Oorsprong van fotovoltaïese effek in supergeleidende YBa2Cu3O6.96 keramiek

Dankie dat u nature.com besoek het. U gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte ondersteuning vir CSS. Om die beste ervaring te verkry, beveel ons aan dat u 'n meer opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer afskakel). Intussen, om voortgesette ondersteuning te verseker, vertoon ons die webwerf sonder style en JavaScript.

Ons rapporteer 'n merkwaardige fotovoltaïese effek in YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramiek tussen 50 en 300 K, geïnduseer deur bloulaserbeligting, wat direk verband hou met die supergeleiding van YBCO en die YBCO-metaalelektrode-koppelvlak. Daar is 'n polariteitsomkering vir die oopkringspanning Voc en kortsluitstroom Isc wanneer YBCO 'n oorgang van supergeleidende na weerstandstoestand ondergaan. Ons toon aan dat daar 'n elektriese potensiaal oor die supergeleier-normale metaal-koppelvlak bestaan, wat die skeidingskrag vir die foto-geïnduseerde elektron-gat-pare verskaf. Hierdie koppelvlakpotensiaal rig van YBCO na die metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en skakel oor na die teenoorgestelde rigting wanneer YBCO nie-supergeleidend word. Die oorsprong van die potensiaal kan maklik geassosieer word met die nabyheidseffek by die metaal-supergeleier-koppelvlak wanneer YBCO supergeleidend is, en die waarde daarvan word geskat op ~10–8 mV by 50 K met 'n laserintensiteit van 502 mW/cm2. Die kombinasie van 'n p-tipe materiaal YBCO in normale toestand met 'n n-tipe materiaal Ag-pasta vorm 'n kwasi-pn-voegvlak wat verantwoordelik is vir die fotovoltaïese gedrag van YBCO-keramiek by hoë temperature. Ons bevindinge kan die weg baan vir nuwe toepassings van foton-elektroniese toestelle en verdere lig werp op die nabyheidseffek by die supergeleier-metaal-koppelvlak.

Foto-geïnduseerde spanning in hoëtemperatuur-supergeleiers is in die vroeë 1990's gerapporteer en sedertdien breedvoerig ondersoek, maar die aard en meganisme daarvan bly onseker1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) dun films6,7,8 word veral intensief bestudeer in die vorm van fotovoltaïese (PV) selle as gevolg van die verstelbare energiegaping9,10,11,12,13. Hoë weerstand van die substraat lei egter altyd tot 'n lae omskakelingsdoeltreffendheid van die toestel en masker die primêre PV-eienskappe van YBCO8. Hier rapporteer ons 'n merkwaardige fotovoltaïese effek wat veroorsaak word deur bloulaser (λ = 450 nm) beligting in YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramiek tussen 50 en 300 K (Tc ~ 90 K). Ons toon aan dat die PV-effek direk verband hou met die supergeleiding van YBCO en die aard van die YBCO-metaalelektrode-koppelvlak. Daar is 'n polariteitsomkering vir die oopkringspanning Voc en kortsluitstroom Isc wanneer YBCO 'n oorgang van supergeleidende fase na 'n weerstandstoestand ondergaan. Daar word voorgestel dat daar 'n elektriese potensiaal oor die supergeleier-normale metaal-koppelvlak bestaan, wat die skeidingskrag vir die foto-geïnduseerde elektron-gat-pare verskaf. Hierdie koppelvlakpotensiaal rig van YBCO na die metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en skakel oor na die teenoorgestelde rigting wanneer die monster nie-supergeleidend word. Die oorsprong van die potensiaal kan natuurlik geassosieer word met die nabyheidseffek14,15,16,17 by die metaal-supergeleier-koppelvlak wanneer YBCO supergeleidend is en die waarde daarvan word geskat op ~10−8 mV teen 50 K met 'n laserintensiteit van 502 mW/cm2. Die kombinasie van 'n p-tipe materiaal YBCO in normale toestand met 'n n-tipe materiaal Ag-pasta vorm heel waarskynlik 'n kwasi-pn-aansluiting wat verantwoordelik is vir die PV-gedrag van YBCO-keramiek by hoë temperature. Ons waarnemings werp verdere lig op die oorsprong van die PV-effek in hoëtemperatuur supergeleidende YBCO-keramiek en baan die weg vir die toepassing daarvan in opto-elektroniese toestelle soos vinnige passiewe ligdetektors, ens.

Figuur 1a–c toon die IV-eienskappe van die YBCO-keramiekmonster by 50 K. Sonder ligbeligting bly die spanning oor die monster nul met veranderende stroom, soos verwag kan word van 'n supergeleidende materiaal. 'n Duidelike fotovoltaïese effek verskyn wanneer die laserstraal op die katode gerig word (Fig. 1a): die IV-krommes parallel met die I-as beweeg afwaarts met toenemende laserintensiteit. Dit is duidelik dat daar 'n negatiewe foto-geïnduseerde spanning is, selfs sonder enige stroom (dikwels oopbaanspanning Voc genoem). Die nulhelling van die IV-kromme dui aan dat die monster steeds supergeleidend is onder laserbeligting.

(a–c) en 300 K (e–g). Waardes van V(I) is verkry deur die stroom van −10 mA tot +10 mA in vakuum te beweeg. Slegs 'n deel van die eksperimentele data word ter wille van duidelikheid aangebied. a, Stroom-spanning eienskappe van YBCO gemeet met laservlek geposisioneer by die katode (i). Al die IV-krommes is horisontale reguit lyne wat aandui dat die monster steeds supergeleidend is met laserbestraling. Die kromme beweeg afwaarts met toenemende laserintensiteit, wat aandui dat daar 'n negatiewe potensiaal (Voc) tussen die twee spanningsleidings bestaan, selfs met nul stroom. Die IV-krommes bly onveranderd wanneer die laser op die middelpunt van die monster gerig word teen tussen 50 K (b) en 300 K (f). Die horisontale lyn beweeg op soos die anode verlig word (c). 'n Skematiese model van die metaal-supergeleier-aansluiting by 50 K word in d getoon. Stroom-spanning eienskappe van die normale toestand YBCO teen 300 K gemeet met 'n laserstraal gerig op die katode en anode word onderskeidelik in e en g gegee. In teenstelling met die resultate by 50 K, dui die nie-nul helling van die reguit lyne daarop dat YBCO in 'n normale toestand is; die waardes van Voc wissel met ligintensiteit in 'n teenoorgestelde rigting, wat 'n ander ladingskeidingsmeganisme aandui. 'n Moontlike koppelvlakstruktuur by 300 K word in hj uitgebeeld. Die werklike prentjie van die monster met lood.

Suurstofryke YBCO in supergeleidende toestand kan byna die volle spektrum sonlig absorbeer as gevolg van sy baie klein energiegaping (Eg)9,10, waardeur elektron-gat pare (e-h) geskep word. Om 'n oopkringspanning Voc te produseer deur die absorpsie van fotone, is dit nodig om foto-gegenereerde eh-pare ruimtelik te skei voordat rekombinasie plaasvind18. Die negatiewe Voc, relatief tot die katode en anode soos aangedui in Fig. 1i, dui daarop dat daar 'n elektriese potensiaal oor die metaal-supergeleier-koppelvlak bestaan, wat die elektrone na die anode en gate na die katode vee. Indien dit die geval is, moet daar ook 'n potensiaal wees wat van supergeleier na die metaalelektrode by die anode wys. Gevolglik sal 'n positiewe Voc verkry word as die monsterarea naby die anode verlig word. Verder moet daar geen foto-geïnduseerde spannings wees wanneer die laservlek na areas ver van die elektrodes gerig word nie. Dit is beslis die geval soos gesien kan word in Fig. 1b,c!.

Wanneer die ligvlek van die katode-elektrode na die middel van die monster beweeg (ongeveer 1.25 mm van die koppelvlakke af), kan geen variasie van IV-krommes en geen Voc waargeneem word met toenemende laserintensiteit tot die maksimum beskikbare waarde nie (Fig. 1b). Natuurlik kan hierdie resultaat toegeskryf word aan die beperkte leeftyd van foto-geïnduseerde draers en die gebrek aan skeidingskrag in die monster. Elektron-gat-pare kan geskep word wanneer die monster verlig word, maar die meeste van die e-h-pare sal vernietig word en geen fotovoltaïese effek word waargeneem as die laservlek op areas ver van enige van die elektrodes val nie. Deur die laservlek na die anode-elektrodes te beweeg, beweeg die IV-krommes parallel met die I-as opwaarts met toenemende laserintensiteit (Fig. 1c). 'n Soortgelyke ingeboude elektriese veld bestaan ​​in die metaal-supergeleier-aansluiting by die anode. Die metaalelektrode verbind egter hierdie keer met die positiewe leiding van die toetsstelsel. Die gate wat deur die laser geproduseer word, word na die anode-leiding gedruk en dus word 'n positiewe Voc waargeneem. Die resultate wat hier aangebied word, lewer sterk bewyse dat daar inderdaad 'n koppelvlakpotensiaal bestaan ​​wat vanaf die supergeleier na die metaalelektrode wys.

Die fotovoltaïese effek in YBa2Cu3O6.96-keramiek teen 300 K word in Fig. 1e–g getoon. Sonder ligbeligting is die IV-kromme van die monster 'n reguit lyn wat die oorsprong kruis. Hierdie reguit lyn beweeg opwaarts parallel met die oorspronklike een met toenemende laserintensiteit wat by die katodeleidings bestraal (Fig. 1e). Daar is twee beperkende gevalle van belang vir 'n fotovoltaïese toestel. Die kortsluittoestand vind plaas wanneer V = 0. Die stroom word in hierdie geval die kortsluitstroom (Isc) genoem. Die tweede beperkende geval is die oopsluittoestand (Voc) wat voorkom wanneer R→∞ of die stroom nul is. Figuur 1e toon duidelik dat Voc positief is en toeneem met toenemende ligintensiteit, in teenstelling met die resultaat wat by 50 K verkry is; terwyl 'n negatiewe Isc waargeneem word om in grootte toe te neem met ligbeligting, 'n tipiese gedrag van normale sonselle.

Net so, wanneer die laserstraal na areas ver van die elektrodes gerig word, is die V(I)-kromme onafhanklik van die laserintensiteit en verskyn daar geen fotovoltaïese effek nie (Fig. 1f). Soortgelyk aan die meting by 50 K, beweeg die IV-krommes in die teenoorgestelde rigting soos die anode-elektrode bestraal word (Fig. 1g). Al hierdie resultate wat verkry is vir hierdie YBCO-Ag-pastastelsel by 300 K met laser bestraal op verskillende posisies van die monster, stem ooreen met 'n koppelvlakpotensiaal teenoor dié wat by 50 K waargeneem word.

Die meeste elektrone kondenseer in Cooper-pare in supergeleidende YBCO onder sy oorgangstemperatuur Tc. Terwyl hulle in die metaalelektrode is, bly al die elektrone in enkelvoudige vorm. Daar is 'n groot digtheidsgradiënt vir beide enkelvoudige elektrone en Cooper-pare in die omgewing van die metaal-supergeleier-koppelvlak. Meerderheidsdraer-enkelvoudige elektrone in metaalmateriaal sal in die supergeleiergebied diffundeer, terwyl meerderheidsdraer-Cooper-pare in die YBCO-gebied in die metaalgebied sal diffundeer. Aangesien Cooper-pare wat meer ladings dra en 'n groter mobiliteit as enkelvoudige elektrone het, van YBCO in die metaalgebied diffundeer, word positief gelaaide atome agtergelaat, wat 'n elektriese veld in die ruimteladingsgebied tot gevolg het. Die rigting van hierdie elektriese veld word in die skematiese diagram Fig. 1d getoon. Invallende fotonbeligting naby die ruimteladingsgebied kan eh-pare skep wat geskei en uitgevee sal word, wat 'n fotostroom in die omgekeerde-voorspanningsrigting produseer. Sodra die elektrone uit die ingeboude elektriese veld kom, word hulle in pare gekondenseer en vloei na die ander elektrode sonder weerstand. In hierdie geval is die Voc teenoor die voorafbepaalde polariteit en vertoon 'n negatiewe waarde wanneer die laserstraal na die area rondom die negatiewe elektrode wys. Uit die waarde van Voc kan die potensiaal oor die koppelvlak geskat word: die afstand tussen die twee spanningsleidings d is ~5 × 10−3 m, die dikte van die metaal-supergeleier-koppelvlak, di, moet dieselfde ordegrootte wees as die koherensielengte van die YBCO-supergeleier (~1 nm)19,20, neem die waarde van Voc = 0.03 mV, die potensiaal Vms by die metaal-supergeleier-koppelvlak word geëvalueer as ~10−11 V teen 50 K met 'n laserintensiteit van 502 mW/cm2, met behulp van vergelyking,

Ons wil hier beklemtoon dat die foto-geïnduseerde spanning nie deur die fototermiese effek verklaar kan word nie. Dit is eksperimenteel vasgestel dat die Seebeck-koëffisiënt van supergeleier YBCO Ss = 021 is. Die Seebeck-koëffisiënt vir koperdrade is in die reeks van SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Die temperatuur van die koperdraad by die laserpunt kan met 'n klein hoeveelheid van 0.06 K verhoog word met die maksimum laserintensiteit beskikbaar by 50 K. Dit kan 'n termo-elektriese potensiaal van 6.9 × 10−8 V lewer, wat drie ordesgrootte kleiner is as die Voc wat in Fig. 1 (a) verkry is. Dit is duidelik dat die termo-elektriese effek te klein is om die eksperimentele resultate te verduidelik. Trouens, die temperatuurvariasie as gevolg van laserbestraling sal in minder as een minuut verdwyn, sodat die bydrae van die termiese effek veilig geïgnoreer kan word.

Hierdie fotovoltaïese effek van YBCO by kamertemperatuur toon dat 'n ander ladingskeidingsmeganisme hier betrokke is. Supergeleidende YBCO in normale toestand is 'n p-tipe materiaal met gate as ladingdraer22,23, terwyl metaalagtige Ag-pasta eienskappe van 'n n-tipe materiaal het. Soortgelyk aan pn-voegsels, sal die diffusie van elektrone in die silwerpasta en gate in YBCO-keramiek 'n interne elektriese veld vorm wat na die YBCO-keramiek by die koppelvlak wys (Fig. 1h). Dit is hierdie interne veld wat die skeidingskrag verskaf en lei tot 'n positiewe Voc en negatiewe Isc vir die YBCO-Ag-pastastelsel by kamertemperatuur, soos getoon in Fig. 1e. Alternatiewelik kan Ag-YBCO 'n p-tipe Schottky-voegsel vorm wat ook lei tot 'n koppelvlakpotensiaal met dieselfde polariteit as in die model hierbo aangebied24.

Om die gedetailleerde evolusieproses van die fotovoltaïese eienskappe tydens die supergeleidende oorgang van YBCO te ondersoek, is IV-krommes van die monster by 80 K gemeet met geselekteerde laserintensiteite wat by die katode-elektrode verlig (Fig. 2). Sonder laserbestraling bly die spanning oor die monster op nul ongeag die stroom, wat die supergeleidende toestand van die monster by 80 K aandui (Fig. 2a). Soortgelyk aan die data wat by 50 K verkry is, beweeg IV-krommes parallel met die I-as afwaarts met toenemende laserintensiteit totdat 'n kritieke waarde Pc bereik word. Bo hierdie kritieke laserintensiteit (Pc) ondergaan die supergeleier 'n oorgang van 'n supergeleidende fase na 'n weerstandsfase; die spanning begin toeneem met stroom as gevolg van die verskyning van weerstand in die supergeleier. Gevolglik begin die IV-kromme die I-as en V-as sny, wat aanvanklik lei tot 'n negatiewe Voc en 'n positiewe Isc. Nou blyk die monster in 'n spesiale toestand te wees waarin die polariteit van Voc en Isc uiters sensitief is vir ligintensiteit; Met 'n baie klein toename in ligintensiteit word Isc van positief na negatief omgeskakel en Voc van negatiewe na positiewe waarde, wat die oorsprong verbysteek (die hoë sensitiwiteit van fotovoltaïese eienskappe, veral die waarde van Isc, vir ligbeligting kan duideliker in Fig. 2b gesien word). Teen die hoogste beskikbare laserintensiteit, is die IV-krommes bedoel om parallel met mekaar te wees, wat die normale toestand van die YBCO-monster aandui.

Die laservlekmiddelpunt is rondom die katode-elektrodes geposisioneer (sien Fig. 1i). a, IV-krommes van YBCO bestraal met verskillende laserintensiteite. b (bo), Laserintensiteitsafhanklikheid van oopkringspanning Voc en kortsluitstroom Isc. Die Isc-waardes kan nie by lae ligintensiteit (< 110 mW/cm2) verkry word nie, want die IV-krommes is parallel met die I-as wanneer die monster in supergeleidende toestand is. b (onder), differensiële weerstand as 'n funksie van laserintensiteit.

Die laserintensiteitsafhanklikheid van Voc en Isc teen 80 K word in Fig. 2b (bo) getoon. Die fotovoltaïese eienskappe kan in drie streke van ligintensiteit bespreek word. Die eerste gebied is tussen 0 en Pc, waarin YBCO supergeleidend is, Voc negatief is en afneem (absolute waarde neem toe) met ligintensiteit en 'n minimum bereik by Pc. Die tweede gebied is van Pc na 'n ander kritieke intensiteit P0, waarin Voc toeneem terwyl Isc afneem met toenemende ligintensiteit en beide nul bereik by P0. Die derde gebied is bo P0 totdat die normale toestand van YBCO bereik word. Alhoewel beide Voc en Isc op dieselfde manier as in gebied 2 met ligintensiteit wissel, het hulle teenoorgestelde polariteit bo die kritieke intensiteit P0. Die betekenis van P0 lê daarin dat daar geen fotovoltaïese effek is nie en die ladingskeidingsmeganisme kwalitatief verander op hierdie spesifieke punt. Die YBCO-monster word nie-supergeleidend in hierdie reeks van ligintensiteit, maar die normale toestand moet nog bereik word.

Dit is duidelik dat die fotovoltaïese eienskappe van die stelsel nou verwant is aan die supergeleiding van YBCO en die supergeleidende oorgang daarvan. Die differensiële weerstand, dV/dI, van YBCO word in Fig. 2b (onder) getoon as 'n funksie van laserintensiteit. Soos voorheen genoem, is die ingeboude elektriese potensiaal in die koppelvlak as gevolg van Cooper-paar-diffusiepunte van die supergeleier na metaal. Soortgelyk aan dié wat by 50 K waargeneem word, word die fotovoltaïese effek versterk met toenemende laserintensiteit van 0 tot Pc. Wanneer die laserintensiteit 'n waarde effens bo Pc bereik, begin die IV-kromme kantel en die weerstand van die monster begin verskyn, maar die polariteit van die koppelvlakpotensiaal is nog nie verander nie. Die effek van optiese opwekking op die supergeleiding is ondersoek in die sigbare of naby-IR-gebied. Terwyl die basiese proses is om die Cooper-pare op te breek en die supergeleiding te vernietig25,26, kan die supergeleidingsoorgang in sommige gevalle verbeter word27,28,29, en nuwe fases van supergeleiding kan selfs geïnduseer word30. Die afwesigheid van supergeleiding by Pc kan toegeskryf word aan die foto-geïnduseerde paarbreuk. By punt P0 word die potensiaal oor die koppelvlak nul, wat aandui dat die ladingsdigtheid aan beide kante van die koppelvlak dieselfde vlak bereik onder hierdie spesifieke intensiteit van ligbeligting. 'n Verdere toename in laserintensiteit lei daartoe dat meer Cooper-pare vernietig word en YBCO geleidelik teruggetransformeer word na 'n p-tipe materiaal. In plaas van elektron- en Cooper-paardiffusie, word die kenmerk van die koppelvlak nou bepaal deur elektron- en gatdiffusie wat lei tot 'n polariteitsomkering van die elektriese veld in die koppelvlak en gevolglik 'n positiewe Voc (vergelyk Fig. 1d, h). By baie hoë laserintensiteit versadig die differensiële weerstand van YBCO tot 'n waarde wat ooreenstem met die normale toestand en beide Voc en Isc is geneig om lineêr te varieer met laserintensiteit (Fig. 2b). Hierdie waarneming toon dat laserbestraling op normale toestand YBCO nie meer sy weerstand en die kenmerk van die supergeleier-metaal-koppelvlak sal verander nie, maar slegs die konsentrasie van die elektron-gat-pare sal verhoog.

Om die effek van temperatuur op die fotovoltaïese eienskappe te ondersoek, is die metaal-supergeleierstelsel by die katode bestraal met 'n blou laser met 'n intensiteit van 502 mW/cm2. IV-krommes wat by geselekteerde temperature tussen 50 en 300 K verkry is, word in Fig. 3a gegee. Die oopkringspanning Voc, kortsluitstroom Isc en die differensiële weerstand kan dan van hierdie IV-krommes verkry word en word in Fig. 3b getoon. Sonder ligbeligting verbygaan al die IV-krommes wat by verskillende temperature gemeet is, die oorsprong soos verwag (inset van Fig. 3a). Die IV-eienskappe verander drasties met toenemende temperatuur wanneer die stelsel deur 'n relatief sterk laserstraal (502 mW/cm2) verlig word. By lae temperature is die IV-krommes reguit lyne parallel met die I-as met negatiewe waardes van Voc. Hierdie kromme beweeg opwaarts met toenemende temperatuur en verander geleidelik in 'n lyn met 'n nie-nul helling by 'n kritieke temperatuur Tcp (Fig. 3a (bo)). Dit lyk asof al die IV-eienskapkrommes om 'n punt in die derde kwadrant roteer. Voc neem toe van 'n negatiewe waarde na 'n positiewe waarde terwyl Isc afneem van 'n positiewe na 'n negatiewe waarde. Bo die oorspronklike supergeleidende oorgangstemperatuur Tc van YBCO, verander die IV-kromme heel anders met temperatuur (onderkant van Fig. 3a). Eerstens beweeg die rotasiesentrum van die IV-krommes na die eerste kwadrant. Tweedens bly Voc afneem en Isc neem toe met toenemende temperatuur (bokant van Fig. 3b). Derdens neem die helling van die IV-krommes lineêr toe met temperatuur, wat lei tot 'n positiewe temperatuurkoëffisiënt van weerstand vir YBCO (onderkant van Fig. 3b).

Temperatuurafhanklikheid van fotovoltaïese eienskappe vir YBCO-Ag-pastastelsel onder 502 mW/cm2 laserbeligting.

Die laservlekmiddelpunt is rondom die katode-elektrodes geposisioneer (sien Fig. 1i). a, IV-krommes verkry van 50 tot 90 K (bo) en van 100 tot 300 K (onder) met 'n temperatuurverhoging van onderskeidelik 5 K en 20 K. Inset a toon IV-eienskappe by verskeie temperature in die donker. Al die krommes kruis die oorsprongpunt. b, oopkringspanning Voc en kortsluitstroom Isc (bo) en die differensiële weerstand, dV/dI, van YBCO (onder) as 'n funksie van temperatuur. Die nulweerstand supergeleidende oorgangstemperatuur Tcp word nie gegee nie omdat dit te naby aan Tc0 is.

Drie kritieke temperature kan uit Fig. 3b herken word: Tcp, waarbo YBCO nie-supergeleidend word; Tc0, waar beide Voc en Isc nul word en Tc, die oorspronklike aanvangs-supergeleidende oorgangstemperatuur van YBCO sonder laserbestraling. Onder Tcp ~ 55 K, is die laserbestraalde YBCO in 'n supergeleidende toestand met 'n relatief hoë konsentrasie Cooper-pare. Die effek van laserbestraling is om die nulweerstand-supergeleidende oorgangstemperatuur van 89 K tot ~55 K (onderkant van Fig. 3b) te verminder deur die Cooper-paarkonsentrasie te verminder, benewens die produksie van fotovoltaïese spanning en stroom. Toenemende temperatuur breek ook die Cooper-pare af, wat lei tot 'n laer potensiaal in die koppelvlak. Gevolglik sal die absolute waarde van Voc kleiner word, alhoewel dieselfde intensiteit van laserbeligting toegepas word. Die koppelvlakpotensiaal sal kleiner en kleiner word met verdere toename in temperatuur en bereik nul by Tc0. Daar is geen fotovoltaïese effek by hierdie spesiale punt nie, want daar is geen interne veld om die foto-geïnduseerde elektron-gat-pare te skei nie. 'n Polariteitsomkering van die potensiaal vind plaas bo hierdie kritieke temperatuur, aangesien die vrye ladingsdigtheid in Ag-pasta groter is as dié in YBCO, wat geleidelik terug oorgedra word na 'n p-tipe materiaal. Hier wil ons beklemtoon dat die polariteitsomkering van Voc en Isc onmiddellik na die nulweerstand-supergeleidende oorgang plaasvind, ongeag die oorsaak van die oorgang. Hierdie waarneming toon duidelik, vir die eerste keer, die korrelasie tussen supergeleiding en die fotovoltaïese effekte wat verband hou met die metaal-supergeleier-koppelvlakpotensiaal. Die aard van hierdie potensiaal oor die supergeleier-normale metaal-koppelvlak was die afgelope paar dekades 'n navorsingsfokus, maar daar is nog baie vrae wat wag om beantwoord te word. Meting van die fotovoltaïese effek kan 'n effektiewe metode wees om die besonderhede (soos die sterkte en polariteit, ens.) van hierdie belangrike potensiaal te ondersoek en dus lig te werp op die hoëtemperatuur-supergeleidende nabyheidseffek.

Verdere toename in temperatuur van Tc0 na Tc lei tot 'n kleiner konsentrasie Cooper-pare en 'n verbetering in die koppelvlakpotensiaal en gevolglik groter Voc. By Tc word die Cooper-paarkonsentrasie nul en die inboupotensiaal by die koppelvlak bereik 'n maksimum, wat lei tot maksimum Voc en minimum Isc. Die vinnige toename van Voc en Isc (absolute waarde) in hierdie temperatuurreeks stem ooreen met die supergeleidende oorgang wat verbreed word van ΔT ~ 3 K tot ~34 K deur laserbestraling van intensiteit 502 mW/cm2 (Fig. 3b). In die normale toestande bo Tc neem die oopbaanspanning Voc af met temperatuur (bo in Fig. 3b), soortgelyk aan die lineêre gedrag van Voc vir normale sonselle gebaseer op pn-voegpunte31,32,33. Alhoewel die veranderingstempo van Voc met temperatuur (−dVoc/dT), wat sterk afhang van laserintensiteit, baie kleiner is as dié van normale sonselle, het die temperatuurkoëffisiënt van Voc vir YBCO-Ag-voegpunt dieselfde ordegrootte as dié van die sonselle. Die lekstroom van 'n pn-voeg vir 'n normale sonseltoestel neem toe met toenemende temperatuur, wat lei tot 'n afname in Voc soos die temperatuur toeneem. Die lineêre IV-krommes wat vir hierdie Ag-supergeleierstelsel waargeneem word, as gevolg van eerstens die baie klein koppelvlakpotensiaal en tweedens die rug-aan-rug-verbinding van die twee heterovoegings, maak dit moeilik om die lekstroom te bepaal. Nietemin lyk dit baie waarskynlik dat dieselfde temperatuurafhanklikheid van lekstroom verantwoordelik is vir die Voc-gedrag wat in ons eksperiment waargeneem is. Volgens die definisie is Isc die stroom wat nodig is om 'n negatiewe spanning te produseer om Voc te kompenseer sodat die totale spanning nul is. Soos die temperatuur toeneem, word Voc kleiner sodat minder stroom nodig is om die negatiewe spanning te produseer. Verder neem die weerstand van YBCO lineêr toe met temperatuur bo Tc (onderkant van Fig. 3b), wat ook bydra tot die kleiner absolute waarde van Isc by hoë temperature.

Let daarop dat die resultate wat in Fig. 2 en 3 gegee word, verkry is deur laserbestraling op die area rondom katode-elektrodes. Metings is ook herhaal met 'n laservlek wat by die anode geposisioneer is, en soortgelyke IV-eienskappe en fotovoltaïese eienskappe is waargeneem, behalwe dat die polariteit van Voc en Isc in hierdie geval omgekeer is. Al hierdie data lei tot 'n meganisme vir die fotovoltaïese effek, wat nou verwant is aan die supergeleier-metaal-koppelvlak.

Opsommend is die IV-eienskappe van die laserbestraalde supergeleidende YBCO-Ag-pasta-stelsel gemeet as funksies van temperatuur en laserintensiteit. 'n Merkwaardige fotovoltaïese effek is waargeneem in die temperatuurreeks van 50 tot 300 K. Daar is gevind dat die fotovoltaïese eienskappe sterk korreleer met die supergeleiding van YBCO-keramiek. 'n Polariteitsomkering van Voc en Isc vind plaas onmiddellik na die foto-geïnduseerde supergeleidende na nie-supergeleidende oorgang. Die temperatuurafhanklikheid van Voc en Isc gemeet teen 'n vaste laserintensiteit toon ook 'n duidelike polariteitsomkering by 'n kritieke temperatuur bokant waar die monster weerstandbiedend word. Deur die laservlek na 'n ander deel van die monster te plaas, toon ons dat daar 'n elektriese potensiaal oor die koppelvlak bestaan, wat die skeidingskrag vir die foto-geïnduseerde elektron-gat-pare verskaf. Hierdie koppelvlakpotensiaal rig van YBCO na die metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en skakel oor na die teenoorgestelde rigting wanneer die monster nie-supergeleidend word. Die oorsprong van die potensiaal kan natuurlik geassosieer word met die nabyheidseffek by die metaal-supergeleier-koppelvlak wanneer YBCO supergeleidend is en word geskat op ~10−8 mV teen 50 K met 'n laserintensiteit van 502 mW/cm2. Kontak van 'n p-tipe materiaal YBCO in die normale toestand met 'n n-tipe materiaal Ag-pasta vorm 'n kwasi-pn-voegvlak wat verantwoordelik is vir die fotovoltaïese gedrag van YBCO-keramiek by hoë temperature. Bogenoemde waarnemings werp lig op die PV-effek in hoëtemperatuur supergeleidende YBCO-keramiek en baan die weg vir nuwe toepassings in opto-elektroniese toestelle soos vinnige passiewe ligdetektors en enkelfotondetektors.

Die fotovoltaïese effek-eksperimente is uitgevoer op 'n YBCO-keramiekmonster van 0.52 mm dikte en 8.64 × 2.26 mm2 reghoekige vorm en verlig deur 'n kontinue golf bloulaser (λ = 450 nm) met 'n laservlekgrootte van 1.25 mm in radius. Deur die gebruik van 'n bulk eerder as 'n dunfilmmonster kan ons die fotovoltaïese eienskappe van die supergeleier bestudeer sonder om die komplekse invloed van die substraat te hanteer6,7. Boonop kan die bulkmateriaal bevorderlik wees vir sy eenvoudige voorbereidingsprosedure en relatief lae koste. Die koperdrade word op die YBCO-monster met silwerpasta vasgeheg en vorm vier sirkelvormige elektrodes van ongeveer 1 mm in deursnee. Die afstand tussen die twee spanningselektrodes is ongeveer 5 mm. IV-eienskappe van die monster is gemeet met behulp van die vibrasiemonstermagnetometer (VersaLab, Quantum Design) met 'n kwartskristalvenster. Die standaard vierdraadmetode is gebruik om die IV-krommes te verkry. Die relatiewe posisies van die elektrodes en die laservlek word in Fig. 1i getoon.

Hoe om hierdie artikel aan te haal: Yang, F. et al. Oorsprong van fotovoltaïese effek in supergeleidende YBa2Cu3O6.96 keramiek. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Simmetrie-verbode laser-geïnduseerde spannings in YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oorsprong van die anomale fotovoltaïese sein in Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Meting van laser-geïnduseerde spannings van supergeleidende Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Oorgangslaser-geïnduseerde spannings in kamertemperatuurfilms van YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Anomale fotovoltaïese reaksie in YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogegenereerde gatdraerinspuiting aan YBa2Cu3O7−x in 'n oksied-heterostruktuur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Foto-emissiestudie van YBa2Cu3Oy dun films onder ligbeligting. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Fotovoltaïese effek van YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunksie uitgegloei in verskillende suurstof parsiële druk. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Twee-gapingstruktuur in Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkelkristalle. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kwasipartikel-ontspanningsdinamika in supergeleiers met verskillende gapingstrukture: Teorie en eksperimente op YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Regstellende eienskappe van die YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunksie. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Eksitoniese absorpsie en supergeleiding in YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Oorgangsfoto-geïnduseerde geleidingsvermoë in halfgeleidende enkelkristalle van YBa2Cu3O6.3: soektog na foto-geïnduseerde metaaltoestand en na foto-geïnduseerde supergeleiding. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Tonnelmodel van die supergeleidende nabyheidseffek. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Supergeleidende nabyheidseffek ondersoek op 'n mesoskopiese lengteskaal. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Nabyheidseffek met nie-sentrosimmetriese supergeleiers. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Sterk supergeleidende nabyheidseffek in Pb-Bi2Te3 hibriede strukture. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL 'n Nuwe silikon pn-voeging fotosel vir die omskakeling van sonstraling in elektriese krag. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Onsuiwerheidseffekte op die supergeleidende koherensielengte in Zn- of Ni-gedoteerde YBa2Cu3O6.9 enkelkristalle. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistensie van Ongetwinde YBa2Cu3Oy enkelkristalle in 'n wye reeks doping: anomale gat-doping afhanklikheid van die koherensielengte. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematiek in die termoëlektriese krag van hoë-Tg-oksiede. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Draerdigtheidsafhanklike momentumverskuiwing van die koherente piek en die LO-fononmodus in p-tipe hoë-Tc-supergeleiers. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Gatreduksie en elektronakkumulasie in YBa2Cu3Oy dun films met behulp van 'n elektrochemiese tegniek: Bewyse vir 'n n-tipe metaaltoestand. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Die fisika en chemie van die Schottky-versperringshoogte. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekte van Dinamiese Eksterne Paarbreking in Supergeleidende Films. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Foto-geïnduseerde versterking van supergeleiding. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Aanhoudende fotogeleiding in YBa2Cu3O6+x-films as 'n metode van fotodoping na metaal- en supergeleidende fases. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Nie-lineêre roosterdinamika as 'n basis vir verbeterde supergeleiding in YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Lig-geïnduseerde supergeleiding in 'n streepgeordende cupraat. Wetenskap 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Die temperatuurfunksionele afhanklikheid van VOS vir 'n sonsel in verhouding tot sy doeltreffendheid nuwe benadering. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Temperatuureffekte in Schottky-versperring silikon sonselle. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperatuurafhanklikheid vir die fotovoltaïese toestelparameters van polimeer-fullereen-sonselle onder bedryfstoestande. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Hierdie werk is ondersteun deur die Nasionale Natuurwetenskapstigting van China (Toekenningsnr. 60571063), die Fundamentele Navorsingsprojekte van die Henan-provinsie, China (Toekenningsnr. 122300410231).

FY het die teks van die artikel geskryf en MYH het die YBCO-keramiekmonster voorberei. FY en MYH het die eksperiment uitgevoer en die resultate geanaliseer. FGC het die projek en die wetenskaplike interpretasie van die data gelei. Alle outeurs het die manuskrip hersien.

Hierdie werk is gelisensieer onder 'n Creative Commons Attribution 4.0 Internasionale Lisensie. Die beelde of ander derdeparty-materiaal in hierdie artikel is ingesluit in die artikel se Creative Commons-lisensie, tensy anders aangedui in die kredietlyn; indien die materiaal nie onder die Creative Commons-lisensie ingesluit is nie, sal gebruikers toestemming van die lisensiehouer moet verkry om die materiaal te reproduseer. Om 'n kopie van hierdie lisensie te besigtig, besoek http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oorsprong van fotovoltaïese effek in supergeleidende YBa2Cu3O6.96 keramiek. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Deur 'n opmerking in te dien, stem jy in om ons Voorwaardes en Gemeenskapsriglyne na te kom. Indien jy iets beledigends vind of wat nie aan ons bepalings of riglyne voldoen nie, merk dit asseblief as onvanpas.