1 (a)'da elde edilen Voc. Termoelektrik etkinin deneysel sonuçları açıklayamayacak kadar küçük olduğu açıktır. Aslında, lazer ışınımından kaynaklanan sıcaklık değişimi bir dakikadan daha kısa bir sürede ortadan kalkacak ve böylece termal etkinin katkısı güvenli bir şekilde göz ardı edilebilecektir.
YBCO'nun oda sıcaklığındaki bu fotovoltaik etkisi, burada farklı bir yük ayırma mekanizmasının devreye girdiğini ortaya koyuyor. Normal durumda süper iletken YBCO, yük taşıyıcısı olarak deliklere sahip p tipi bir malzemedir22,23, metalik Ag macunu ise n tipi bir malzemenin özelliklerine sahiptir. Pn bağlantılarına benzer şekilde, gümüş macundaki elektronların difüzyonu ve YBCO seramiğindeki delikler, arayüzdeki YBCO seramiğine işaret eden bir iç elektrik alanı oluşturacaktır (Şekil 1h). Şekil 1e'de gösterildiği gibi, oda sıcaklığında YBCO-Ag macun sistemi için ayırma kuvvetini sağlayan ve pozitif Voc ve negatif Isc'ye yol açan bu iç alandır. Alternatif olarak Ag-YBCO, yukarıda sunulan modelde olduğu gibi aynı polariteye sahip bir arayüz potansiyeline de yol açan p tipi bir Schottky bağlantısı oluşturabilir.
YBCO'nun süperiletken geçişi sırasında fotovoltaik özelliklerin ayrıntılı gelişim sürecini araştırmak için, numunenin 80 K'deki IV eğrileri, katot elektrotta aydınlatılan seçilmiş lazer yoğunluklarıyla ölçüldü (Şekil 2). Lazer ışınlaması olmadan, numune üzerindeki voltaj, akımdan bağımsız olarak sıfırda kalır, bu da numunenin 80 K'deki süper iletken durumunu gösterir (Şekil 2a). 50 K'de elde edilen verilere benzer şekilde, I eksenine paralel IV eğrileri, kritik bir Pc değerine ulaşılana kadar artan lazer yoğunluğuyla aşağı doğru hareket eder. Bu kritik lazer yoğunluğunun (Pc) üzerinde, süperiletken, süperiletken fazdan dirençli faza geçişe uğrar; süperiletkende direncin ortaya çıkması nedeniyle voltaj akımla birlikte artmaya başlar. Sonuç olarak, IV eğrisi I ekseni ve V ekseni ile kesişmeye başlar ve ilk başta negatif bir Voc ve pozitif bir Isc'ye yol açar. Artık numune, Voc ve Isc polaritesinin ışık yoğunluğuna son derece duyarlı olduğu özel bir durumda gibi görünüyor; ışık yoğunluğundaki çok küçük bir artışla Isc pozitiften negatife ve Voc negatiften pozitif değere dönüştürülerek orijinden geçilir (fotovoltaik özelliklerin, özellikle Isc değerinin ışık aydınlatmasına karşı yüksek duyarlılığı Şekil 2'de daha net görülmektedir). 2b). Mevcut en yüksek lazer yoğunluğunda, IV eğrileri birbirine paralel olmayı amaçlayarak YBCO numunesinin normal durumunu belirtir.
Lazer noktası merkezi katot elektrotlarının etrafına konumlandırılmıştır (bkz. Şekil 1i). a, farklı lazer yoğunluklarıyla ışınlanmış YBCO'nun IV eğrileri. b (üstte), Açık devre voltajı Voc ve kısa devre akımı Isc'nin lazer yoğunluğuna bağımlılığı. Düşük ışık yoğunluğunda (< 110 mW/cm2) Isc değerleri elde edilemez çünkü numune süperiletken durumdayken IV eğrileri I eksenine paraleldir. b (altta), lazer yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak diferansiyel direnç.
80 K'de Voc ve Isc'nin lazer yoğunluğu bağımlılığı Şekil 2b'de (üstte) gösterilmektedir. Fotovoltaik özellikler ışık yoğunluğunun üç bölgesinde tartışılabilir. Birinci bölge 0 ile Pc arasındadır, burada YBCO süperiletkendir, Voc negatiftir ve ışık şiddetiyle azalır (mutlak değer artar) ve Pc'de minimuma ulaşır. İkinci bölge Pc'den diğer bir kritik yoğunluk P0'a kadardır; burada artan ışık yoğunluğuyla birlikte Voc artarken Isc azalır ve her ikisi de P0'da sıfıra ulaşır. Üçüncü bölge, YBCO'nun normal durumuna ulaşılana kadar P0'ın üzerindedir. Hem Voc hem de Isc, bölge 2'de olduğu gibi ışık yoğunluğuna göre değişiklik gösterse de, kritik yoğunluk P0'ın üzerinde zıt kutuplara sahiptirler. P0'ın önemi fotovoltaik etkinin olmaması ve yük ayırma mekanizmasının bu noktada niteliksel olarak değişmesidir. YBCO örneği bu ışık yoğunluğu aralığında süper iletken olmayan hale gelir ancak normal duruma henüz ulaşılmamıştır.
Açıkçası, sistemin fotovoltaik özellikleri YBCO'nun süperiletkenliği ve onun süperiletken geçişiyle yakından ilişkilidir. YBCO'nun diferansiyel direnci dV/dI, lazer yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak Şekil 2b'de (altta) gösterilmektedir. Daha önce de belirtildiği gibi, Cooper çifti nedeniyle arayüzde oluşan elektrik potansiyeli, süper iletkenden metale doğru difüzyon noktalarıdır. 50 K'da gözlemlenene benzer şekilde, fotovoltaik etki, lazer yoğunluğunun 0'dan Pc'ye arttırılmasıyla güçlendirilir. Lazer yoğunluğu Pc'nin biraz üzerinde bir değere ulaştığında IV eğrisi eğilmeye başlar ve numunenin direnci ortaya çıkmaya başlar ancak arayüz potansiyelinin polaritesi henüz değişmemiştir. Optik uyarımın süperiletkenlik üzerindeki etkisi görünür veya IR'ye yakın bölgede araştırılmıştır. Temel süreç Cooper çiftlerini parçalamak ve süperiletkenliği yok etmek olsa da25,26, bazı durumlarda süperiletkenlik geçişi artırılabilir27,28,29, hatta süperiletkenliğin yeni aşamaları tetiklenebilir30. Pc'de süperiletkenliğin olmaması, foton kaynaklı çift kırılmasına atfedilebilir. P0 noktasında arayüzdeki potansiyel sıfır olur, bu da arayüzün her iki tarafındaki yük yoğunluğunun bu özel ışık aydınlatması yoğunluğu altında aynı seviyeye ulaştığını gösterir. Lazer yoğunluğunun daha da artması, daha fazla Cooper çiftinin yok edilmesine ve YBCO'nun yavaş yavaş p tipi malzemeye dönüşmesine neden olur. Elektron ve Cooper çifti difüzyonu yerine, arayüzün özelliği artık elektron ve delik difüzyonu ile belirlenmektedir, bu da arayüzdeki elektrik alanının polaritesinin tersine çevrilmesine ve sonuç olarak pozitif bir Voc'a yol açmaktadır (Şekil 1d,h ile karşılaştırın). Çok yüksek lazer yoğunluğunda, YBCO'nun diferansiyel direnci normal duruma karşılık gelen bir değere doyurulur ve hem Voc hem de Isc, lazer yoğunluğuyla doğrusal olarak değişme eğilimindedir (Şekil 2b). Bu gözlem, YBCO'nun normal durumundaki lazer ışınımının artık direncini ve süperiletken-metal arayüzünün özelliğini değiştirmeyeceğini, yalnızca elektron-delik çiftlerinin konsantrasyonunu artıracağını ortaya koymaktadır.
Sıcaklığın fotovoltaik özellikler üzerindeki etkisini araştırmak için metal-süper iletken sistem katotta 502 mW/cm2 yoğunluğundaki mavi lazerle ışınlandı. 50 ile 300 K arasında seçilen sıcaklıklarda elde edilen IV eğrileri Şekil 3a'da verilmiştir. Açık devre voltajı Voc, kısa devre akımı Isc ve diferansiyel direnç daha sonra bu IV eğrilerinden elde edilebilir ve Şekil 3b'de gösterilmektedir. Işık aydınlatması olmadan, farklı sıcaklıklarda ölçülen tüm IV eğrileri beklendiği gibi orijinden geçer (Şekil 3a'nın eki). Sistem nispeten güçlü bir lazer ışınıyla (502 mW/cm2) aydınlatıldığında IV özellikleri artan sıcaklıkla büyük ölçüde değişir. Düşük sıcaklıklarda IV eğrileri, negatif Voc değerlerine sahip I eksenine paralel düz çizgilerdir. Bu eğri artan sıcaklıkla birlikte yukarı doğru hareket eder ve Tcp kritik sıcaklığında yavaş yavaş sıfır olmayan eğime sahip bir çizgiye dönüşür (Şekil 3a (üstte)). Görünüşe göre tüm IV karakteristik eğrileri üçüncü çeyrekte bir nokta etrafında dönüyor. Voc negatif bir değerden pozitif bir değere yükselirken Isc pozitif bir değerden negatif bir değere düşer. YBCO'nun orijinal süper iletken geçiş sıcaklığı Tc'nin üzerinde, IV eğrisi sıcaklıkla oldukça farklı şekilde değişir (Şekil 3a'nın alt kısmı). Öncelikle IV eğrilerinin dönme merkezi birinci çeyreğe doğru hareket eder. İkinci olarak, artan sıcaklıkla birlikte Voc azalmaya ve Isc artmaya devam ediyor (Şekil 3b'nin üst kısmı). Üçüncüsü, IV eğrilerinin eğimi sıcaklıkla doğrusal olarak artar ve bu da YBCO için pozitif bir sıcaklık direnç katsayısı ile sonuçlanır (Şekil 3b'nin alt kısmı).
502 mW/cm2 lazer aydınlatması altında YBCO-Ag macun sistemi için fotovoltaik özelliklerin sıcaklığa bağımlılığı.
Lazer noktası merkezi katot elektrotlarının etrafına konumlandırılmıştır (bkz. Şekil 1i). a, IV eğrileri sırasıyla 5 K ve 20 K sıcaklık artışıyla 50 ila 90 K (üst) ve 100 ila 300 K (alt) arasında elde edildi. Ek a, karanlıkta çeşitli sıcaklıklarda IV özelliklerini gösterir. Tüm eğriler başlangıç noktasını keser. b, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak açık devre voltajı Voc ve kısa devre akımı Isc (üst) ve YBCO'nun (alt) diferansiyel direnci, dV/dI. Sıfır dirençli süperiletken geçiş sıcaklığı Tcp, Tc0'a çok yakın olduğundan verilmemiştir.
Şekil 3b'den üç kritik sıcaklık tanınabilir: YBCO'nun süperiletken olmayan hale geldiği Tcp; Tc0, hem Voc hem de Isc'nin sıfır olduğu ve Tc, YBCO'nun lazer ışıması olmadan başlangıçtaki süper iletken geçiş sıcaklığı. Tcp ~ 55 K'nin altında, lazerle ışınlanmış YBCO, nispeten yüksek Cooper çifti konsantrasyonuyla süper iletken durumdadır. Lazer ışınlamanın etkisi, fotovoltaik voltaj ve akım üretmenin yanı sıra Cooper çifti konsantrasyonunu azaltarak sıfır dirençli süper iletken geçiş sıcaklığını 89 K'den ~55 K'ye (Şekil 3b'nin altı) düşürmektir. Artan sıcaklık aynı zamanda Cooper çiftlerini de parçalayarak arayüzde daha düşük bir potansiyele yol açar. Sonuç olarak, aynı yoğunlukta lazer aydınlatma uygulanmasına rağmen Voc'un mutlak değeri küçülecektir. Arayüz potansiyeli sıcaklığın daha da artmasıyla giderek küçülecek ve Tc0'da sıfıra ulaşacaktır. Bu özel noktada fotovoltaik etki yoktur çünkü foton kaynaklı elektron-delik çiftlerini ayıracak bir iç alan yoktur. Ag macunundaki serbest yük yoğunluğu, yavaş yavaş p tipi malzemeye geri aktarılan YBCO'dakinden daha büyük olduğundan, bu kritik sıcaklığın üzerinde potansiyelin polaritesinin tersine dönmesi meydana gelir. Burada Voc ve Isc kutuplarının ters çevrilmesinin, geçişin sebebi ne olursa olsun, sıfır dirençli süperiletken geçişten hemen sonra gerçekleştiğini vurgulamak istiyoruz. Bu gözlem, süperiletkenlik ile metal-süperiletken arayüz potansiyeli ile ilişkili fotovoltaik etkiler arasındaki ilişkiyi ilk kez açıkça ortaya koyuyor. Süperiletken-normal metal arayüzündeki bu potansiyelin doğası, son birkaç on yıldır araştırma konusu olmuştur ancak hala cevaplanmayı bekleyen birçok soru vardır. Fotovoltaik etkinin ölçümü, bu önemli potansiyelin ayrıntılarını (gücü ve polaritesi vb.) araştırmak için etkili bir yöntem olabilir ve dolayısıyla yüksek sıcaklık süperiletken yakınlık etkisine ışık tutabilir.
Sıcaklığın Tc0'dan Tc'ye daha fazla artması, Cooper çiftlerinin daha küçük bir konsantrasyonuna ve arayüz potansiyelinde bir artışa ve dolayısıyla daha büyük Voc'a yol açar. Tc'de Cooper çifti konsantrasyonu sıfır olur ve arayüzdeki yerleşik potansiyel maksimuma ulaşır, bu da maksimum Voc ve minimum Isc ile sonuçlanır. Bu sıcaklık aralığında Voc ve Isc'nin (mutlak değer) hızlı artışı, 502 mW/cm2 yoğunluğundaki lazer ışınlaması ile ΔT ~ 3 K'den ~34 K'ye genişleyen süper iletken geçişe karşılık gelir (Şekil 3b). Tc'nin üzerindeki normal durumlarda, açık devre voltajı Voc, pn bağlantılarına31,32,33 dayalı normal güneş pilleri için Voc'nin doğrusal davranışına benzer şekilde sıcaklıkla birlikte azalır (Şekil 3b'nin üstü). Lazer yoğunluğuna güçlü bir şekilde bağlı olan Voc'nin sıcaklıkla değişim oranı (−dVoc/dT), normal güneş pillerininkinden çok daha küçük olmasına rağmen, YBCO-Ag bağlantısı için Voc'nin sıcaklık katsayısı, bununla aynı büyüklük sırasına sahiptir. güneş pillerinden. Normal bir güneş pili cihazı için bir pn bağlantısının kaçak akımı sıcaklık arttıkça artar ve sıcaklık arttıkça Voc'da bir azalmaya yol açar. Bu Ag süperiletken sistemi için gözlemlenen doğrusal IV eğrileri, ilk olarak çok küçük arayüz potansiyeli ve ikinci olarak iki heteroeklemin arka arkaya bağlantısı nedeniyle, kaçak akımın belirlenmesini zorlaştırmaktadır. Bununla birlikte, deneyimizde gözlemlenen Voc davranışından kaçak akımın aynı sıcaklık bağımlılığının sorumlu olduğu çok muhtemeldir. Tanıma göre Isc, toplam voltajın sıfır olması için Voc'u telafi edecek negatif bir voltaj üretmek için gereken akımdır. Sıcaklık arttıkça Voc küçülür ve böylece negatif voltajı üretmek için daha az akım gerekir. Ayrıca YBCO'nun direnci, Tc'nin üzerindeki sıcaklıklarla doğrusal olarak artar (Şekil 3b'nin alt kısmı), bu aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda Isc'nin daha küçük mutlak değerine de katkıda bulunur.
Şekil 2,3'te verilen sonuçların, katot elektrotlarının etrafındaki alana lazer ışınımı uygulanmasıyla elde edildiğine dikkat edin. Ölçümler anotta konumlandırılmış lazer noktasıyla da tekrarlanmıştır ve bu durumda Voc ve Isc polaritesinin tersine çevrilmesi dışında benzer IV özellikleri ve fotovoltaik özellikler gözlemlenmiştir. Tüm bu veriler, süperiletken-metal arayüzü ile yakından ilişkili olan fotovoltaik etki mekanizmasına yol açmaktadır.
Özetle, lazer ışınlı süper iletken YBCO-Ag macun sisteminin IV özellikleri, sıcaklığın ve lazer yoğunluğunun fonksiyonu olarak ölçülmüştür. 50 ila 300 K sıcaklık aralığında dikkate değer fotovoltaik etki gözlemlenmiştir. Fotovoltaik özelliklerin, YBCO seramiklerinin süperiletkenliğiyle güçlü bir şekilde ilişkili olduğu bulunmuştur. Voc ve Isc'nin polaritesinin tersine çevrilmesi, fotonla indüklenen süper iletkenden süper iletken olmayana geçişin hemen ardından meydana gelir. Sabit lazer yoğunluğunda ölçülen Voc ve Isc'nin sıcaklığa bağlılığı aynı zamanda numunenin dirençli hale geldiği kritik bir sıcaklıkta belirgin bir polarite değişimi gösterir. Lazer noktasını numunenin farklı bir kısmına konumlandırarak, arayüz boyunca, foton kaynaklı elektron-delik çiftleri için ayırma kuvvetini sağlayan bir elektrik potansiyelinin bulunduğunu gösteririz. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süperiletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda yönelir ve numune süperiletken olmadığında ters yöne geçer. YBCO süper iletken olduğunda ve 502 mW/cm2 lazer yoğunluğuyla 50 K'de ~10−8 mV olduğu tahmin edildiğinde, potansiyelin kökeni doğal olarak metal-süper iletken arayüzündeki yakınlık etkisi ile ilişkilendirilebilir. P tipi bir malzeme olan YBCO'nun normal durumda n tipi bir malzeme olan Ag-macun ile teması, YBCO seramiklerinin yüksek sıcaklıklarda fotovoltaik davranışından sorumlu olan bir yarı-pn bağlantısı oluşturur. Yukarıdaki gözlemler, yüksek sıcaklıktaki süper iletken YBCO seramiklerindeki PV etkisine ışık tutuyor ve hızlı pasif ışık dedektörü ve tek foton dedektörü gibi optoelektronik cihazlarda yeni uygulamaların yolunu açıyor.
Fotovoltaik etki deneyleri, 0,52 mm kalınlığında ve 8,64 x 2,26 mm2 dikdörtgen şekilli ve 1,25 mm yarıçaplı lazer nokta boyutuna sahip sürekli dalga mavi lazer (λ = 450 nm) ile aydınlatılan YBCO seramik numunesi üzerinde gerçekleştirildi. İnce film numunesi yerine toplu kullanmak, süperiletkenin fotovoltaik özelliklerini, alt tabakanın karmaşık etkisiyle uğraşmak zorunda kalmadan incelememize olanak tanır6,7. Ayrıca, dökme malzeme, basit hazırlama prosedürü ve nispeten düşük maliyeti nedeniyle elverişli olabilir. Bakır kurşun teller, yaklaşık 1 mm çapında dört dairesel elektrot oluşturan gümüş macunla YBCO numunesi üzerinde birleştirilir. İki voltaj elektrodu arasındaki mesafe yaklaşık 5 mm'dir. Numunenin IV özellikleri, kuvars kristal pencereli titreşim numunesi manyetometresi (VersaLab, Quantum Design) kullanılarak ölçüldü. IV eğrilerini elde etmek için standart dört telli yöntem kullanıldı. Elektrotların ve lazer noktasının göreceli konumları Şekil 1i'de gösterilmektedir.
Bu makaleden nasıl alıntı yapılır: Yang, F. ve ark. Süper iletken YBa2Cu3O6.96 seramiklerinde fotovoltaik etkinin kökeni. Bilim. Temsilci 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR YBa2Cu3O7'de simetri yasaklı lazer kaynaklı voltajlar. Fizik. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O'daki anormal fotovoltaik sinyalin kökeni. Fizik. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR ve Wang, GW Süper iletken Bi-Sr-Ca-Cu-O'nun lazerle indüklenen voltajlarının ölçümü. Fizik. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL ve ark. YBa2Cu3O7-x'in oda sıcaklığındaki filmlerinde geçici lazer kaynaklı voltajlar. J. Başvuru. Fizik. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7'de anormal fotovoltaik tepki. Fizik. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. ve Hiroi, Z. Bir oksit heteroyapısında YBa2Cu3O7−x'e fotojenlenmiş delik taşıyıcı enjeksiyonu. Başvuru Fizik. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. ve ark. YBa2Cu3Oy ince filmlerinin ışık aydınlatması altında fotoemisyon çalışması. Fizik. Rahip Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. ve ark. Farklı oksijen kısmi basıncında tavlanmış YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heteroekleminin fotovoltaik etkisi. Anne. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA ve ark. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x tek kristallerinde iki boşluklu yapı. J. Süper İletken. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailoviç, D. Farklı boşluk yapılarına sahip süper iletkenlerde yarı parçacık gevşeme dinamikleri: YBa2Cu3O7-δ üzerine teori ve deneyler. Fizik. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heteroekleminin doğrultucu özellikleri. Başvuru Fizik. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ'da eksitonik absorpsiyon ve süperiletkenlik. Fizik. Rahip Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3'ün yarı iletken tek kristallerinde geçici ışıkla indüklenen iletkenlik: ışıkla indüklenen metalik durumu ve ışıkla indüklenen süperiletkenliği arayın. Katı Hal İletişimi 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Süperiletken yakınlık etkisinin tünel açma modeli. Fizik. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. ve diğerleri. Süperiletken yakınlık etkisi mezoskopik uzunluk ölçeğinde incelendi. Fizik. Rahip Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Merkezi simetrik olmayan süper iletkenlerle yakınlık etkisi. Fizik. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM ve ark. Pb-Bi2Te3 hibrit yapılarında güçlü süper iletken yakınlık etkisi. Bilim. Temsilci 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Güneş ışınımını elektrik enerjisine dönüştürmek için yeni bir silikon pn bağlantı fotoseli. J. Uygulama. Fizik. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn- veya Ni-katkılı YBa2Cu3O6.9 tek kristallerinde süperiletken tutarlılık uzunluğu üzerindeki safsızlık etkileri. Fizik. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Geniş bir katkı aralığında ikizlenmemiş YBa2Cu3Oy tek kristallerinin magnetorezistansı: tutarlılık uzunluğunun anormal delik katkılı bağımlılığı. Fizik. Rahip Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Yüksek T oksitlerin termoelektrik gücünde Sistematik. Fizik. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. ve diğerleri. P tipi yüksek Tc süperiletkenlerde tutarlı tepe noktasının ve LO fonon modunun taşıyıcı yoğunluğuna bağlı momentum kayması. Fizik. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. ve ark. Elektrokimyasal bir teknik kullanılarak YBa2Cu3Oy ince filmlerinde delik azaltımı ve elektron birikimi: n-tipi metalik durumun kanıtı. Fizik. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Schottky bariyer yüksekliğinin fiziği ve kimyası. Başvuru Fizik. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Süperiletken Filmlerde Dinamik Dış Çift Kırılmasının Etkileri. Fizik. Rahip Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. ve ark. Süperiletkenliğin fotokaynaklı arttırılması. Başvuru Fizik. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI ve diğerleri. YBa2Cu3O6+x filmlerinde metalik ve süperiletken fazlara doğru fotodoping yöntemi olarak kalıcı fotoiletkenlik. Fizik. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. ve diğerleri. YBa2Cu3O6.5'te gelişmiş süperiletkenliğin temeli olarak doğrusal olmayan kafes dinamiği. Doğa 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. ve diğerleri. Şerit sıralı bir kupratta ışık kaynaklı süper iletkenlik. Bilim 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Verimliliğiyle bağlantılı olarak bir güneş pili için VOC'nin sıcaklığa fonksiyonel bağımlılığı yeni yaklaşım. Tuzdan arındırma 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Schottky bariyerli silikon güneş pillerinde sıcaklık etkileri. Başvuru Fizik. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Çalışma koşulları altında polimer-fulleren güneş pillerinin fotovoltaik cihaz parametrelerinin sıcaklığa bağımlılığı. J. Başvuru. Fizik. 90, 5343–5350 (2002).
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Grant No. 60571063), Çin'in Henan Eyaleti Temel Araştırma Projeleri (Grant No. 122300410231) tarafından desteklenmiştir.
FY makalenin metnini yazdı ve MYH, YBCO seramik örneğini hazırladı. FY ve MYH deneyi gerçekleştirdi ve sonuçları analiz etti. FGC projeye ve verilerin bilimsel olarak yorumlanmasına öncülük etti. Tüm yazarlar makaleyi inceledi.
Bu çalışma Creative Commons Atıf 4.0 Uluslararası Lisansı kapsamında lisanslanmıştır. Bu makaledeki görseller veya diğer üçüncü taraf materyalleri, kredi limitinde aksi belirtilmediği sürece makalenin Creative Commons lisansına dahildir; Materyal Creative Commons lisansı kapsamına dahil değilse kullanıcıların materyali çoğaltmak için lisans sahibinden izin alması gerekecektir. Bu lisansın bir kopyasını görüntülemek için http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ adresini ziyaret edin.
Yang, F., Han, M. ve Chang, F. Süper iletken YBa2Cu3O6.96 seramiklerinde fotovoltaik etkinin kökeni. Bilim Temsilcisi 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Yorum göndererek Şartlarımıza ve Topluluk Kurallarımıza uymayı kabul etmiş olursunuz. Kötüye kullanım içeren veya şartlarımıza ya da yönergelerimize uymayan bir şey bulursanız lütfen bunu uygunsuz olarak işaretleyin.
Gönderim zamanı: Nis-22-2020