أصل التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBa₂Cu₃O₆.₉₆ فائق التوصيل

نشكرك على زيارة موقع nature.com. أنت تستخدم متصفحًا يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح أحدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، نعرض الموقع بدون أنماط CSS وجافا سكريبت.

نُبلغ عن تأثير كهروضوئي ملحوظ في سيراميك YBa2Cu3O6.96 (YBCO) بين 50 و300 كلفن، مُستحثّ بواسطة إضاءة ليزر أزرق، وهو تأثير يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالموصلية الفائقة لـ YBCO والسطح البيني بين YBCO والقطب المعدني. يحدث انعكاس في قطبية جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) عندما ينتقل YBCO من حالة الموصلية الفائقة إلى حالة المقاومة. نُبين وجود جهد كهربائي عبر السطح البيني بين الموصل الفائق والمعدن العادي، والذي يُوفر قوة الفصل لأزواج الإلكترون-فجوة المُستحثة ضوئيًا. يتجه هذا الجهد البيني من YBCO نحو القطب المعدني عندما يكون YBCO موصلًا فائقًا، وينعكس اتجاهه عندما يفقد YBCO خاصية الموصلية الفائقة. قد يُعزى أصل الجهد الكهربائي بسهولة إلى تأثير التقارب عند سطح التماس بين المعدن والموصل الفائق عندما يكون YBCO موصلاً فائقاً، ويُقدّر مقداره بحوالي 10⁻⁸ ملي فولت عند 50 كلفن بكثافة ليزر تبلغ 502 ملي واط/سم². يؤدي دمج مادة YBCO من النوع p في حالتها الطبيعية مع معجون الفضة من النوع n إلى تكوين وصلة شبه pn، وهي المسؤولة عن السلوك الكهروضوئي لسيراميك YBCO عند درجات الحرارة العالية. قد تُمهّد نتائجنا الطريق لتطبيقات جديدة للأجهزة الكهروضوئية وتُلقي مزيداً من الضوء على تأثير التقارب عند سطح التماس بين الموصل الفائق والمعدن.

تم الإبلاغ عن الجهد المُستحث ضوئيًا في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية في أوائل التسعينيات، وخضع لدراسات مكثفة منذ ذلك الحين، إلا أن طبيعته وآليته لا تزالان غير واضحتين^1,2,3,4,5. وتُدرس الأغشية الرقيقة من YBa₂Cu₃O₇δ (YBCO)^6,7,8 بشكل خاص في شكل خلايا كهروضوئية نظرًا لفجوة الطاقة القابلة للتعديل^{9,10,11,12,13}. ومع ذلك، تؤدي المقاومة العالية للركيزة دائمًا إلى انخفاض كفاءة تحويل الجهاز، وتحجب الخصائص الكهروضوئية الأساسية لـ YBCO₈. في هذه الدراسة، نُبلغ عن تأثير كهروضوئي ملحوظ مُستحث بواسطة إضاءة ليزر أزرق (λ = 450 نانومتر) في سيراميك YBa₂Cu₃O_6.96 (YBCO) بين 50 و300 كلفن (Tc ~ 90 كلفن). نُبين أن تأثير الجهد الضوئي يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالموصلية الفائقة لمركب YBCO وطبيعة سطح التماس بين YBCO والقطب المعدني. يحدث انعكاس في قطبية جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) عندما ينتقل YBCO من حالة الموصلية الفائقة إلى حالة المقاومة. يُقترح وجود جهد كهربائي عبر سطح التماس بين الموصل الفائق والمعدن العادي، مما يوفر قوة الفصل لأزواج الإلكترون-فجوة المُستحثة ضوئيًا. يتجه هذا الجهد من YBCO نحو القطب المعدني عندما يكون YBCO موصلًا فائقًا، وينعكس اتجاهه عندما يفقد المركب خاصية الموصلية الفائقة. قد يرتبط أصل هذا الجهد بشكل طبيعي بتأثير التقارب^{14،15،16،17} عند سطح التماس بين المعدن والموصل الفائق عندما يكون YBCO موصلًا فائقًا، وتُقدر قيمته بحوالي 10^-8 ملي فولت عند 50 كلفن بكثافة ليزر تبلغ 502 ملي واط/سم². يُرجّح أن يؤدي دمج مادة YBCO من النوع p في حالتها الطبيعية مع معجون الفضة من النوع n إلى تكوين وصلة شبه pn، وهي المسؤولة عن السلوك الكهروضوئي لسيراميك YBCO عند درجات الحرارة العالية. تُلقي ملاحظاتنا مزيدًا من الضوء على أصل التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBCO فائق التوصيل عند درجات الحرارة العالية، وتمهد الطريق لتطبيقه في الأجهزة الإلكترونية الضوئية، مثل كاشفات الضوء السلبية السريعة، وغيرها.

تُظهر الأشكال 1أ-ج خصائص التيار-الجهد لعينة سيراميك YBCO عند 50 كلفن. في غياب الإضاءة، يبقى الجهد عبر العينة صفرًا مع تغير التيار، كما هو متوقع من مادة فائقة التوصيل. يظهر تأثير كهروضوئي واضح عند توجيه شعاع الليزر نحو المهبط (الشكل 1أ): حيث تتحرك منحنيات التيار-الجهد الموازية لمحور التيار إلى الأسفل مع زيادة شدة الليزر. من الواضح وجود جهد ضوئي سالب حتى في غياب أي تيار (يُسمى غالبًا جهد الدائرة المفتوحة Voc). يشير ميل منحنى التيار-الجهد الصفري إلى أن العينة لا تزال فائقة التوصيل تحت إضاءة الليزر.

(أ-ج) و300 كلفن (هـ-ز). تم الحصول على قيم V(I) عن طريق مسح التيار من -10 مللي أمبير إلى +10 مللي أمبير في الفراغ. ولتوضيح البيانات، تم عرض جزء فقط من البيانات التجريبية. أ- خصائص التيار-الجهد لـ YBCO المقاسة ببقعة ليزر موضوعة عند المهبط (i). جميع منحنيات التيار-الجهد عبارة عن خطوط مستقيمة أفقية، مما يشير إلى أن العينة لا تزال فائقة التوصيل مع تشعيع الليزر. يتحرك المنحنى لأسفل مع زيادة شدة الليزر، مما يشير إلى وجود جهد سالب (Voc) بين قطبي الجهد حتى مع انعدام التيار. تبقى منحنيات التيار-الجهد دون تغيير عند توجيه الليزر إلى مركز العينة عند 50 كلفن (ب) أو 300 كلفن (و). يتحرك الخط الأفقي لأعلى عند إضاءة المصعد (ج). يوضح الشكل (د) نموذجًا تخطيطيًا لوصلة المعدن-الموصل الفائق عند 50 كلفن. تُظهر الأشكال (هـ) و(ز) خصائص التيار-الجهد لمركب YBCO في حالته الطبيعية عند درجة حرارة 300 كلفن، والمقاسة باستخدام شعاع ليزر موجه نحو المهبط والمصعد على التوالي. وعلى عكس النتائج عند 50 كلفن، يشير الميل غير الصفري للخطوط المستقيمة إلى أن YBCO في حالته الطبيعية؛ وتتغير قيم Voc مع شدة الضوء في اتجاه معاكس، مما يدل على آلية فصل شحنات مختلفة. ويُوضح الشكل (ح) بنية سطحية محتملة عند 300 كلفن. الصورة الحقيقية للعينة مع الموصلات.

يستطيع مركب YBCO الغني بالأكسجين، في حالته فائقة التوصيل، امتصاص طيف ضوء الشمس بالكامل تقريبًا نظرًا لفجوة الطاقة الصغيرة جدًا (Eg)^9,10، مما يُنتج أزواجًا من الإلكترونات والفجوات (e-h). ولتوليد جهد الدائرة المفتوحة Voc عن طريق امتصاص الفوتونات، من الضروري فصل أزواج الإلكترونات والفجوات المتولدة ضوئيًا مكانيًا قبل حدوث إعادة التركيب¹⁸. يشير جهد Voc السالب، بالنسبة للكاثود والأنود كما هو موضح في الشكل 1i، إلى وجود فرق جهد كهربائي عبر سطح التماس بين المعدن والموصل الفائق، والذي يدفع الإلكترونات نحو الأنود والفجوات نحو الكاثود. إذا كان هذا صحيحًا، فيجب أن يكون هناك أيضًا فرق جهد من الموصل الفائق إلى القطب المعدني عند الأنود. وبالتالي، سيتم الحصول على جهد Voc موجب إذا تم إضاءة منطقة العينة القريبة من الأنود. علاوة على ذلك، لا ينبغي أن يكون هناك أي جهد مُستحث ضوئيًا عند توجيه بقعة الليزر إلى مناطق بعيدة عن الأقطاب. وهذا ما يتضح من الشكلين 1b و1c.

عندما تنتقل بقعة الضوء من قطب الكاثود إلى مركز العينة (على بُعد 1.25 مم تقريبًا من الأسطح البينية)، لا يُلاحظ أي تغير في منحنيات التيار-الجهد، ولا يُلاحظ أي تغير في جهد الدائرة المفتوحة (Voc) مع زيادة شدة الليزر إلى أقصى قيمة متاحة (الشكل 1ب). يُعزى هذا، بطبيعة الحال، إلى قصر عمر حاملات الشحنة الضوئية المُستحثة، وانعدام قوة الفصل في العينة. يمكن تكوين أزواج الإلكترون-فجوة عند إضاءة العينة، ولكن معظم هذه الأزواج ستتلاشى، ولن يُلاحظ أي تأثير كهروضوئي إذا سقطت بقعة الليزر على مناطق بعيدة عن أي من الأقطاب. عند تحريك بقعة الليزر إلى قطب الأنود، تتحرك منحنيات التيار-الجهد الموازية للمحور I إلى الأعلى مع زيادة شدة الليزر (الشكل 1ج). يوجد مجال كهربائي داخلي مماثل في وصلة المعدن-الموصل الفائق عند الأنود. مع ذلك، يتصل القطب المعدني هذه المرة بالقطب الموجب لنظام الاختبار. تُدفع الفجوات الناتجة عن الليزر إلى قطب الأنود، وبالتالي يُلاحظ جهد دائرة مفتوحة موجب. تقدم النتائج المعروضة هنا دليلاً قوياً على وجود جهد بيني يشير من الموصل الفائق إلى القطب المعدني.

يوضح الشكل 1 (هـ - ز) التأثير الكهروضوئي في خزف YBa2Cu3O6.96 عند درجة حرارة 300 كلفن. في غياب الإضاءة، يكون منحنى التيار-الجهد للعينة خطًا مستقيمًا يمر بنقطة الأصل. يتحرك هذا الخط المستقيم لأعلى موازيًا للخط الأصلي مع زيادة شدة الليزر المُسلط على أطراف الكاثود (الشكل 1 هـ). توجد حالتان حديتان مهمتان للجهاز الكهروضوئي. حالة الدائرة القصيرة تحدث عندما يكون الجهد V = 0، ويُشار إلى التيار في هذه الحالة بتيار الدائرة القصيرة (Isc). أما الحالة الحدية الثانية فهي حالة الدائرة المفتوحة (Voc) التي تحدث عندما تكون المقاومة R→∞ أو عندما يكون التيار صفرًا. يُظهر الشكل 1 هـ بوضوح أن Voc موجب ويزداد مع زيادة شدة الضوء، على عكس النتيجة المُحصل عليها عند 50 كلفن؛ بينما يُلاحظ أن Isc سالب ويزداد في قيمته مع الإضاءة، وهو سلوك نموذجي للخلايا الشمسية العادية.

وبالمثل، عند توجيه شعاع الليزر إلى مناطق بعيدة عن الأقطاب الكهربائية، يكون منحنى الجهد-التيار (V(I)) مستقلاً عن شدة الليزر، ولا يظهر أي تأثير كهروضوئي (الشكل 1f). وكما هو الحال في القياس عند 50 كلفن، تتحرك منحنيات الجهد-التيار (IV) في الاتجاه المعاكس عند تشعيع قطب الأنود (الشكل 1g). تتوافق جميع هذه النتائج التي تم الحصول عليها لنظام معجون YBCO-Ag هذا عند 300 كلفن مع تشعيع الليزر في مواضع مختلفة من العينة مع جهد سطحي معاكس لذلك الملاحظ عند 50 كلفن.

تتكثف معظم الإلكترونات في أزواج كوبر في مادة YBCO فائقة التوصيل تحت درجة حرارة انتقالها Tc. بينما في القطب المعدني، تبقى جميع الإلكترونات منفردة. يوجد تدرج كبير في الكثافة لكل من الإلكترونات المنفردة وأزواج كوبر بالقرب من سطح التماس بين المعدن والموصل الفائق. تنتشر الإلكترونات المنفردة ذات الشحنة الأكبر في المادة المعدنية إلى منطقة الموصل الفائق، بينما تنتشر أزواج كوبر ذات الشحنة الأكبر في منطقة YBCO إلى المنطقة المعدنية. مع انتشار أزواج كوبر، التي تحمل شحنات أكبر وتتمتع بحركية أعلى من الإلكترونات المنفردة، من YBCO إلى المنطقة المعدنية، تتبقى ذرات موجبة الشحنة، مما يؤدي إلى نشوء مجال كهربائي في منطقة الشحنة الفضائية. يوضح الشكل التخطيطي 1د اتجاه هذا المجال الكهربائي. يمكن أن يؤدي سقوط فوتونات بالقرب من منطقة الشحنة الفضائية إلى تكوين أزواج الإلكترون-إلكترون التي ستنفصل وتُجرف للخارج، مما ينتج عنه تيار ضوئي في اتجاه الانحياز العكسي. بمجرد خروج الإلكترونات من المجال الكهربائي الداخلي، تتكثف في أزواج وتتدفق إلى القطب الآخر دون مقاومة. في هذه الحالة، يكون جهد الدائرة المفتوحة (Voc) معاكساً للقطبية المحددة مسبقاً، ويُظهر قيمة سالبة عندما يُوجه شعاع الليزر إلى المنطقة المحيطة بالقطب السالب. من قيمة Voc، يمكن تقدير الجهد عبر السطح البيني: المسافة بين طرفي قياس الجهد (d) تُقارب 5 × 10⁻³ متر، وسُمك سطح التلامس بين المعدن والموصل الفائق (di) يجب أن يكون من نفس رتبة طول التماسك للموصل الفائق YBCO (حوالي 1 نانومتر)¹⁹،²⁰. بافتراض أن قيمة Voc تساوي 0.03 ملي فولت، يُقدّر الجهد (Vms) عند سطح التلامس بين المعدن والموصل الفائق بحوالي 10⁻¹¹ فولت عند 50 كلفن بكثافة ليزر تبلغ 502 ملي واط/سم²، باستخدام المعادلة.

نود التأكيد هنا على أن الجهد الناتج عن الضوء لا يمكن تفسيره بالتأثير الحراري الضوئي. فقد ثبت تجريبياً أن معامل سيبك للموصل الفائق YBCO هو Ss = 0.21. ويتراوح معامل سيبك لأسلاك النحاس بين 0.34 و1.15 ميكروفولت/كلفن³. يمكن رفع درجة حرارة سلك النحاس عند بقعة الليزر بمقدار ضئيل قدره 0.06 كلفن عند بلوغ أقصى شدة لليزر 50 كلفن. وهذا من شأنه أن يُنتج جهدًا كهروحراريًا قدره 6.9 × 10⁻⁸ فولت، وهو أقل بثلاثة رتب مقدارية من Voc الموضح في الشكل 1 (أ). من الواضح أن التأثير الكهروحراري ضئيل جدًا بحيث لا يُفسر النتائج التجريبية. في الواقع، يختفي تغير درجة الحرارة الناتج عن إشعاع الليزر في أقل من دقيقة، لذا يمكن تجاهل مساهمة التأثير الحراري بأمان.

يكشف هذا التأثير الكهروضوئي لمركب YBCO عند درجة حرارة الغرفة عن آلية فصل شحنات مختلفة. يُعدّ YBCO فائق التوصيل في حالته الطبيعية مادة من النوع p، حيث تمثل الفجوات حاملات الشحنة^22،23، بينما يتميز معجون الفضة المعدني بخصائص مادة من النوع n. وكما هو الحال في وصلات pn، فإن انتشار الإلكترونات في معجون الفضة والفجوات في سيراميك YBCO يُشكّل مجالًا كهربائيًا داخليًا يتجه نحو سيراميك YBCO عند السطح البيني (الشكل 1ح). هذا المجال الداخلي هو الذي يُوفّر قوة الفصل، ويؤدي إلى جهد دائرة مفتوحة موجب (Voc) وتيار دائرة قصر سالب (Isc) لنظام YBCO-معجون الفضة عند درجة حرارة الغرفة، كما هو موضح في الشكل 1هـ. وبدلاً من ذلك، يُمكن أن يُشكّل Ag-YBCO وصلة شوتكي من النوع p، مما يؤدي أيضًا إلى جهد سطحي بنفس قطبية النموذج المذكور أعلاه²⁴.

لتحليل عملية تطور الخصائص الكهروضوئية أثناء انتقال YBCO إلى حالة الموصلية الفائقة، تم قياس منحنيات التيار-الجهد للعينة عند 80 كلفن باستخدام شدات ليزر مختارة لتسليطها على قطب الكاثود (الشكل 2). في غياب إشعاع الليزر، يبقى الجهد عبر العينة صفراً بغض النظر عن التيار، مما يشير إلى حالة الموصلية الفائقة للعينة عند 80 كلفن (الشكل 2أ). وكما هو الحال في البيانات المُحصلة عند 50 كلفن، تتحرك منحنيات التيار-الجهد الموازية للمحور I نزولاً مع زيادة شدة الليزر حتى الوصول إلى قيمة حرجة Pc. عند تجاوز هذه القيمة الحرجة (Pc)، ينتقل الموصل الفائق من طور الموصلية الفائقة إلى طور المقاومة؛ حيث يبدأ الجهد بالارتفاع مع التيار نتيجةً لظهور المقاومة في الموصل الفائق. ونتيجةً لذلك، يبدأ منحنى التيار-الجهد بالتقاطع مع المحورين I وV، مما يؤدي في البداية إلى قيمة سالبة لـ Voc وقيمة موجبة لـ Isc. يبدو أن العينة الآن في حالة خاصة حيث تتأثر قطبية كل من جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) بشدة شدة الضوء؛ فمع زيادة طفيفة جدًا في شدة الضوء، يتحول تيار الدائرة القصيرة من موجب إلى سالب، وجهد الدائرة المفتوحة من سالب إلى موجب، متجاوزًا نقطة الأصل (يمكن ملاحظة الحساسية العالية للخصائص الكهروضوئية، وخاصة قيمة تيار الدائرة القصيرة، للإضاءة بشكل أوضح في الشكل 2ب). عند أعلى شدة ليزر متاحة، تتجه منحنيات التيار-الجهد إلى أن تكون متوازية، مما يدل على الحالة الطبيعية لعينة YBCO.

يقع مركز بقعة الليزر حول أقطاب الكاثود (انظر الشكل 1i). أ- منحنيات التيار-الجهد لمركب YBCO المُشعَّع بكثافات ليزر مختلفة. ب (أعلى): اعتماد جهد الدائرة المفتوحة Voc وتيار الدائرة القصيرة Isc على شدة الليزر. لا يمكن الحصول على قيم Isc عند شدة إضاءة منخفضة (< 110 مللي واط/سم²) لأن منحنيات التيار-الجهد تكون موازية لمحور التيار عندما تكون العينة في حالة فائقة التوصيل. ب (أسفل): المقاومة التفاضلية كدالة لشدة الليزر.

يوضح الشكل 2ب (أعلى) اعتماد جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) على شدة الليزر عند درجة حرارة 80 كلفن. يمكن مناقشة الخصائص الكهروضوئية في ثلاث نطاقات لشدة الضوء. النطاق الأول يقع بين 0 و Pc، حيث يكون YBCO موصلاً فائقاً، ويكون جهد الدائرة المفتوحة سالباً ويتناقص (تزداد قيمته المطلقة) مع زيادة شدة الضوء، ليصل إلى أدنى قيمة له عند Pc. النطاق الثاني يمتد من Pc إلى شدة حرجة أخرى P0، حيث يزداد جهد الدائرة المفتوحة بينما يتناقص تيار الدائرة القصيرة مع زيادة شدة الضوء، ويصل كلاهما إلى الصفر عند P0. النطاق الثالث يقع فوق P0 حتى الوصول إلى الحالة الطبيعية لـ YBCO. على الرغم من أن كلاً من جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة يتغيران مع شدة الضوء بنفس طريقة النطاق الثاني، إلا أنهما يتعاكسان في القطبية فوق الشدة الحرجة P0. تكمن أهمية P0 في أنه لا يوجد تأثير كهروضوئي، وتتغير آلية فصل الشحنات نوعياً عند هذه النقطة تحديداً. تصبح عينة YBCO غير موصلة فائقة في هذا النطاق من شدة الضوء، ولكن لم يتم الوصول بعد إلى الحالة الطبيعية.

من الواضح أن الخصائص الكهروضوئية للنظام ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة لمركب YBCO وانتقاله إلى حالة الموصلية الفائقة. يوضح الشكل 2ب (أسفل) المقاومة التفاضلية، dV/dI، لمركب YBCO كدالة لشدة الليزر. وكما ذُكر سابقًا، فإن الجهد الكهربائي الداخلي في السطح البيني ناتج عن نقاط انتشار أزواج كوبر من الموصل الفائق إلى المعدن. ومثلما لوحظ عند 50 كلفن، يتعزز التأثير الكهروضوئي مع زيادة شدة الليزر من 0 إلى Pc. عندما تصل شدة الليزر إلى قيمة أعلى بقليل من Pc، يبدأ منحنى التيار-الجهد بالانحناء وتبدأ مقاومة العينة بالظهور، لكن قطبية جهد السطح البيني لا تتغير بعد. وقد دُرست تأثيرات الإثارة الضوئية على الموصلية الفائقة في منطقة الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء القريبة. بينما تتمثل العملية الأساسية في تفكيك أزواج كوبر وتدمير الموصلية الفائقة^25،26، إلا أنه في بعض الحالات يمكن تعزيز انتقال الموصلية الفائقة^27،28،29، بل ويمكن حتى استحداث أطوار جديدة من الموصلية الفائقة³⁰. يُعزى غياب الموصلية الفائقة عند النقطة Pc إلى تفكيك الأزواج المُستحث ضوئيًا. عند النقطة P0، يصبح الجهد عبر السطح البيني صفرًا، مما يشير إلى أن كثافة الشحنة على جانبي السطح البيني تصل إلى نفس المستوى تحت شدة الإضاءة هذه. تؤدي الزيادة الإضافية في شدة الليزر إلى تدمير المزيد من أزواج كوبر، ويتحول YBCO تدريجيًا إلى مادة من النوع p. بدلًا من انتشار الإلكترونات وأزواج كوبر، تُحدد خصائص السطح البيني الآن بانتشار الإلكترونات والفجوات، مما يؤدي إلى انعكاس قطبية المجال الكهربائي في السطح البيني، وبالتالي جهد دائرة مفتوحة موجب (انظر الشكل 1 د، ح). عند شدة ليزر عالية جدًا، تصل المقاومة التفاضلية لـ YBCO إلى قيمة تُطابق الحالة الطبيعية، ويميل كل من Voc و Isc إلى التغير خطيًا مع شدة الليزر (الشكل 2ب). تُشير هذه الملاحظة إلى أن تشعيع YBCO في حالته الطبيعية بالليزر لن يُغير مقاومته أو خصائص سطح التماس بين الموصل الفائق والمعدن، بل سيزيد فقط من تركيز أزواج الإلكترون-فجوة.

لدراسة تأثير درجة الحرارة على خصائص الخلايا الكهروضوئية، تم تشعيع نظام المعدن-الموصل الفائق عند المهبط بليزر أزرق بكثافة 502 ميلي واط/سم². يوضح الشكل 3أ منحنيات التيار-الجهد (IV) المُقاسة عند درجات حرارة مختارة تتراوح بين 50 و300 كلفن. ويمكن استخلاص جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) والمقاومة التفاضلية من هذه المنحنيات، كما هو موضح في الشكل 3ب. في غياب الإضاءة، تمر جميع منحنيات التيار-الجهد المقاسة عند درجات حرارة مختلفة بنقطة الأصل كما هو متوقع (الشكل الفرعي في الشكل 3أ). تتغير خصائص التيار-الجهد بشكل جذري مع ارتفاع درجة الحرارة عند إضاءة النظام بشعاع ليزر قوي نسبيًا (502 ميلي واط/سم²). عند درجات الحرارة المنخفضة، تكون منحنيات التيار-الجهد عبارة عن خطوط مستقيمة موازية لمحور التيار (I) بقيم سالبة لجهد الدائرة المفتوحة (Voc). يتحرك هذا المنحنى للأعلى مع ارتفاع درجة الحرارة، ويتحول تدريجيًا إلى خط ذي ميل غير صفري عند درجة حرارة حرجة (Tcp) (الشكل 3أ (أعلى)). يبدو أن جميع منحنيات خصائص التيار-الجهد تدور حول نقطة في الربع الثالث. يزداد جهد الدائرة المفتوحة (Voc) من قيمة سالبة إلى قيمة موجبة، بينما ينخفض ​​تيار الدائرة القصيرة (Isc) من قيمة موجبة إلى قيمة سالبة. فوق درجة حرارة الانتقال الفائق التوصيل الأصلية (Tc) لمركب YBCO، يتغير منحنى التيار-الجهد بشكل مختلف تمامًا مع درجة الحرارة (أسفل الشكل 3أ). أولًا، ينتقل مركز دوران منحنيات التيار-الجهد إلى الربع الأول. ثانيًا، يستمر جهد الدائرة المفتوحة في الانخفاض، بينما يزداد تيار الدائرة القصيرة مع ارتفاع درجة الحرارة (أعلى الشكل 3ب). ثالثًا، يزداد ميل منحنيات التيار-الجهد خطيًا مع درجة الحرارة، مما ينتج عنه معامل مقاومة حراري موجب لمركب YBCO (أسفل الشكل 3ب).

تأثير درجة الحرارة على خصائص الخلايا الكهروضوئية لنظام معجون YBCO-Ag تحت إضاءة ليزرية بقوة 502 ميغاواط/سم2.

يقع مركز بقعة الليزر حول أقطاب الكاثود (انظر الشكل 1i). أ، منحنيات التيار-الجهد المُقاسة من 50 إلى 90 كلفن (أعلى) ومن 100 إلى 300 كلفن (أسفل) بزيادة قدرها 5 كلفن و20 كلفن على التوالي. يُظهر الشكل المُدرج (أ) خصائص التيار-الجهد عند درجات حرارة مختلفة في الظلام. جميع المنحنيات تتقاطع مع نقطة الأصل. ب، جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) (أعلى) والمقاومة التفاضلية (dV/dI) لمركب YBCO (أسفل) كدالة لدرجة الحرارة. لم تُذكر درجة حرارة الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة عند مقاومة صفرية (Tcp) لأنها قريبة جدًا من Tc0.

يمكن تحديد ثلاث درجات حرارة حرجة من الشكل 3ب: Tcp، التي يصبح عندها YBCO غير موصل فائق؛ وTc0، التي يصبح عندها كل من Voc وIsc صفرًا؛ وTc، وهي درجة حرارة بدء الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة لـ YBCO بدون تشعيع ليزري. عند درجة حرارة أقل من Tcp (حوالي 55 كلفن)، يكون YBCO المُشعَّع بالليزر في حالة موصلية فائقة مع تركيز عالٍ نسبيًا لأزواج كوبر. يتمثل تأثير التشعيع الليزري في خفض درجة حرارة الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة عند مقاومة صفرية من 89 كلفن إلى حوالي 55 كلفن (أسفل الشكل 3ب) عن طريق تقليل تركيز أزواج كوبر، بالإضافة إلى توليد جهد وتيار كهروضوئيين. كما يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تفكك أزواج كوبر، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد عند السطح البيني. وبالتالي، ستصبح القيمة المطلقة لـ Voc أصغر، على الرغم من تطبيق نفس شدة إضاءة الليزر. وسيصبح جهد السطح البيني أصغر فأصغر مع زيادة درجة الحرارة، ويصل إلى الصفر عند Tc0. لا يحدث تأثير كهروضوئي عند هذه النقطة تحديدًا لعدم وجود مجال داخلي يفصل أزواج الإلكترون-فجوة المُستحثة ضوئيًا. ويحدث انعكاس قطبية الجهد فوق هذه الدرجة الحرجة، حيث تكون كثافة الشحنة الحرة في معجون الفضة أكبر من كثافتها في YBCO، والتي تنتقل تدريجيًا عائدةً إلى مادة من النوع p. نود هنا التأكيد على أن انعكاس قطبية Voc وIsc يحدث مباشرةً بعد الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة ذات المقاومة الصفرية، بغض النظر عن سبب هذا الانتقال. تكشف هذه الملاحظة بوضوح، ولأول مرة، عن العلاقة بين الموصلية الفائقة والتأثيرات الكهروضوئية المرتبطة بجهد سطح التماس بين المعدن والموصل الفائق. وقد شكّلت طبيعة هذا الجهد عبر سطح التماس بين الموصل الفائق والمعدن العادي محورًا للبحث على مدى العقود الماضية، إلا أن هناك العديد من التساؤلات التي لا تزال بحاجة إلى إجابة. قد يُثبت قياس التأثير الكهروضوئي فعاليته في استكشاف تفاصيل هذا الجهد المهم (مثل قوته وقطبيته، إلخ)، وبالتالي تسليط الضوء على تأثير التقارب في الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية.

تؤدي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة من Tc0 إلى Tc إلى انخفاض تركيز أزواج كوبر وزيادة جهد السطح البيني، وبالتالي زيادة جهد الدائرة المفتوحة (Voc). عند Tc، يصبح تركيز أزواج كوبر صفرًا، ويصل الجهد الداخلي عند السطح البيني إلى أقصى قيمة له، مما ينتج عنه أعلى قيمة لجهد الدائرة المفتوحة (Voc) وأدنى قيمة لتيار الدائرة القصيرة (Isc). تتوافق الزيادة السريعة في Voc وIsc (القيمة المطلقة) في هذا النطاق الحراري مع الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة، والذي يتسع من ΔT ~ 3 كلفن إلى ~34 كلفن بفعل تشعيع الليزر بكثافة 502 ميلي واط/سم² (الشكل 3ب). في الحالات العادية فوق Tc، ينخفض ​​جهد الدائرة المفتوحة (Voc) مع ارتفاع درجة الحرارة (أعلى الشكل 3ب)، على غرار السلوك الخطي لـ Voc في الخلايا الشمسية العادية القائمة على وصلات pn. على الرغم من أن معدل تغير جهد الدائرة المفتوحة (Voc) مع درجة الحرارة (−dVoc/dT)، والذي يعتمد بشدة على شدة الليزر، أصغر بكثير من مثيله في الخلايا الشمسية العادية، فإن معامل درجة حرارة Voc لوصلة YBCO-Ag له نفس رتبة مقدار معامل درجة حرارة Voc في الخلايا الشمسية العادية. يزداد تيار التسريب في وصلة pn للخلايا الشمسية العادية مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض Voc مع ارتفاع درجة الحرارة. تُصعّب منحنيات التيار-الجهد الخطية الملاحظة في نظام الموصل الفائق Ag هذا، والناتجة أولًا عن صغر جهد السطح البيني، وثانيًا عن التوصيل المباشر بين الوصلتين غير المتجانستين، تحديد تيار التسريب. ومع ذلك، يبدو من المرجح جدًا أن يكون اعتماد تيار التسريب على درجة الحرارة هو المسؤول عن سلوك Voc الملاحظ في تجربتنا. وفقًا للتعريف، فإن تيار الدائرة القصيرة (Isc) هو التيار اللازم لإنتاج جهد سالب لتعويض Voc بحيث يكون الجهد الكلي صفرًا. مع ارتفاع درجة الحرارة، يقل Voc، وبالتالي يقل التيار اللازم لإنتاج الجهد السالب. علاوة على ذلك، تزداد مقاومة YBCO خطيًا مع درجة الحرارة فوق Tc (أسفل الشكل 3ب)، مما يساهم أيضًا في انخفاض القيمة المطلقة لـ Isc عند درجات الحرارة العالية.

لاحظ أن النتائج الموضحة في الشكلين 2 و3 تم الحصول عليها بتسليط شعاع ليزر على المنطقة المحيطة بأقطاب الكاثود. وقد أُعيدت القياسات أيضًا بوضع بقعة الليزر عند المصعد، ولوحظت خصائص مماثلة للتيار والجهد وخصائص كهروضوئية، باستثناء أن قطبية جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة قد انعكست في هذه الحالة. تشير هذه البيانات مجتمعةً إلى آلية التأثير الكهروضوئي، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بسطح التماس بين الموصل الفائق والمعدن.

باختصار، تم قياس خصائص التيار-الجهد لنظام معجون YBCO-Ag فائق التوصيل المُشعّع بالليزر كدوال لدرجة الحرارة وشدة الليزر. لوحظ تأثير كهروضوئي ملحوظ في نطاق درجة الحرارة من 50 إلى 300 كلفن. ووجد أن الخصائص الكهروضوئية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بخاصية التوصيل الفائق لسيراميك YBCO. يحدث انعكاس قطبية كل من جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) مباشرةً بعد الانتقال الضوئي من حالة التوصيل الفائق إلى حالة عدم التوصيل الفائق. كما يُظهر اعتماد Voc وIsc على درجة الحرارة، عند قياس شدة ليزر ثابتة، انعكاسًا واضحًا للقطبية عند درجة حرارة حرجة يصبح عندها النموذج مقاومًا. من خلال توجيه بقعة الليزر إلى أجزاء مختلفة من النموذج، تبين وجود جهد كهربائي عبر السطح البيني، يوفر قوة الفصل لأزواج الإلكترون-فجوة المُستحثة ضوئيًا. يتجه هذا الجهد البيني من YBCO إلى القطب المعدني عندما يكون YBCO فائق التوصيل، وينعكس اتجاهه عندما يصبح النموذج غير فائق التوصيل. قد يكون أصل الجهد مرتبطًا بشكل طبيعي بتأثير التقارب عند سطح التماس بين المعدن والموصل الفائق عندما يكون YBCO موصلًا فائقًا، ويُقدّر بنحو 10⁻⁸ ملي فولت عند 50 كلفن بكثافة ليزر تبلغ 502 ملي واط/سم². يؤدي تلامس مادة YBCO من النوع p في حالتها الطبيعية مع معجون الفضة من النوع n إلى تكوين وصلة شبه pn، وهي المسؤولة عن السلوك الكهروضوئي لسيراميك YBCO عند درجات الحرارة العالية. تُلقي هذه الملاحظات الضوء على التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBCO الموصل الفائق عند درجات الحرارة العالية، وتمهد الطريق لتطبيقات جديدة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية، مثل كاشف الضوء السلبي السريع وكاشف الفوتون المفرد.

أُجريت تجارب التأثير الكهروضوئي على عينة سيراميكية من YBCO بسمك 0.52 مم وشكل مستطيل بأبعاد 8.64 × 2.26 مم²، مُضاءة بليزر أزرق ذي موجة مستمرة (λ = 450 نانومتر) بقطر بقعة ليزر 1.25 مم. يُمكّننا استخدام عينة صلبة بدلًا من غشاء رقيق من دراسة الخصائص الكهروضوئية للموصل الفائق دون الحاجة إلى التعامل مع التأثير المعقد للركيزة⁶،⁷. علاوة على ذلك، تُعدّ المادة الصلبة مناسبةً لسهولة تحضيرها وانخفاض تكلفتها نسبيًا. تم تثبيت أسلاك النحاس على عينة YBCO باستخدام معجون الفضة لتشكيل أربعة أقطاب دائرية قطرها حوالي 1 مم. تبلغ المسافة بين قطبي الجهد حوالي 5 مم. تم قياس خصائص التيار-الجهد للعينة باستخدام مقياس مغناطيسي اهتزازي (VersaLab، Quantum Design) مزود بنافذة من بلورة الكوارتز. استُخدمت طريقة الأسلاك الأربعة القياسية للحصول على منحنيات التيار-الجهد. يوضح الشكل 1i المواضع النسبية للأقطاب الكهربائية وبقعة الليزر.

كيفية الاستشهاد بهذه المقالة: يانغ، ف. وآخرون. أصل التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBa2Cu3O6.96 فائق التوصيل. تقارير علمية 5، 11504؛ doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR الفولتية المستحثة بالليزر المحظورة تناظريًا في YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY أصل الإشارة الكهروضوئية الشاذة في Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

وانغ، إل بي، لين، جي إل، فينغ، كيو آر ووانغ، جي دبليو قياس الفولتية المستحثة بالليزر في الموصل الفائق Bi-Sr-Ca-Cu-O. فيز. ريف. ب 46، 5773-5776 (1992).

تيت، كي إل، وآخرون. الفولتية العابرة المستحثة بالليزر في أغشية درجة حرارة الغرفة من YBa2Cu3O7-x. مجلة الفيزياء التطبيقية 67، 4375-4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP استجابة ضوئية شاذة في YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

موراكا، واي.، موراماتسو، تي.، ياماورا، جيه. وهيروي، زد. حقن حاملات الثقوب المتولدة ضوئيًا إلى YBa2Cu3O7−x في بنية غير متجانسة من الأكسيد. رسائل الفيزياء التطبيقية 85، 2950-2952 (2004).

أساكورا، د. وآخرون. دراسة الانبعاث الضوئي للأغشية الرقيقة YBa2Cu3Oy تحت إضاءة الضوء. Phys. Rev. Lett. 93، 247006 (2004).

يانغ، ف. وآخرون. التأثير الكهروضوئي للوصلة غير المتجانسة YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb المعالجة حرارياً في ضغوط جزئية مختلفة للأكسجين. رسائل المواد 130، 51-53 (2014).

أمينوف، ب.أ. وآخرون. بنية الفجوة المزدوجة في بلورات Yb(Y)Ba2Cu3O7-x الأحادية. مجلة الموصلية الفائقة 7، 361-365 (1994).

كابانوف، في في، ديمسار، ج، بودوبنيك، ب، وميهايلوفيتش، د. ديناميكيات استرخاء الجسيمات شبه الحقيقية في الموصلات الفائقة ذات هياكل الفجوة المختلفة: النظرية والتجارب على YBa2Cu3O7-δ. فيز. ريف. ب 59، 1497-1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG خصائص التقويم للوصلة غير المتجانسة YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

كاماراس، ك.، بورتر، سي دي، دوس، إم جي، هير، إس إل وتانر، دي بي. امتصاص الإكسيتون والموصلية الفائقة في YBa2Cu3O7-δ. فيز. ريف. ليت. 59، 919-922 (1987).

يو، جي.، هيجر، إيه جيه وستوكي، جي. الموصلية الضوئية العابرة في البلورات الأحادية شبه الموصلة من YBa2Cu3O6.3: البحث عن الحالة المعدنية المستحثة ضوئيًا وعن الموصلية الفائقة المستحثة ضوئيًا. اتصالات الحالة الصلبة 72، 345-349 (1989).

McMillan, WL نموذج النفق لتأثير التقارب فائق التوصيل. Phys. Rev. 175، 537-542 (1968).

Guéron, S. et al. Superconducting nearification effect on a mesoscopic length scale. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. تأثير التقارب مع الموصلات الفائقة غير المتناظرة مركزياً. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. تأثير التقارب الفائق التوصيل القوي في الهياكل الهجينة Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

تشابين، دي إم، فولر، سي إس وبيرسون، جي إل. خلية ضوئية جديدة من السيليكون ذات وصلة pn لتحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية. مجلة الفيزياء التطبيقية 25، 676-677 (1954).

توميموتو، ك. تأثيرات الشوائب على طول التماسك فائق التوصيل في بلورات YBa2Cu3O6.9 أحادية مطعّمة بالزنك أو النيكل. فيز. ريف. ب 60، 114-117 (1999).

أندو، واي. وسيغاوا، ك. المقاومة المغناطيسية للبلورات الأحادية غير المتوأمة من YBa2Cu3Oy في نطاق واسع من التطعيم: اعتماد طول التماسك بشكل شاذ على تطعيم الثقوب. مجلة Physical Review Letters، 88، 167005 (2002).

أوبيرتيلي، إس دي وكوبر، جيه آر. المنهجية في القدرة الكهروحرارية للأكاسيد ذات درجة الحرارة العالية. فيز. ريف. ب 46، 14928-14931، (1992).

Sugai, S. et al. Carrier-density-dependent momentum shift of the coherent peak and the LO phonon mode in p-type high-Tc superductors. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

نوجيما، تي. وآخرون. اختزال الثقوب وتراكم الإلكترونات في الأغشية الرقيقة من YBa2Cu3Oy باستخدام تقنية كهروكيميائية: دليل على حالة معدنية من النوع n. فيز. ريف. ب 84، 020502 (2011).

تونغ، آر تي. فيزياء وكيمياء ارتفاع حاجز شوتكي. رسائل الفيزياء التطبيقية 1، 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN تأثيرات كسر الأزواج الخارجية الديناميكية في الأغشية فائقة التوصيل. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. التحسين الضوئي للموصلية الفائقة. Appl. Phys. Lett. 60، 2159-2161 (1992).

كودينوف، في وآخرون. الموصلية الضوئية المستمرة في أغشية YBa2Cu3O6+x كطريقة للتطعيم الضوئي نحو الأطوار المعدنية والموصلة الفائقة. فيز. ريف. ب 14، 9017-9028 (1993).

مانكوفسكي، ر. وآخرون. ديناميكيات الشبكة غير الخطية كأساس لتعزيز الموصلية الفائقة في YBa2Cu3O6.5. الطبيعة 516، 71-74 (2014).

فاوستي، د. وآخرون. الموصلية الفائقة المستحثة بالضوء في الكوبرات المرتبة على شكل شرائط. ساينس 331، 189-191 (2011).

العدوي، م.ك. والنعيم، إ.أ. اعتماد درجة الحرارة الوظيفي للمركبات العضوية المتطايرة للخلايا الشمسية على كفاءتها: نهج جديد. تحلية المياه 209، 91-96 (2007).

فيرنون، إس إم وأندرسون، دبليو إيه. تأثيرات درجة الحرارة في الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون ذات حاجز شوتكي. رسائل الفيزياء التطبيقية 26، 707 (1975).

كاتز، إي إيه، فايمان، دي. وتولادار، إس إم. اعتماد معلمات الجهاز الكهروضوئي للخلايا الشمسية البوليمرية الفوليرينية على درجة الحرارة في ظل ظروف التشغيل. مجلة الفيزياء التطبيقية 90، 5343-5350 (2002).

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم المنحة 60571063)، ومشاريع البحوث الأساسية في مقاطعة خنان، الصين (رقم المنحة 122300410231).

كتب FY نص البحث، وقام MYH بتحضير عينة السيراميك YBCO. أجرى كل من FY وMYH التجربة وحللا النتائج. قاد FGC المشروع وقام بالتفسير العلمي للبيانات. راجع جميع المؤلفين المخطوطة.

هذا العمل مرخص بموجب رخصة المشاع الإبداعي نَسب المُصنَّف 4.0 الدولية. الصور أو أي مواد أخرى تابعة لأطراف ثالثة في هذه المقالة مشمولة برخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُذكر خلاف ذلك في بيانات حقوق الملكية؛ إذا لم تكن المادة مشمولة برخصة المشاع الإبداعي، فسيتعين على المستخدمين الحصول على إذن من صاحب الرخصة لإعادة إنتاج المادة. للاطلاع على نسخة من هذه الرخصة، تفضل بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

يانغ، ف.، هان، م.، وتشانغ، ف. أصل التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBa2Cu3O6.96 فائق التوصيل. تقارير علمية 5، 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

بإرسال تعليق، فإنك توافق على الالتزام بشروطنا وإرشادات مجتمعنا. إذا وجدت أي محتوى مسيء أو مخالف لشروطنا أو إرشاداتنا، يُرجى الإبلاغ عنه.