شكرًا لزيارتكم موقع nature.com. أنتم تستخدمون إصدار متصفح يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، ننصحكم باستخدام متصفح أحدث (أو إيقاف وضع التوافق في متصفح Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، نعرض الموقع بدون أنماط أو جافا سكريبت.
نُبلغ عن تأثير كهروضوئي ملحوظ في سيراميك YBa2Cu3O6.96 (YBCO) بين 50 و300 كلفن، مُستحثّ بواسطة إضاءة الليزر الأزرق، وهو تأثير يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالموصلية الفائقة لـ YBCO وواجهة القطب الكهربائي المعدني. يحدث انعكاس في قطبية جهد الدائرة المفتوحة Voc وتيار الدائرة القصيرة Isc عند انتقال YBCO من حالة التوصيل الفائق إلى حالة المقاومة. نُبيّن وجود جهد كهربائي عبر واجهة المعدن العمودي للموصل الفائق، مما يُوفر قوة الفصل لأزواج الإلكترونات والفجوات المُستحثة ضوئيًا. يتجه جهد الواجهة هذا من YBCO إلى القطب الكهربائي المعدني عندما يكون YBCO موصلًا فائقًا، ويتحول إلى الاتجاه المعاكس عندما يصبح YBCO غير موصل فائق. قد يرتبط أصل الجهد بسهولة بتأثير القرب عند واجهة المعدن-الموصل الفائق عندما يكون YBCO فائق التوصيل، وتُقدر قيمته بحوالي 10-8 مللي فولت عند درجة حرارة 50 كلفن، وبشدة ليزر تبلغ 502 مللي واط/سم². يُشكل مزيج مادة YBCO من النوع p في حالتها الطبيعية مع عجينة الفضة من النوع n وصلة شبه pn، وهي المسؤولة عن السلوك الكهروضوئي لسيراميك YBCO عند درجات الحرارة العالية. قد تُمهد نتائجنا الطريق لتطبيقات جديدة للأجهزة الفوتونية-الإلكترونية، وتُلقي مزيدًا من الضوء على تأثير القرب عند واجهة المعدن-الموصل الفائق.
أُبلغ عن الجهد المُستحث ضوئيًا في الموصلات الفائقة عالية الحرارة في أوائل تسعينيات القرن الماضي، وخضع لدراسات مكثفة منذ ذلك الحين، إلا أن طبيعته وآلياته لا تزالان غير مستقرتين1،2،3،4،5. تُدرس الأغشية الرقيقة YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6،7،8، بشكل مكثف في شكل خلية كهروضوئية (PV) نظرًا لفجوة طاقتها القابلة للتعديل9،10،11،12،13. ومع ذلك، فإن المقاومة العالية للركيزة تؤدي دائمًا إلى انخفاض كفاءة تحويل الجهاز، وتُخفي الخصائص الكهروضوئية الأساسية لـ YBCO8. نُبلغ هنا عن تأثير كهروضوئي ملحوظ ناتج عن إضاءة الليزر الأزرق (λ = 450 نانومتر) في سيراميك YBa2Cu3O6.96 (YBCO) في درجات حرارة تتراوح بين 50 و300 كلفن (درجة حرارة حرارتها ~ 90 كلفن). نُظهر أن تأثير الجهد الكهروضوئي يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالموصلية الفائقة لـ YBCO وطبيعة واجهة القطب الكهربائي المعدني. يحدث انعكاس في قطبية جهد الدائرة المفتوحة Voc وتيار الدائرة القصيرة Isc عندما ينتقل YBCO من طور الموصلية الفائقة إلى حالة المقاومة. يُقترح وجود جهد كهربائي عبر واجهة الموصل الفائق والمعدن العمودي، مما يُوفر قوة الفصل لأزواج الإلكترونات والفجوات المُستحثة ضوئيًا. يتجه جهد الواجهة هذا من YBCO إلى القطب الكهربائي المعدني عندما يكون YBCO موصلًا فائقًا، ويتحول إلى الاتجاه المعاكس عندما تصبح العينة غير موصلة فائقة. قد يكون أصل الجهد مرتبطًا بشكل طبيعي بتأثير القرب14،15،16،17 عند واجهة الموصل الفائق المعدني عندما يكون YBCO موصلًا فائقًا، وتُقدر قيمته بحوالي 10−8 مللي فولت عند درجة حرارة 50 كلفن مع شدة ليزر تبلغ 502 مللي واط/سم². يُرجَّح أن يُشكِّل مزيج مادة YBCO من النوع p في حالتها الطبيعية مع عجينة Ag من النوع n 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 عالي الحرارة، وتُمهِّد الطريق لتطبيقه في الأجهزة الإلكترونية البصرية، مثل كاشف الضوء السلبي السريع، وغيرها.
يوضح الشكل 1أ-ج خصائص الجهد الكهربي المتغير (IV) لعينة سيراميك YBCO عند درجة حرارة 50 كلفن. بدون إضاءة ضوئية، يبقى الجهد عبر العينة عند الصفر مع تغير التيار، كما هو متوقع من مادة فائقة التوصيل. يظهر تأثير كهروضوئي واضح عند توجيه شعاع الليزر نحو المهبط (الشكل 1أ): تتحرك منحنيات الجهد الكهربي المتغير (IV) الموازية للمحور I نحو الأسفل مع تزايد شدة الليزر. من الواضح وجود جهد سالب مستحث ضوئيًا حتى بدون أي تيار (يُسمى غالبًا جهد الدائرة المفتوحة Voc). يشير الميل الصفري لمنحنى الجهد الكهربي المتغير (IV) 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. يتم تقديم جزء فقط من البيانات التجريبية من أجل الوضوح. أ، خصائص التيار والجهد لـ YBCO المقاسة بنقطة ليزر موضوعة عند الكاثود (i). جميع منحنيات الجهد الكهربي هي خطوط مستقيمة أفقية تشير إلى أن العينة لا تزال فائقة التوصيل مع إشعاع الليزر. يتحرك المنحنى لأسفل مع زيادة شدة الليزر، مما يشير إلى وجود جهد سالب (Voc) بين طرفي الجهد حتى مع وجود تيار صفري. تظل منحنيات الجهد الكهربي دون تغيير عند توجيه الليزر إلى مركز العينة عند الأثير 50 كلفن (ب) أو 300 كلفن (و). يتحرك الخط الأفقي لأعلى مع إضاءة الأنود (ج). يظهر نموذج تخطيطي لوصلة المعدن-الموصل الفائق عند 50 كلفن في د. خصائص التيار والجهد لـ YBCO في الحالة العادية عند 300 كلفن، المقاسة بشعاع ليزر موجه إلى الكاثود والأنود، موضحة في الشكلين e وg على التوالي. على عكس النتائج عند 50 كلفن، يشير ميل الخطوط المستقيمة غير الصفري إلى أن YBCO في الحالة العادية؛ وتتغير قيم Voc مع شدة الضوء في الاتجاه المعاكس، مما يشير إلى آلية فصل شحنة مختلفة. يظهر هيكل واجهة محتمل عند 300 كلفن في الشكل hj. الصورة الحقيقية للعينة مع الأسلاك.
يستطيع YBCO الغني بالأكسجين في حالة التوصيل الفائق امتصاص كامل طيف ضوء الشمس تقريبًا بفضل فجوة طاقته الصغيرة جدًا (Eg)9،10، مما يُنتج أزواج إلكترون-فجوة (e-h). لإنتاج جهد دائرة مفتوحة Voc عن طريق امتصاص الفوتونات، من الضروري فصل أزواج eh المولدة ضوئيًا مكانيًا قبل حدوث إعادة التركيب18. يشير Voc السالب، بالنسبة للكاثود والأنود كما هو موضح في الشكل 1i، إلى وجود جهد كهربائي عبر واجهة المعدن-الموصل الفائق، والذي يدفع الإلكترونات إلى الأنود والثقوب إلى الكاثود. في هذه الحالة، يجب أن يكون هناك جهد أيضًا يشير من الموصل الفائق إلى القطب المعدني عند الأنود. وبالتالي، يمكن الحصول على Voc موجب إذا أُضيئت منطقة العينة بالقرب من الأنود. علاوة على ذلك، يجب ألا تكون هناك جهود مستحثة ضوئيًا عند توجيه بقعة الليزر إلى مناطق بعيدة عن الأقطاب. وهذا هو الحال بالتأكيد كما يتضح من الشكل 1b،c!.
عندما تتحرك بقعة الضوء من قطب الكاثود إلى مركز العينة (على بعد حوالي 1.25 مم من الواجهات)، لا يمكن ملاحظة أي تغير في منحنيات IV ولا Voc مع زيادة شدة الليزر إلى أقصى قيمة متاحة (الشكل 1ب). وبطبيعة الحال، يمكن أن تُعزى هذه النتيجة إلى العمر المحدود للناقلات المستحثة ضوئيًا ونقص قوة الفصل في العينة. يمكن إنشاء أزواج الإلكترونات والفجوات كلما أضاءت العينة، ولكن سيتم إفناء معظم أزواج e-h ولا يُلاحظ أي تأثير كهروضوئي إذا سقطت بقعة الليزر على مناطق بعيدة عن أي من الأقطاب الكهربائية. عند تحريك بقعة الليزر إلى أقطاب الأنود، تتحرك منحنيات IV الموازية للمحور I لأعلى مع زيادة شدة الليزر (الشكل 1ج). يوجد مجال كهربائي مدمج مماثل في تقاطع المعدن والموصل الفائق عند الأنود. ومع ذلك، يتصل القطب المعدني بالسلك الموجب لنظام الاختبار هذه المرة. تُدفع الثقوب الناتجة عن الليزر إلى سلك الأنود، وبالتالي يُلاحظ شحنة Voc موجبة. تُقدم النتائج المعروضة هنا دليلاً قوياً على وجود جهد واجهة يمتد من الموصل الفائق إلى القطب الكهربائي المعدني.
يظهر التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBa2Cu3O6.96 عند 300 كلفن في الشكل 1هـ-ز. بدون إضاءة ضوئية، يكون منحنى IV للعينة خطًا مستقيمًا يعبر نقطة الأصل. يتحرك هذا الخط المستقيم لأعلى موازيًا للخط الأصلي مع زيادة شدة الليزر المشع عند أطراف الكاثود (الشكل 1هـ). هناك حالتان حديتان مهمتان لجهاز كهروضوئي. تحدث حالة الدائرة القصيرة عندما يكون V = 0. يشار إلى التيار في هذه الحالة باسم تيار الدائرة القصيرة (Isc). الحالة الحدية الثانية هي حالة الدائرة المفتوحة (Voc) والتي تحدث عندما يكون R→∞ أو التيار صفرًا. يوضح الشكل 1هـ بوضوح أن Voc موجب ويزداد مع زيادة شدة الضوء، على عكس النتيجة التي تم الحصول عليها عند 50 كلفن؛ بينما لوحظ أن Isc السالب يزداد في المقدار مع إضاءة الضوء، وهو سلوك نموذجي للخلايا الشمسية العادية.
وبالمثل، عند توجيه شعاع الليزر نحو مناطق بعيدة عن الأقطاب الكهربائية، يكون منحنى الجهد الكهربي (V(I)) مستقلاً عن شدة الليزر، ولا يظهر أي تأثير كهروضوئي (الشكل 1و). وكما هو الحال في القياس عند درجة حرارة 50 كلفن، تتحرك منحنيات الجهد الكهربي (IV) في الاتجاه المعاكس عند تعريض قطب المصعد للإشعاع (الشكل 1ز). جميع هذه النتائج التي تم الحصول عليها لنظام معجون YBCO-Ag هذا عند درجة حرارة 300 كلفن مع تعريضه لليزر في مواضع مختلفة من العينة تتوافق مع جهد واجهة معاكس لما لوحظ عند درجة حرارة 50 كلفن.
تتكثف معظم الإلكترونات في أزواج كوبر في مادة YBCO فائقة التوصيل عند درجة حرارة انتقالها Tc. أثناء وجودها في القطب المعدني، تبقى جميع الإلكترونات في شكلها المفرد. يوجد تدرج كثافة كبير لكل من الإلكترونات المفردة وأزواج كوبر بالقرب من واجهة المعدن-الموصل الفائق. تنتشر الإلكترونات المفردة ذات حاملات الأغلبية في المواد المعدنية إلى منطقة الموصل الفائق، بينما تنتشر أزواج كوبر ذات حاملات الأغلبية في منطقة YBCO إلى المنطقة المعدنية. نظرًا لأن أزواج كوبر التي تحمل شحنات أكثر وتتمتع بحركة أكبر من الإلكترونات المفردة تنتشر من YBCO إلى المنطقة المعدنية، فإن الذرات الموجبة الشحنة تتخلف، مما ينتج عنه مجال كهربائي في منطقة الشحنة الفراغية. يظهر اتجاه هذا المجال الكهربائي في الرسم التخطيطي (الشكل 1د). يمكن أن يؤدي إشعاع الفوتون الساقط بالقرب من منطقة الشحنة الفراغية إلى إنشاء أزواج eh التي سيتم فصلها وإزاحتها، مما ينتج عنه تيار ضوئي في اتجاه الانحياز العكسي. بمجرد خروج الإلكترونات من المجال الكهربائي المدمج، تتكثف في أزواج وتتدفق إلى القطب الآخر دون مقاومة. في هذه الحالة، يكون الجهد Voc معاكسًا للقطبية المحددة مسبقًا، ويُظهر قيمة سالبة عندما يوجه شعاع الليزر إلى المنطقة المحيطة بالقطب السالب. من قيمة Voc، يمكن تقدير الجهد عبر الواجهة: المسافة بين طرفي الجهد d هي ~5 × 10−3 متر، ويجب أن يكون سمك واجهة المعدن-الموصل الفائق، di، مساويًا لطول تماسك موصل YBCO الفائق (~1 نانومتر)19،20. بافتراض أن قيمة Voc = 0.03 مللي فولت، يُقدر الجهد Vms عند واجهة المعدن-الموصل الفائق ليكون ~10−11 فولت عند درجة حرارة 50 كلفن وشدّة ليزر 502 مللي واط/سم²، باستخدام المعادلة التالية:
نود التأكيد هنا على أن الجهد المستحث ضوئيًا لا يمكن تفسيره بالتأثير الضوئي الحراري. وقد ثبت تجريبيًا أن معامل سيبك للموصل الفائق YBCO هو Ss = 021. ويقع معامل سيبك لأسلاك الرصاص النحاسية في نطاق SCu = 0.34–1.15 μV/K3. ويمكن رفع درجة حرارة السلك النحاسي عند نقطة الليزر بمقدار ضئيل قدره 0.06 كلفن مع توفر أقصى شدة ليزر عند 50 كلفن. ويمكن أن ينتج عن ذلك جهد حراري كهربائي قدره 6.9 × 10−8 فولت وهو أصغر بثلاث مرات من Voc التي تم الحصول عليها في الشكل 1 (أ). ومن الواضح أن التأثير الحراري الكهربائي صغير جدًا بحيث لا يفسر النتائج التجريبية. في الواقع، سيختفي التغير في درجة الحرارة الناتج عن إشعاع الليزر في أقل من دقيقة واحدة، لذا يمكن تجاهل مساهمة التأثير الحراري بأمان.
يكشف هذا التأثير الكهروضوئي لـ YBCO عند درجة حرارة الغرفة عن آلية فصل شحنة مختلفة. يُعد YBCO فائق التوصيل في الحالة العادية مادة من النوع p ذات ثقوب كحاملات شحنة22،23، بينما يتميز معجون الفضة المعدني بخصائص مادة من النوع n. وكما هو الحال في الوصلات pn، فإن انتشار الإلكترونات في معجون الفضة والثقوب في سيراميك YBCO سيشكل مجالًا كهربائيًا داخليًا موجهًا نحو سيراميك YBCO عند السطح البيني (الشكل 1ح). هذا المجال الداخلي هو الذي يوفر قوة الفصل ويؤدي إلى جهد Voc موجب وجهد Isc سالب لنظام معجون YBCO-Ag عند درجة حرارة الغرفة، كما هو موضح في الشكل 1هـ. كبديل، يمكن أن يشكل Ag-YBCO وصلة شوتكي من النوع p، والتي تؤدي أيضًا إلى جهد واجهة بنفس القطبية كما في النموذج الموضح أعلاه24.
لدراسة عملية التطور التفصيلية للخصائص الكهروضوئية أثناء انتقال YBCO إلى حالة التوصيل الفائق، تم قياس منحنيات IV للعينة عند 80 كلفن باستخدام شدة ليزر مختارة تضيء عند قطب الكاثود (الشكل 2). بدون تشعيع الليزر، يظل الجهد عبر العينة عند الصفر بغض النظر عن التيار، مما يشير إلى حالة التوصيل الفائق للعينة عند 80 كلفن (الشكل 2أ). وعلى غرار البيانات التي تم الحصول عليها عند 50 كلفن، تتحرك منحنيات IV الموازية للمحور I إلى أسفل مع زيادة شدة الليزر حتى يتم الوصول إلى القيمة الحرجة Pc. وفوق شدة الليزر الحرجة (Pc)، يخضع الموصل الفائق لانتقال من طور فائق التوصيل إلى طور مقاوم؛ يبدأ الجهد في الزيادة مع التيار بسبب ظهور المقاومة في الموصل الفائق. ونتيجة لذلك، يبدأ منحنى IV في التقاطع مع المحور I والمحور V مما يؤدي إلى Voc سالب وIsc موجب في البداية. يبدو الآن أن العينة في حالة خاصة، حيث تكون قطبية Voc وIsc حساسة للغاية لشدة الضوء؛ مع زيادة طفيفة جدًا في شدة الضوء، يتحول Isc من قيمة موجبة إلى سالبة، وVoc من قيمة سالبة إلى موجبة، مارًا بنقطة الأصل (يمكن رؤية الحساسية العالية لخصائص الخلايا الكهروضوئية، وخاصةً قيمة Isc، لإضاءة الضوء بشكل أوضح في الشكل 2ب). عند أعلى شدة ليزر متاحة، تكون منحنيات IV متوازية، مما يدل على الحالة الطبيعية لعينة YBCO.
يقع مركز بقعة الليزر حول أقطاب الكاثود (انظر الشكل 1i). أ، منحنيات التيار المتردد (IV) لـ YBCO المُشعَّعة بشدات ليزر مختلفة. ب (أعلى)، اعتماد شدة الليزر على جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc). لا يمكن الحصول على قيم التيار المتردد (Isc) عند شدة ضوء منخفضة (<110 ميلي واط/سم²) لأن منحنيات التيار المتردد (IV) تكون موازية لمحور I عندما تكون العينة في حالة فائقة التوصيل. ب (أسفل)، المقاومة التفاضلية كدالة لشدة الليزر.
يوضح الشكل 2ب (أعلى) اعتماد شدة الليزر على Voc و Isc عند 80 كلفن. يمكن مناقشة خصائص الخلايا الكهروضوئية في ثلاث مناطق من شدة الضوء. المنطقة الأولى تقع بين 0 و Pc، حيث يكون YBCO فائق التوصيل، و Voc سالبًا ويتناقص (تزداد القيمة المطلقة) مع شدة الضوء ويصل إلى أدنى قيمة له عند Pc. المنطقة الثانية هي من Pc إلى شدة حرجة أخرى P0، حيث تزداد Voc بينما تقل Isc مع زيادة شدة الضوء ويصل كلاهما إلى الصفر عند P0. المنطقة الثالثة أعلى من P0 حتى يتم الوصول إلى الحالة الطبيعية لـ YBCO. على الرغم من أن كلاً من Voc و Isc يتغيران مع شدة الضوء بنفس الطريقة كما في المنطقة 2، إلا أن لهما قطبية متعاكسة فوق الشدة الحرجة P0. تكمن أهمية P0 في عدم وجود تأثير كهروضوئي وتتغير آلية فصل الشحنة نوعيًا في هذه النقطة بالذات. تصبح عينة YBCO غير فائقة التوصيل في هذا النطاق من شدة الضوء ولكن لم يتم الوصول إلى الحالة الطبيعية بعد.
من الواضح أن الخصائص الكهروضوئية للنظام ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة لـ YBCO وانتقاله إلى الموصلية الفائقة. تظهر المقاومة التفاضلية، dV/dI، لـ YBCO في الشكل 2ب (أسفل) كدالة لشدة الليزر. وكما ذكرنا سابقًا، فإن الجهد الكهربائي المدمج في الواجهة بسبب نقاط انتشار زوج كوبر من الموصل الفائق إلى المعدن. وعلى غرار ما لوحظ عند 50 كلفن، يتعزز التأثير الكهروضوئي بزيادة شدة الليزر من 0 إلى Pc. عندما تصل شدة الليزر إلى قيمة أعلى قليلاً من Pc، يبدأ منحنى IV في الميل وتبدأ مقاومة العينة في الظهور، ولكن قطبية جهد الواجهة لا تتغير بعد. وقد تم التحقيق في تأثير الإثارة الضوئية على الموصلية الفائقة في المنطقة المرئية أو القريبة من الأشعة تحت الحمراء. في حين أن العملية الأساسية هي تفكيك أزواج كوبر وتدمير الموصلية الفائقة25،26، إلا أنه في بعض الحالات يمكن تعزيز انتقال الموصلية الفائقة27،28،29، بل ويمكن حتى تحريض مراحل جديدة من الموصلية الفائقة30. يمكن أن يُعزى غياب الموصلية الفائقة عند النقطة Pc إلى تفكك الزوج المُستحث ضوئيًا. عند النقطة P0، يصبح الجهد عبر الواجهة صفرًا، مما يشير إلى أن كثافة الشحنة على جانبي الواجهة تصل إلى نفس المستوى تحت هذه الكثافة المحددة من إضاءة الضوء. تؤدي الزيادة الإضافية في شدة الليزر إلى تدمير المزيد من أزواج كوبر، ويتحول YBCO تدريجيًا إلى مادة من النوع p. بدلاً من انتشار الإلكترونات وأزواج كوبر، يتم تحديد سمة الواجهة الآن من خلال انتشار الإلكترونات والفجوات، مما يؤدي إلى انعكاس قطبية المجال الكهربائي في الواجهة، وبالتالي Voc موجب (قارن الشكل 1د، ح). عند شدة ليزر عالية جدًا، تصل المقاومة التفاضلية لـ YBCO إلى قيمة تقابل الحالة الطبيعية، ويميل كلٌّ من Voc وIsc إلى التغير خطيًا مع شدة الليزر (الشكل 2ب). تُظهر هذه الملاحظة أن تشعيع الليزر على YBCO في الحالة الطبيعية لن يُغيّر مقاومته وخصائص واجهة الموصل الفائق والمعدن، بل سيزيد فقط من تركيز أزواج الإلكترونات والفجوات.
لدراسة تأثير درجة الحرارة على خصائص الخلايا الكهروضوئية، عُرض نظام الموصل الفائق المعدني عند المهبط ليزر أزرق شدة 502 ميلي واط/سم². يوضح الشكل 3أ منحنيات الجهد الكهربي (IV) التي تم الحصول عليها عند درجات حرارة مختارة تتراوح بين 50 و300 كلفن. يمكن بعد ذلك الحصول على جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) والمقاومة التفاضلية من منحنيات الجهد الكهربي (IV) هذه، كما هو موضح في الشكل 3ب. بدون إضاءة ضوئية، تمر جميع منحنيات الجهد الكهربي (IV) المقاسة عند درجات حرارة مختلفة بنقطة الأصل كما هو متوقع (الملحق في الشكل 3أ). تتغير خصائص الجهد الكهربي (IV) بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة عندما يُضاء النظام بشعاع ليزر قوي نسبيًا (502 ميلي واط/سم²). عند درجات الحرارة المنخفضة، تكون منحنيات الجهد الكهربي (IV) عبارة عن خطوط مستقيمة موازية لمحور الجهد الكهربي (I) بقيم سالبة لـ Voc. يتحرك هذا المنحنى لأعلى مع زيادة درجة الحرارة ويتحول تدريجيًا إلى خط ذي ميل غير صفري عند درجة حرارة حرجة (Tcp) (الشكل 3أ (أعلى)). يبدو أن جميع منحنيات خصائص الموصلية الفائقة (IV) تدور حول نقطة في الربع الثالث. تزداد قيمة Voc من قيمة سالبة إلى موجبة، بينما تنخفض قيمة Isc من قيمة موجبة إلى سالبة. فوق درجة حرارة الانتقال الفائقة التوصيل الأصلية Tc لـ YBCO، يتغير منحنى الموصلية الفائقة (IV) بشكل مختلف مع درجة الحرارة (أسفل الشكل 3أ). أولًا، ينتقل مركز دوران منحنيات الموصلية الفائقة إلى الربع الأول. ثانيًا، يستمر Voc في التناقص ويزداد Isc مع زيادة درجة الحرارة (أعلى الشكل 3ب). ثالثًا، يزداد ميل منحنيات الموصلية الفائقة خطيًا مع درجة الحرارة، مما ينتج عنه معامل مقاومة حراري موجب لـ YBCO (أسفل الشكل 3ب).
اعتماد خصائص الخلايا الكهروضوئية على درجة الحرارة لنظام معجون YBCO-Ag تحت إضاءة الليزر بقدرة 502 ميجاوات/سم2.
يقع مركز بقعة الليزر حول أقطاب الكاثود (انظر الشكل 1i). أ، منحنيات الجهد الكهربي (IV) المُحصل عليها من 50 إلى 90 كلفن (أعلى) ومن 100 إلى 300 كلفن (أسفل) مع زيادة في درجة الحرارة قدرها 5 كلفن و20 كلفن، على التوالي. يُظهر الشكل المُلحق (أ) خصائص الجهد الكهربي (IV) عند عدة درجات حرارة في الظلام. جميع المنحنيات تعبر نقطة الأصل. ب، جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وتيار الدائرة القصيرة (Isc) (أعلى) والمقاومة التفاضلية (dV/dI) لـ YBCO (أسفل) كدالة لدرجة الحرارة. درجة حرارة الانتقال الفائقة الموصلية (Tcp) عند مقاومة صفرية غير مُعطاة لأنها قريبة جدًا من درجة الحرارة (Tc0).
يمكن التعرف على ثلاث درجات حرارة حرجة من الشكل 3ب: Tcp، التي يصبح فوقها YBCO غير موصل فائق؛ Tc0، التي يصبح عندها كل من Voc وIsc صفرًا؛ وTc، درجة حرارة انتقال الموصلية الفائقة الأصلية لـ YBCO بدون إشعاع الليزر. تحت Tcp ~ 55 كلفن، يكون YBCO المشعع بالليزر في حالة موصلية فائقة مع تركيز عالٍ نسبيًا من أزواج كوبر. يتمثل تأثير إشعاع الليزر في تقليل درجة حرارة انتقال الموصلية الفائقة ذات المقاومة الصفرية من 89 كلفن إلى ~ 55 كلفن (أسفل الشكل 3ب) عن طريق تقليل تركيز زوج كوبر بالإضافة إلى إنتاج جهد وتيار كهروضوئي. تؤدي زيادة درجة الحرارة أيضًا إلى تحلل أزواج كوبر مما يؤدي إلى انخفاض الجهد في الواجهة. وبالتالي، ستصبح القيمة المطلقة لـ Voc أصغر، على الرغم من تطبيق نفس شدة إضاءة الليزر. سيصبح جهد الواجهة أصغر فأصغر مع زيادة درجة الحرارة ويصل إلى الصفر عند Tc0. لا يوجد تأثير كهروضوئي عند هذه النقطة الخاصة لعدم وجود مجال داخلي يفصل أزواج الإلكترونات والفجوات المُستحثة ضوئيًا. يحدث انعكاس قطبية الجهد فوق درجة الحرارة الحرجة هذه، حيث تكون كثافة الشحنة الحرة في عجينة الفضة أكبر منها في أكسيد اليورانيوم ثنائي التكافؤ (YBCO)، الذي ينتقل تدريجيًا إلى مادة من النوع p. نؤكد هنا على أن انعكاس قطبية Voc وIsc يحدث مباشرةً بعد انتقال الموصلية الفائقة بمقاومة صفرية، بغض النظر عن سبب الانتقال. تكشف هذه الملاحظة بوضوح، ولأول مرة، عن العلاقة بين الموصلية الفائقة والتأثيرات الكهروضوئية المرتبطة بجهد واجهة المعدن-الموصل الفائق. وقد ركزت الأبحاث على طبيعة هذا الجهد عبر واجهة المعدن-الموصل الفائق العمودي على مدى العقود القليلة الماضية، ولكن لا تزال هناك العديد من الأسئلة التي تنتظر الإجابة. قد يكون قياس التأثير الكهروضوئي طريقة فعالة لاستكشاف تفاصيل هذا الجهد المهم (مثل قوته وقطبيته، إلخ)، وبالتالي تسليط الضوء على تأثير القرب في الموصلية الفائقة عالية الحرارة.
تؤدي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة من Tc0 إلى Tc إلى انخفاض تركيز أزواج كوبر وزيادة في جهد الواجهة، وبالتالي زيادة Voc. عند Tc، يصبح تركيز أزواج كوبر صفرًا، ويصل جهد التراكم عند الواجهة إلى أقصى حد، مما ينتج عنه أقصى Voc وأدنى Isc. تتوافق الزيادة السريعة في Voc وIsc (القيمة المطلقة) في هذا النطاق من درجات الحرارة مع الانتقال إلى الموصلية الفائقة الذي يتسع من ΔT ~ 3 K إلى ~ 34 K بواسطة إشعاع ليزر بكثافة 502 mW/cm² (الشكل 3ب). في الحالات العادية فوق Tc، ينخفض جهد الدائرة المفتوحة Voc مع درجة الحرارة (أعلى الشكل 3ب)، على غرار السلوك الخطي لـ Voc في الخلايا الشمسية العادية القائمة على وصلات pn31،32،33. على الرغم من أن معدل تغير Voc مع درجة الحرارة (−dVoc/dT)، والذي يعتمد بشدة على شدة الليزر، أصغر بكثير من معدل الخلايا الشمسية العادية، فإن معامل درجة حرارة Voc لوصلة YBCO-Ag له نفس ترتيب حجم الخلايا الشمسية. يزداد تيار التسرب لوصلة pn لجهاز خلية شمسية عادية مع زيادة درجة الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض Voc مع زيادة درجة الحرارة. إن منحنيات IV الخطية المرصودة لنظام Ag-superconductor هذا، ويرجع ذلك أولاً إلى جهد الواجهة الصغير جدًا وثانيًا إلى الاتصال العكسي للوصلتين غير المتجانستين، تجعل من الصعب تحديد تيار التسرب. ومع ذلك، يبدو من المرجح جدًا أن يكون نفس اعتماد تيار التسرب على درجة الحرارة مسؤولاً عن سلوك Voc المرصود في تجربتنا. وفقًا للتعريف، Isc هو التيار اللازم لإنتاج جهد سالب لتعويض Voc بحيث يكون الجهد الكلي صفرًا. مع زيادة درجة الحرارة، يصبح Voc أصغر بحيث يقل التيار اللازم لإنتاج الجهد السالب. علاوة على ذلك، تزداد مقاومة YBCO بشكل خطي مع درجة الحرارة فوق Tc (أسفل الشكل 3ب)، مما يساهم أيضًا في القيمة المطلقة الأصغر لـ Isc عند درجات الحرارة العالية.
لاحظ أن النتائج الواردة في الشكلين 2 و3 حُصل عليها بتعريض المنطقة المحيطة بأقطاب المهبط لشعاع ليزر. كما أُجريت القياسات مرة أخرى باستخدام بقعة ليزر موضوعة عند المصعد، ولوحظت خصائص مُشابهة للتيار المتردد (IV) وخصائص كهروضوئية، باستثناء أن قطبية Voc وIsc قد عُكست في هذه الحالة. تُشير جميع هذه البيانات إلى آلية التأثير الكهروضوئي، وهي آلية وثيقة الصلة بواجهة المعدن والموصل الفائق.
باختصار، تم قياس خصائص IV لنظام معجون YBCO-Ag فائق التوصيل المشع بالليزر كدالة لدرجة الحرارة وكثافة الليزر. ولوحظ تأثير كهروضوئي ملحوظ في نطاق درجات الحرارة من 50 إلى 300 كلفن. وتبين أن الخصائص الكهروضوئية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة لسيراميك YBCO. يحدث انعكاس قطبي لـ Voc و Isc مباشرةً بعد الانتقال من موصل فائق إلى غير موصل فائق بفعل الضوء. كما يُظهر اعتماد Voc و Isc على درجة الحرارة المقاسة عند كثافة ليزر ثابتة انعكاسًا واضحًا للقطبية عند درجة حرارة حرجة تصبح العينة بعدها مقاومة. بتحديد موقع بقعة الليزر في جزء مختلف من العينة، نظهر وجود جهد كهربائي عبر السطح البيني، مما يوفر قوة الفصل لأزواج الإلكترونات والفجوات المحفزة ضوئيًا. يتجه جهد السطح البيني هذا من YBCO إلى القطب المعدني عندما يكون YBCO موصلًا فائقًا، ويتحول إلى الاتجاه المعاكس عندما تصبح العينة غير موصلة فائقة. قد يرتبط أصل الجهد بشكل طبيعي بتأثير القرب عند سطح المعدن-الموصل الفائق عندما يكون YBCO فائق التوصيل، ويُقدر بحوالي 10−8 مللي فولت عند درجة حرارة 50 كلفن، مع شدة ليزر تبلغ 502 مللي واط/سم². يُشكل تلامس مادة YBCO من النوع p في حالتها الطبيعية مع عجينة الفضة من النوع n وصلة شبه pn، وهي المسؤولة عن السلوك الكهروضوئي لسيراميك YBCO عند درجات الحرارة العالية. تُلقي الملاحظات السابقة الضوء على تأثير الطاقة الكهروضوئية في سيراميك YBCO فائق التوصيل عند درجات الحرارة العالية، وتمهد الطريق لتطبيقات جديدة في الأجهزة الإلكترونية البصرية، مثل كاشف الضوء السلبي السريع وكاشف الفوتون المفرد.
أجريت تجارب التأثير الكهروضوئي على عينة سيراميك YBCO بسمك 0.52 مم وشكل مستطيل 8.64 × 2.26 مم 2 ومضاءة بالليزر الأزرق الموجي المستمر (λ = 450 نانومتر) بحجم بقعة ليزر يبلغ نصف قطرها 1.25 مم. إن استخدام عينة كبيرة بدلاً من عينة غشاء رقيق يمكّننا من دراسة الخصائص الكهروضوئية للموصل الفائق دون الحاجة إلى التعامل مع التأثير المعقد للركيزة6،7. علاوة على ذلك، يمكن أن تكون المادة الكبيرة مواتية لإجراء تحضيرها البسيط وتكلفتها المنخفضة نسبيًا. يتم تماسك أسلاك الرصاص النحاسية على عينة YBCO مع عجينة الفضة لتشكيل أربعة أقطاب دائرية يبلغ قطرها حوالي 1 مم. تبلغ المسافة بين قطبي الجهد حوالي 5 مم. تم قياس خصائص IV للعينة باستخدام مقياس مغناطيسية عينة الاهتزاز (VersaLab، Quantum Design) مع نافذة بلورية كوارتز. تم استخدام طريقة الأسلاك الأربعة القياسية للحصول على منحنيات IV. يظهر في الشكل 1i المواضع النسبية للأقطاب الكهربائية وبقعة الليزر.
كيفية الاستشهاد بهذه المقالة: يانغ، ف. وآخرون. أصل التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBa2Cu3O6.96 فائق التوصيل. مجلة ساينس ريب. 5، 11504؛ doi: 10.1038/srep11504 (2015).
تشانج، سي إل، كلاينهاميس، أ.، مولتون، دبليو جي، وتيستاردي، إل آر: الجهد الكهربي المُستحث بالليزر والمُحظور التناظر فيه في YBa2Cu3O7. مراجعة فيزياوية ب 41، 11564-11567 (1990).
كوك، إتش إس، تشنغ، جي بي، ودونغ، إس واي: أصل الإشارة الكهروضوئية الشاذة في Y-Ba-Cu-O. مراجعة فيزيائية ب 43، 6270-6272 (1991).
وانغ، ل.ب.، لين، ج.ل.، فنغ، كيو آر، ووانغ، ج.و.، قياس الجهد المُستحث بالليزر للمركبات الفائقة التوصيل Bi-Sr-Ca-Cu-O. مراجعة فيزيائية ب 46، 5773-5776 (1992).
تيت، كيه إل، وآخرون. الجهد الكهربي العابر المُستحث بالليزر في أغشية YBa2Cu3O7-x عند درجة حرارة الغرفة. مجلة الفيزياء التطبيقية، 67، 4375-4376 (1990).
كوك، إتش إس وتشنغ، جي بي. الاستجابة الكهروضوئية الشاذة في YBa2Cu3O7. مراجعة فيزيائية ب 46، 3692-3695 (1992).
موراوكا، ي.، موراماتسو، ت.، ياماورا، ج.، هيروي، ز. حقن حامل الثقوب المولّد ضوئيًا إلى YBa2Cu3O7−x في بنية أكسيدية غير متجانسة. مجلة الفيزياء التطبيقية، 85، 2950-2952 (2004).
أساكورا، د. وآخرون. دراسة الانبعاث الضوئي لأغشية رقيقة من YBa2Cu3Oy تحت إضاءة ضوئية. مجلة مراجعة الفيزياء 93، 247006 (2004).
يانغ، ف. وآخرون. التأثير الكهروضوئي لوصلة YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb غير المتجانسة المُلدَّنة في ضغط جزئي مختلف للأكسجين. مجلة المواد. 130، 51-53 (2014).
أمينوف، ب. أ. وآخرون. بنية الفجوتين في بلورات Yb(Y)Ba2Cu3O7-x المفردة. مجلة سوبركوند. 7، 361-365 (1994).
كابانوف، ف. ف.، ديمسار، ج.، بودوبنيك، ب.، وميهيلوفيتش، د. ديناميكيات استرخاء شبه الجسيمات في الموصلات الفائقة ذات هياكل فجوية مختلفة: نظرية وتجارب على YBa2Cu3O7-δ. مراجعة فيزيائية ب 59، 1497-1506 (1999).
صن، جيه آر، شيونغ، سي إم، تشانغ، واي زد، وشين، بي جي: خصائص تقويم الوصلة غير المتجانسة YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. مجلة الفيزياء التطبيقية، 87، 222501 (2005).
كاماراس، ك.، بورتر، سي دي، دوس، إم جي، هير، إس إل، وتانر، دي بي. الامتصاص الإكسيتوني والموصلية الفائقة في YBa2Cu3O7-δ. مجلة مراجعة الفيزياء، العدد 59، الصفحات 919-922 (1987).
يو، جيه.، هيجر، إيه جيه. وستاكي، جي. التوصيل الضوئي المؤقت في البلورات الأحادية شبه الموصلة لمادة YBa2Cu3O6.3: البحث عن الحالة المعدنية الضوئية والموصلية الفائقة الضوئية. مجلة الحالة الصلبة، 72، 345-349 (1989).
ماكميلان، دبليو إل. نموذج النفق لتأثير القرب الفائق الموصل. مراجعة فيز. 175، 537-542 (1968).
جيرون، س. وآخرون. تأثير القرب الفائق الموصلية المستكشف على مقياس طولي متوسط. مجلة مراجعة الفيزياء، العدد 77، 3025-3028 (1996).
أنونزياتا، ج. ومانسكي، د. تأثير القرب مع الموصلات الفائقة غير المركزية. مراجعة الفيزياء ب 86، 17514 (2012).
كو، ف.م. وآخرون. تأثير القرب الفائق الموصلية القوي في الهياكل الهجينة من الرصاص-بي2تي3. مجلة العلوم 2، 339 (2012).
تشابين، د.م.، فولر، س.س.، بيرسون، ج.ل. خلية ضوئية جديدة من السيليكون ذات وصلة p-n لتحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية. مجلة الفيزياء التطبيقية، 25، 676-677 (1954).
توميموتو، ك. تأثيرات الشوائب على طول تماسك الموصلية الفائقة في بلورات YBa2Cu3O6.9 الأحادية المشبعة بالزنك أو النيكل. مراجعة فيز. ب 60، 114-117 (1999).
أندو، ي. وسيجاوا، ك. المقاومة المغناطيسية لبلورات YBa2Cu3Oy الأحادية غير المزدوجة في نطاق واسع من التشويب: اعتماد طول التماسك الشاذ على التشويب بالثقب. مجلة مراجعة الفيزياء، العدد 88، 167005 (2002).
أوبيرتيلي، س.د. وكوبر، ج.ر.، علم تصنيف الطاقة الحرارية الكهربائية لأكاسيد عالية التستوستيرون. مراجعة فيزيائية، ب 46، 14928-14931، (1992).
سوغاي، س. وآخرون. انزياح الزخم المعتمد على كثافة الناقل للذروة المتماسكة ونمط الفونون منخفض التردد في الموصلات الفائقة عالية درجة الحرارة الحرجة من النوع p. مراجعة فيزياوية ب 68، 184504 (2003).
نوجيما، ت. وآخرون. اختزال الفجوات وتراكم الإلكترونات في الأغشية الرقيقة YBa2Cu3Oy باستخدام تقنية كهروكيميائية: دليل على حالة معدنية من النوع n. مراجعة فيزياوية ب 84، 020502 (2011).
تونغ، ر.ت. فيزياء وكيمياء ارتفاع حاجز شوتكي. مجلة الفيزياء التطبيقية، العدد 1، 011304 (2014).
ساي-هالاسز، جي إيه، تشي، سي سي، دينينشتاين، أ.، لانجنبرج، دي إن: تأثيرات كسر الزوج الخارجي الديناميكي في الأغشية فائقة التوصيل. مجلة مراجعة الفيزياء، العدد 33، ص 215-219 (1974).
نييفا، ج. وآخرون. تعزيز الموصلية الفائقة بالحث الضوئي. مجلة الفيزياء التطبيقية، العدد 60، 2159-2161 (1992).
كودينوف، السادس وآخرون. الموصلية الضوئية المستمرة في أغشية YBa2Cu3O6+x كطريقة للتشويب الضوئي نحو الطور المعدني والطور الفائق التوصيل. مراجعة فيزياوية ب 14، 9017-9028 (1993).
مانكوفسكي، ر. وآخرون. ديناميكيات الشبكة غير الخطية كأساس لتحسين الموصلية الفائقة في YBa2Cu3O6.5. مجلة نيتشر، 516، الصفحات 71-74 (2014).
فاوستي، د. وآخرون. الموصلية الفائقة المُستحثة بالضوء في كوبرات مُرتبة على شكل خطوط. ساينس 331، 189-191 (2011).
العدوي، م.ك. والنعيم، آي. أي. الاعتماد الوظيفي لدرجة الحرارة للمركبات العضوية المتطايرة في الخلايا الشمسية وعلاقته بكفاءتها: نهج جديد. تحلية المياه 209، 91-96 (2007).
فيرنون، س.م. وأندرسون، و.أ. تأثيرات درجة الحرارة في الخلايا الشمسية السيليكونية ذات حاجز شوتكي. مجلة الفيزياء التطبيقية، 26، 707 (1975).
كاتز، إي إيه، فايمان، دي، وتولادار، إس إم. اعتماد درجة الحرارة على معلمات الجهاز الكهروضوئي للخلايا الشمسية البوليمرية الفوليرينية في ظروف التشغيل. مجلة الفيزياء التطبيقية 90، 5343-5350 (2002).
تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (رقم المنحة 60571063)، ومشاريع الأبحاث الأساسية في مقاطعة خنان، الصين (رقم المنحة 122300410231).
كتب FY نص البحث، وأعدّ MYH عينة سيراميك YBCO. أجرى FY وMYH التجربة وحللوا النتائج. قاد FGC المشروع والتفسير العلمي للبيانات. راجع جميع المؤلفين المخطوطة.
هذا العمل مرخص بموجب رخصة المشاع الإبداعي المنسوبة 4.0 الدولية. الصور أو المواد الأخرى من جهات خارجية في هذه المقالة مشمولة برخصة المشاع الإبداعي الخاصة بها، ما لم يُنص على خلاف ذلك في خانة الاعتماد. إذا لم تكن المادة مشمولة برخصة المشاع الإبداعي، فسيحتاج المستخدمون إلى الحصول على إذن من صاحب الرخصة لإعادة إنتاجها. للاطلاع على نسخة من هذه الرخصة، تفضل بزيارة الرابط التالي: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
يانغ، ف.، هان، م.، وتشانغ، ف. أصل التأثير الكهروضوئي في سيراميك YBa2Cu3O6.96 فائق التوصيل. مجلة ساينس ريب 5، 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
بإرسال تعليق، فإنك توافق على الالتزام بشروطنا وإرشاداتنا. إذا وجدتَ أي محتوى مسيء أو لا يتوافق مع شروطنا أو إرشاداتنا، يُرجى الإبلاغ عنه كغير لائق.
وقت النشر: ٢٢ أبريل ٢٠٢٠