Diolch am ymweld â nature.com. Rydych chi'n defnyddio fersiwn porwr gyda chefnogaeth gyfyngedig ar gyfer CSS. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr mwy cyfredol (neu'n diffodd y modd cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, rydym yn arddangos y wefan heb arddulliau a JavaScript.
Rydym yn adrodd am effaith ffotofoltäig nodedig mewn cerameg YBa2Cu3O6.96 (YBCO) rhwng 50 a 300 K a achosir gan oleuadau laser glas, sy'n uniongyrchol gysylltiedig ag uwchddargludedd YBCO a'r rhyngwyneb electrod YBCO-metelaidd. Mae gwrthdroad polaredd ar gyfer y foltedd cylched agored Voc a'r cerrynt cylched byr Isc pan fydd YBCO yn mynd trwy drawsnewidiad o gyflwr uwchddargludol i gyflwr gwrthiannol. Rydym yn dangos bod potensial trydanol yn bodoli ar draws y rhyngwyneb uwchddargludydd-metel normal, sy'n darparu'r grym gwahanu ar gyfer y parau electron-twll a achosir gan ffoto. Mae'r potensial rhyngwyneb hwn yn cyfeirio o YBCO i'r electrod metel pan fydd YBCO yn uwchddargludol ac yn newid i'r cyfeiriad arall pan fydd YBCO yn dod yn an-uwchddargludol. Gellir cysylltu tarddiad y potensial yn hawdd â'r effaith agosrwydd ar y rhyngwyneb metel-uwchddargludydd pan fydd YBCO yn uwchddargludol ac amcangyfrifir bod ei werth yn ~10–8 mV ar 50 K gyda dwyster laser o 502 mW/cm2. Mae cyfuniad o ddeunydd math-p YBCO mewn cyflwr arferol â phast Ag deunydd math-n yn ffurfio cyffordd cwasi-pn sy'n gyfrifol am ymddygiad ffotofoltäig cerameg YBCO ar dymheredd uchel. Gall ein canfyddiadau baratoi'r ffordd i gymwysiadau newydd o ddyfeisiau ffoton-electronig a thaflu mwy o oleuni ar yr effaith agosrwydd ar y rhyngwyneb uwchddargludydd-metel.
Adroddwyd am foltedd a achosir gan ffoto mewn uwchddargludyddion tymheredd uchel yn gynnar yn y 1990au ac mae wedi cael ei ymchwilio'n helaeth byth ers hynny, ond mae ei natur a'i fecanwaith yn parhau i fod yn ansefydlog1,2,3,4,5. Mae ffilmiau tenau YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, yn benodol, yn cael eu hastudio'n ddwys ar ffurf celloedd ffotofoltäig (PV) oherwydd ei fwlch ynni addasadwy9,10,11,12,13. Fodd bynnag, mae gwrthiant uchel y swbstrad bob amser yn arwain at effeithlonrwydd trosi isel y ddyfais ac yn cuddio prif briodweddau PV YBCO8. Yma rydym yn adrodd am effaith ffotofoltäig nodedig a achosir gan oleuo laser-glas (λ = 450 nm) mewn cerameg YBa2Cu3O6.96 (YBCO) rhwng 50 a 300 K (Tc ~ 90 K). Rydym yn dangos bod yr effaith PV yn uniongyrchol gysylltiedig ag uwchddargludedd YBCO a natur y rhyngwyneb electrod YBCO-metelaidd. Mae gwrthdroad polaredd ar gyfer y foltedd cylched agored Voc a'r cerrynt cylched byr Isc pan fydd YBCO yn mynd trwy drawsnewidiad o gyfnod uwchddargludol i gyflwr gwrthiannol. Cynigir bod potensial trydanol yn bodoli ar draws y rhyngwyneb uwchddargludydd-metel normal, sy'n darparu'r grym gwahanu ar gyfer y parau electron-twll a achosir gan ffoto. Mae'r potensial rhyngwyneb hwn yn cyfeirio o YBCO i'r electrod metel pan fydd YBCO yn uwchddargludol ac yn newid i'r cyfeiriad arall pan fydd y sampl yn dod yn an-uwchddargludol. Gall tarddiad y potensial fod yn gysylltiedig yn naturiol â'r effaith agosrwydd14,15,16,17 ar y rhyngwyneb metel-uwchddargludydd pan fydd YBCO yn uwchddargludol ac amcangyfrifir bod ei werth yn ~10−8 mV ar 50 K gyda dwyster laser o 502 mW/cm2. Mae cyfuniad o ddeunydd math-p YBCO mewn cyflwr normal â phast Ag deunydd math-n yn ffurfio, yn fwyaf tebygol, gyffordd cwasi-pn sy'n gyfrifol am ymddygiad PV cerameg YBCO ar dymheredd uchel. Mae ein harsylwadau'n taflu goleuni pellach ar darddiad effaith PV mewn cerameg YBCO uwchddargludol tymheredd uchel ac yn paratoi'r ffordd ar gyfer ei gymhwysiad mewn dyfeisiau optoelectronig fel synhwyrydd golau goddefol cyflym ac ati.
Mae Ffigur 1a–c yn dangos nodweddion IV sampl ceramig YBCO ar 50 K. Heb oleuo golau, mae'r foltedd ar draws y sampl yn aros yn sero gyda'r cerrynt yn newid, fel y gellir ei ddisgwyl gan ddeunydd uwchddargludol. Mae effaith ffotofoltäig amlwg yn ymddangos pan gyfeirir y trawst laser at y catod (Ffig. 1a): mae'r cromliniau IV sy'n gyfochrog â'r echelin-I yn symud i lawr gyda dwyster laser cynyddol. Mae'n amlwg bod foltedd negyddol a achosir gan ffoto hyd yn oed heb unrhyw gerrynt (a elwir yn aml yn foltedd cylched agored Voc). Mae llethr sero'r gromlin IV yn dangos bod y sampl yn dal i fod yn uwchddargludol o dan oleuadau laser.
(a–c) a 300 K (e–g). Cafwyd gwerthoedd V(I) drwy ysgubo'r cerrynt o −10 mA i +10 mA mewn gwactod. Dim ond rhan o'r data arbrofol a gyflwynir er mwyn eglurder. a, Nodweddion cerrynt-foltedd YBCO wedi'i fesur gyda man laser wedi'i osod ar y catod (i). Mae'r holl gromliniau IV yn llinellau syth llorweddol sy'n dangos bod y sampl yn dal i fod yn uwchddargludol gydag arbelydru laser. Mae'r gromlin yn symud i lawr gyda dwyster laser cynyddol, gan ddangos bod potensial negyddol (Voc) rhwng y ddau arweinydd foltedd hyd yn oed gyda cherrynt sero. Mae'r cromliniau IV yn aros yr un fath pan gyfeirir y laser at ganol y sampl ar naill ai 50 K (b) neu 300 K (f). Mae'r llinell lorweddol yn symud i fyny wrth i'r anod oleuo (c). Dangosir model sgematig o gyffordd metel-uwchddargludydd ar 50 K yn d. Rhoddir nodweddion cerrynt-foltedd YBCO cyflwr arferol ar 300 K wedi'i fesur gyda thrawst laser wedi'i bwyntio at y catod a'r anod yn e ac g yn y drefn honno. Mewn cyferbyniad â'r canlyniadau ar 50 K, mae llethr di-sero'r llinellau syth yn dangos bod YBCO mewn cyflwr arferol; mae gwerthoedd Voc yn amrywio gyda dwyster golau i gyfeiriad gyferbyn, gan ddangos mecanwaith gwahanu gwefr gwahanol. Dangosir strwythur rhyngwyneb posibl ar 300 K yn hj. Y darlun go iawn o'r sampl gyda gwifrau.
Gall YBCO sy'n llawn ocsigen mewn cyflwr uwchddargludol amsugno bron y sbectrwm llawn o olau haul oherwydd ei fwlch ynni bach iawn (Eg)9,10, a thrwy hynny greu parau electron-twll (e–h). I gynhyrchu foltedd cylched agored Voc trwy amsugno ffotonau, mae angen gwahanu parau eh a gynhyrchir gan ffoton yn ofodol cyn i ailgyfuno ddigwydd18. Mae'r Voc negatif, o'i gymharu â'r catod a'r anod fel y nodir yn Ffig. 1i, yn awgrymu bod potensial trydanol yn bodoli ar draws y rhyngwyneb metel-uwchddargludydd, sy'n ysgubo'r electronau i'r anod a'r tyllau i'r catod. Os felly, dylai fod potensial hefyd yn pwyntio o uwchddargludydd i'r electrod metel wrth yr anod. O ganlyniad, byddai Voc positif yn cael ei gael pe bai'r ardal sampl ger yr anod wedi'i goleuo. Ar ben hynny, ni ddylai fod unrhyw folteddau a achosir gan ffoto pan fydd y smotyn laser yn cael ei bwyntio at ardaloedd ymhell o'r electrodau. Mae'n sicr yn wir fel y gwelir o Ffig. 1b,c!.
Pan fydd y smotyn golau yn symud o'r electrod catod i ganol y sampl (tua 1.25 mm ar wahân i'r rhyngwynebau), ni ellir gweld unrhyw amrywiad mewn cromliniau IV a dim Voc gyda chynnydd mewn dwyster laser i'r gwerth mwyaf sydd ar gael (Ffig. 1b). Yn naturiol, gellir priodoli'r canlyniad hwn i oes gyfyngedig cludwyr a achosir gan ffoto a'r diffyg grym gwahanu yn y sampl. Gellir creu parau electron-twll pryd bynnag y caiff y sampl ei goleuo, ond bydd y rhan fwyaf o'r parau e-h yn cael eu difodi ac ni welir unrhyw effaith ffotofoltäig os yw'r smotyn laser yn disgyn ar ardaloedd ymhell i ffwrdd o unrhyw un o'r electrodau. Wrth symud y smotyn laser i electrodau'r anod, mae'r cromliniau IV sy'n gyfochrog â'r echelin-I yn symud i fyny gyda chynnydd mewn dwyster laser (Ffig. 1c). Mae maes trydanol adeiledig tebyg yn bodoli yn y gyffordd metel-uwchddargludydd yn yr anod. Fodd bynnag, mae'r electrod metelaidd yn cysylltu â phlwm positif y system brawf y tro hwn. Mae'r tyllau a gynhyrchir gan y laser yn cael eu gwthio i blwm yr anod ac felly gwelir Voc positif. Mae'r canlyniadau a gyflwynir yma yn darparu tystiolaeth gref bod potensial rhyngwyneb yn bodoli mewn gwirionedd yn pwyntio o'r uwchddargludydd i'r electrod metel.
Dangosir effaith ffotofoltäig mewn cerameg YBa2Cu3O6.96 ar 300 K yn Ffig. 1e–g. Heb oleuo golau, mae cromlin IV y sampl yn llinell syth sy'n croesi'r tarddiad. Mae'r llinell syth hon yn symud i fyny yn gyfochrog â'r un wreiddiol gyda dwyster laser cynyddol yn arbelydru wrth y gwifrau catod (Ffig. 1e). Mae dau achos cyfyngol o ddiddordeb ar gyfer dyfais ffotofoltäig. Mae'r cyflwr cylched fer yn digwydd pan fydd V = 0. Cyfeirir at y cerrynt yn yr achos hwn fel y cerrynt cylched fer (Isc). Yr ail achos cyfyngol yw'r cyflwr cylched agored (Voc) sy'n digwydd pan fydd R→∞ neu'r cerrynt yn sero. Mae Ffigur 1e yn dangos yn glir bod Voc yn bositif ac yn cynyddu gyda dwyster golau cynyddol, mewn cyferbyniad â'r canlyniad a geir ar 50 K; tra bod Isc negyddol yn cael ei weld yn cynyddu o ran maint gyda goleuo golau, ymddygiad nodweddiadol celloedd solar arferol.
Yn yr un modd, pan fydd y trawst laser yn cael ei bwyntio at ardaloedd ymhell o'r electrodau, mae'r gromlin V(I) yn annibynnol ar ddwyster y laser ac nid oes unrhyw effaith ffotofoltäig yn ymddangos (Ffig. 1f). Yn debyg i'r mesuriad ar 50 K, mae'r cromliniau IV yn symud i'r cyfeiriad arall wrth i'r electrod anod gael ei arbelydru (Ffig. 1g). Mae'r holl ganlyniadau hyn a gafwyd ar gyfer y system past YBCO-Ag hon ar 300 K gyda laser wedi'i arbelydru mewn gwahanol safleoedd o'r sampl yn gyson â photensial rhyngwyneb gyferbyn â'r hyn a welwyd ar 50 K.
Mae'r rhan fwyaf o electronau'n cyddwyso mewn parau Cooper mewn YBCO uwchddargludol islaw ei dymheredd trawsnewid Tc. Tra yn yr electrod metel, mae'r holl electronau'n aros ar ffurf unigol. Mae graddiant dwysedd mawr ar gyfer electronau unigol a pharau Cooper yng nghyffiniau'r rhyngwyneb metel-uwchddargludydd. Bydd electronau unigol cludwr mwyafrifol mewn deunydd metelaidd yn tryledu i'r rhanbarth uwchddargludydd, tra bydd parau Cooper cludwr mwyafrifol yn rhanbarth YBCO yn tryledu i'r rhanbarth metel. Wrth i barau Cooper sy'n cario mwy o wefrau ac sydd â symudedd mwy nag electronau unigol dryledu o YBCO i'r rhanbarth metelaidd, mae atomau â gwefr bositif yn cael eu gadael ar ôl, gan arwain at faes trydanol yn y rhanbarth gwefr gofod. Dangosir cyfeiriad y maes trydanol hwn yn y diagram sgematig Ffig. 1d. Gall goleuo ffoton digwyddiadol ger y rhanbarth gwefr gofod greu parau eh a fydd yn cael eu gwahanu a'u hysgubo allan gan gynhyrchu ffotogerrynt i'r cyfeiriad gwrthdro. Cyn gynted ag y bydd yr electronau'n mynd allan o'r maes trydanol adeiledig, maent yn cael eu cyddwyso i barau ac yn llifo i'r electrod arall heb wrthwynebiad. Yn yr achos hwn, mae'r Voc yn groes i'r polaredd a osodwyd ymlaen llaw ac yn arddangos gwerth negyddol pan fydd y trawst laser yn pwyntio at yr ardal o amgylch yr electrod negyddol. O werth Voc, gellir amcangyfrif y potensial ar draws y rhyngwyneb: y pellter rhwng y ddau arweinydd foltedd d yw ~5 × 10−3 m, dylai trwch y rhyngwyneb metel-uwchddargludydd, di, fod yr un maint â hyd cydlyniant uwchddargludydd YBCO (~1 nm)19,20, cymerwch werth Voc = 0.03 mV, gwerthusir y potensial Vms ar y rhyngwyneb metel-uwchddargludydd i fod yn ~10−11 V ar 50 K gyda dwyster laser o 502 mW/cm2, gan ddefnyddio'r hafaliad,
Rydym am bwysleisio yma na ellir esbonio'r foltedd a achosir gan ffoto gan effaith ffotothermol. Mae wedi'i sefydlu'n arbrofol mai cyfernod Seebeck uwchddargludydd YBCO yw Ss = 021. Mae cyfernod Seebeck gwifrau plwm copr yn yr ystod SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Gellir codi tymheredd y wifren gopr yn y fan laser ychydig bach o 0.06 K gyda'r dwyster laser mwyaf ar gael ar 50 K. Gallai hyn gynhyrchu potensial thermodrydanol o 6.9 × 10−8 V sydd dair gorchymyn maint yn llai na'r Voc a gafwyd yn Ffig 1 (a). Mae'n amlwg bod yr effaith thermodrydanol yn rhy fach i esbonio'r canlyniadau arbrofol. Mewn gwirionedd, byddai'r amrywiad tymheredd oherwydd arbelydru laser yn diflannu mewn llai nag un munud fel y gellir anwybyddu'r cyfraniad o effaith thermol yn ddiogel.
Mae'r effaith ffotofoltäig hon o YBCO ar dymheredd ystafell yn datgelu bod mecanwaith gwahanu gwefr gwahanol yn gysylltiedig yma. Mae YBCO uwchddargludol mewn cyflwr arferol yn ddeunydd math-p gyda thyllau fel cludwr gwefr22,23, tra bod gan bast Ag metelaidd nodweddion deunydd math-n. Yn debyg i gyffyrdd pn, bydd trylediad electronau yn y past arian a thyllau mewn cerameg YBCO yn ffurfio maes trydanol mewnol sy'n pwyntio at y cerameg YBCO ar y rhyngwyneb (Ffig. 1h). Y maes mewnol hwn sy'n darparu'r grym gwahanu ac yn arwain at Voc positif ac Isc negatif ar gyfer y system past YBCO-Ag ar dymheredd ystafell, fel y dangosir yn Ffig. 1e. Fel arall, gallai Ag-YBCO ffurfio cyffordd Schottky math-p sydd hefyd yn arwain at botensial rhyngwyneb gyda'r un polaredd ag yn y model a gyflwynir uchod24.
Er mwyn ymchwilio i broses esblygiad fanwl y priodweddau ffotofoltäig yn ystod y trawsnewidiad uwchddargludol YBCO, mesurwyd cromliniau IV y sampl ar 80 K gyda dwysterau laser dethol yn goleuo ar electrod y catod (Ffig. 2). Heb arbelydru laser, mae'r foltedd ar draws y sampl yn aros ar sero waeth beth fo'r cerrynt, gan nodi cyflwr uwchddargludol y sampl ar 80 K (Ffig. 2a). Yn debyg i'r data a gafwyd ar 50 K, mae cromliniau IV sy'n gyfochrog â'r echelin-I yn symud i lawr gyda dwyster laser cynyddol nes cyrraedd gwerth critigol Pc. Uwchlaw'r dwyster laser critigol hwn (Pc), mae'r uwchddargludydd yn mynd trwy drawsnewidiad o gyfnod uwchddargludol i gyfnod gwrthiannol; mae'r foltedd yn dechrau cynyddu gyda'r cerrynt oherwydd ymddangosiad gwrthiant yn yr uwchddargludydd. O ganlyniad, mae'r gromlin IV yn dechrau croestorri â'r echelin-I a'r echelin-V gan arwain at Voc negatif ac Isc positif ar y dechrau. Nawr mae'n ymddangos bod y sampl mewn cyflwr arbennig lle mae polaredd Voc ac Isc yn hynod sensitif i ddwyster golau; gyda chynnydd bach iawn mewn dwyster golau, mae Isc yn cael ei drawsnewid o werth positif i negatif a Voc o werth negatif i werth positif, gan basio'r tarddiad (gellir gweld sensitifrwydd uchel priodweddau ffotofoltäig, yn enwedig gwerth Isc, i oleuadau golau yn gliriach yn Ffig. 2b). Ar y dwyster laser uchaf sydd ar gael, mae'r cromliniau IV yn bwriadu bod yn gyfochrog â'i gilydd, sy'n dynodi cyflwr arferol y sampl YBCO.
Mae canol y smotyn laser wedi'i leoli o amgylch electrodau'r catod (gweler Ffig. 1i). a, Cromliniau IV o YBCO wedi'i arbelydru â dwysterau laser gwahanol. b (top), Dibyniaeth dwyster laser ar foltedd cylched agored Voc a cherrynt cylched fer Isc. Ni ellir cael y gwerthoedd Isc ar ddwyster golau isel (< 110 mW/cm2) oherwydd bod y cromliniau IV yn gyfochrog â'r echelin-I pan fydd y sampl mewn cyflwr uwchddargludol. b (gwaelod), gwrthiant gwahaniaethol fel swyddogaeth o ddwyster laser.
Dangosir dibyniaeth dwyster laser Voc ac Isc ar 80 K yn Ffig. 2b (top). Gellir trafod y priodweddau ffotofoltäig mewn tair rhanbarth o ddwyster golau. Mae'r rhanbarth cyntaf rhwng 0 a Pc, lle mae YBCO yn uwchddargludol, mae Voc yn negatif ac yn lleihau (mae gwerth absoliwt yn cynyddu) gyda dwyster golau ac yn cyrraedd isafswm yn Pc. Mae'r ail ranbarth o Pc i ddwyster critigol arall P0, lle mae Voc yn cynyddu tra bod Isc yn lleihau gyda dwyster golau cynyddol ac mae'r ddau yn cyrraedd sero yn P0. Mae'r trydydd rhanbarth uwchlaw P0 nes cyrraedd cyflwr arferol YBCO. Er bod Voc ac Isc ill dau yn amrywio gyda dwyster golau yn yr un modd ag yn rhanbarth 2, mae ganddynt bolaredd gyferbyniol uwchlaw'r dwyster critigol P0. Mae arwyddocâd P0 yn gorwedd yn y ffaith nad oes unrhyw effaith ffotofoltäig ac mae'r mecanwaith gwahanu gwefr yn newid yn ansoddol ar y pwynt penodol hwn. Daw'r sampl YBCO yn an-uwchddargludol yn yr ystod hon o ddwyster golau ond nid yw'r cyflwr arferol wedi'i gyrraedd eto.
Yn amlwg, mae nodweddion ffotofoltäig y system yn gysylltiedig yn agos â gorddargludedd YBCO a'i drawsnewidiad gorddargludol. Dangosir y gwrthiant gwahaniaethol, dV/dI, o YBCO yn Ffig. 2b (gwaelod) fel swyddogaeth o ddwyster laser. Fel y soniwyd o'r blaen, mae'r potensial trydanol adeiledig yn y rhyngwyneb oherwydd pwyntiau trylediad pâr Cooper o'r gorddargludydd i fetel. Yn debyg i'r hyn a welwyd ar 50 K, mae effaith ffotofoltäig yn cael ei gwella gyda chynnydd mewn dwyster laser o 0 i Pc. Pan fydd dwyster y laser yn cyrraedd gwerth ychydig uwchlaw Pc, mae'r gromlin IV yn dechrau gogwyddo ac mae gwrthiant y sampl yn dechrau ymddangos, ond nid yw polaredd potensial y rhyngwyneb wedi newid eto. Mae effaith cyffroi optegol ar yr gorddargludedd wedi'i hymchwilio yn y rhanbarth gweladwy neu agos-IR. Er mai'r broses sylfaenol yw torri'r parau Cooper a dinistrio'r gorddargludedd25,26, mewn rhai achosion gellir gwella'r trawsnewidiad gorddargludedd27,28,29, gellir hyd yn oed ysgogi cyfnodau newydd o gorddargludedd30. Gellir priodoli absenoldeb uwchddargludedd yn Pc i'r toriad pâr a achosir gan ffoto. Yn y pwynt P0, mae'r potensial ar draws y rhyngwyneb yn dod yn sero, sy'n dangos bod dwysedd y gwefr yn y ddwy ochr i'r rhyngwyneb yn cyrraedd yr un lefel o dan y dwyster penodol hwn o oleuo golau. Mae cynnydd pellach yn nwyster y laser yn arwain at fwy o barau Cooper yn cael eu dinistrio ac mae YBCO yn cael ei drawsnewid yn raddol yn ôl i ddeunydd math-p. Yn lle trylediad electron a phâr Cooper, mae nodwedd y rhyngwyneb bellach yn cael ei phennu gan drylediad electron a thwll sy'n arwain at wrthdroad polaredd y maes trydanol yn y rhyngwyneb ac o ganlyniad Voc positif (cymharer Ffig.1d,h). Ar ddwyster laser uchel iawn, mae gwrthiant gwahaniaethol YBCO yn dirlawn i werth sy'n cyfateb i'r cyflwr arferol ac mae Voc ac Isc ill dau yn tueddu i amrywio'n llinol gyda dwyster y laser (Ffig. 2b). Mae'r arsylwad hwn yn datgelu na fydd arbelydru laser ar YBCO cyflwr arferol bellach yn newid ei wrthiant a nodwedd y rhyngwyneb uwchddargludydd-metel ond dim ond yn cynyddu crynodiad y parau electron-twll.
I ymchwilio i effaith tymheredd ar y priodweddau ffotofoltäig, cafodd y system metel-uwchddargludydd ei harbelydru wrth y catod gyda laser glas o ddwyster 502 mW/cm2. Rhoddir cromliniau IV a gafwyd ar dymheredd dethol rhwng 50 a 300 K yn Ffig. 3a. Gellir wedyn cael y foltedd cylched agored Voc, y cerrynt cylched byr Isc a'r gwrthiant gwahaniaethol o'r cromliniau IV hyn ac fe'u dangosir yn Ffig. 3b. Heb oleuo golau, mae'r holl gromliniau IV a fesurir ar wahanol dymheredd yn pasio'r tarddiad fel y disgwylir (mewnosodiad Ffig. 3a). Mae nodweddion IV yn newid yn sylweddol gyda chynnydd yn y tymheredd pan fydd y system yn cael ei goleuo gan drawst laser cymharol gryf (502 mW/cm2). Ar dymheredd isel, mae cromliniau IV yn llinellau syth yn gyfochrog â'r echelin-I gyda gwerthoedd negyddol o Voc. Mae'r gromlin hon yn symud i fyny gyda chynnydd yn y tymheredd ac yn raddol yn troi'n linell gyda llethr nad yw'n sero ar dymheredd critigol Tcp (Ffig. 3a (top)). Ymddengys bod yr holl gromliniau nodweddiadol IV yn cylchdroi o amgylch pwynt yn y trydydd cwadrant. Mae Voc yn cynyddu o werth negyddol i un positif tra bod Isc yn gostwng o werth positif i werth negyddol. Uwchlaw tymheredd trawsnewid uwchddargludol gwreiddiol Tc YBCO, mae'r gromlin IV yn newid yn eithaf gwahanol gyda thymheredd (gwaelod Ffig. 3a). Yn gyntaf, mae canol cylchdro'r cromliniau IV yn symud i'r cwadrant cyntaf. Yn ail, mae Voc yn parhau i leihau ac Isc yn cynyddu gyda thymheredd cynyddol (brig Ffig. 3b). Yn drydydd, mae llethr y cromliniau IV yn cynyddu'n llinol gyda thymheredd gan arwain at gyfernod tymheredd positif o wrthiant ar gyfer YBCO (gwaelod Ffig. 3b).
Dibyniaeth tymheredd nodweddion ffotofoltäig ar gyfer system past YBCO-Ag o dan oleuadau laser 502 mW/cm2.
Mae canol y smotyn laser wedi'i leoli o amgylch electrodau'r catod (gweler Ffig. 1i). a, cromliniau IV a gafwyd o 50 i 90 K (top) ac o 100 i 300 K (gwaelod) gyda chynnydd tymheredd o 5 K a 20 K, yn y drefn honno. Mae mewnosodiad a yn dangos nodweddion IV ar sawl tymheredd yn y tywyllwch. Mae'r holl gromliniau'n croesi'r pwynt tarddiad. b, foltedd cylched agored Voc a cherrynt cylched fer Isc (top) a'r gwrthiant gwahaniaethol, dV/dI, o YBCO (gwaelod) fel swyddogaeth o dymheredd. Ni roddir y tymheredd pontio uwchddargludol gwrthiant sero Tcp oherwydd ei fod yn rhy agos at Tc0.
Gellir adnabod tri thymheredd critigol o Ffig. 3b: Tcp, uwchlaw'r hyn y mae YBCO yn dod yn an-uwchddargludol; Tc0, lle mae Voc ac Isc ill dau yn dod yn sero a Tc, tymheredd pontio uwchddargludol cychwynnol gwreiddiol YBCO heb arbelydru laser. Islaw Tcp ~ 55 K, mae'r YBCO sydd wedi'i arbelydru â laser mewn cyflwr uwchddargludol gyda chrynodiad cymharol uchel o barau Cooper. Effaith arbelydru laser yw lleihau'r tymheredd pontio uwchddargludol gwrthiant sero o 89 K i ~ 55 K (gwaelod Ffig. 3b) trwy leihau crynodiad y pâr Cooper yn ogystal â chynhyrchu foltedd a cherrynt ffotofoltäig. Mae cynyddu tymheredd hefyd yn chwalu'r parau Cooper gan arwain at botensial is yn y rhyngwyneb. O ganlyniad, bydd gwerth absoliwt Voc yn dod yn llai, er bod yr un dwyster o oleuo laser yn cael ei gymhwyso. Bydd y potensial rhyngwyneb yn dod yn llai ac yn llai gyda chynnydd pellach mewn tymheredd ac yn cyrraedd sero yn Tc0. Nid oes unrhyw effaith ffotofoltäig yn y pwynt arbennig hwn oherwydd nad oes maes mewnol i wahanu'r parau electron-twll a achosir gan ffoto. Mae gwrthdroad polaredd y potensial yn digwydd uwchlaw'r tymheredd critigol hwn gan fod dwysedd y gwefr rydd mewn past Ag yn fwy na'r un mewn YBCO sy'n cael ei drosglwyddo'n raddol yn ôl i ddeunydd math-p. Yma rydym am bwysleisio bod gwrthdroad polaredd Voc ac Isc yn digwydd yn syth ar ôl y trawsnewidiad uwchddargludol gwrthiant sero, waeth beth fo achos y trawsnewidiad. Mae'r arsylwi hwn yn datgelu'n glir, am y tro cyntaf, y gydberthynas rhwng uwchddargludedd a'r effeithiau ffotofoltäig sy'n gysylltiedig â photensial y rhyngwyneb metel-uwchddargludydd. Mae natur y potensial hwn ar draws y rhyngwyneb uwchddargludydd-metel normal wedi bod yn ffocws ymchwil ers sawl degawd ond mae llawer o gwestiynau'n dal i aros i gael eu hateb. Gall mesur yr effaith ffotofoltäig fod yn ddull effeithiol ar gyfer archwilio manylion (megis ei gryfder a'i bolaredd ac ati) y potensial pwysig hwn ac felly taflu goleuni ar effaith agosrwydd uwchddargludol tymheredd uchel.
Mae cynnydd pellach mewn tymheredd o Tc0 i Tc yn arwain at grynodiad llai o barau Cooper a gwelliant ym mhotensial y rhyngwyneb ac o ganlyniad Voc mwy. Yn Tc mae crynodiad y pâr Cooper yn dod yn sero ac mae'r potensial adeiledig ar y rhyngwyneb yn cyrraedd uchafswm, gan arwain at Voc uchaf ac Isc lleiaf. Mae'r cynnydd cyflym mewn Voc ac Isc (gwerth absoliwt) yn yr ystod tymheredd hon yn cyfateb i'r trawsnewidiad uwchddargludol sy'n cael ei ehangu o ΔT ~ 3 K i ~34 K trwy arbelydru laser o ddwyster 502 mW/cm2 (Ffig. 3b). Yn y cyflyrau arferol uwchlaw Tc, mae'r foltedd cylched agored Voc yn lleihau gyda thymheredd (brig Ffig. 3b), yn debyg i ymddygiad llinol Voc ar gyfer celloedd solar arferol yn seiliedig ar gyffyrdd pn31,32,33. Er bod cyfradd newid Voc gyda thymheredd (−dVoc/dT), sy'n dibynnu'n gryf ar ddwyster laser, yn llawer llai na chyfradd newid celloedd solar arferol, mae gan gyfernod tymheredd Voc ar gyfer cyffordd YBCO-Ag yr un drefn maint â chyfernod y celloedd solar. Mae cerrynt gollyngiad cyffordd pn ar gyfer dyfais celloedd solar arferol yn cynyddu gyda chynnydd mewn tymheredd, gan arwain at ostyngiad yn Voc wrth i'r tymheredd gynyddu. Mae'r cromliniau IV llinol a welwyd ar gyfer y system Ag-uwchddargludydd hon, oherwydd yn gyntaf y potensial rhyngwyneb bach iawn ac yn ail y cysylltiad cefn wrth gefn rhwng y ddau hetero-gyffordd, yn ei gwneud hi'n anodd pennu'r cerrynt gollyngiad. Serch hynny, mae'n ymddangos yn debygol iawn mai'r un ddibyniaeth tymheredd ar gerrynt gollyngiad sy'n gyfrifol am ymddygiad Voc a welwyd yn ein harbrawf. Yn ôl y diffiniad, Isc yw'r cerrynt sydd ei angen i gynhyrchu foltedd negatif i wneud iawn am Voc fel bod y foltedd cyfan yn sero. Wrth i'r tymheredd gynyddu, mae Voc yn mynd yn llai fel bod angen llai o gerrynt i gynhyrchu'r foltedd negatif. Ar ben hynny, mae gwrthiant YBCO yn cynyddu'n llinol gyda thymheredd uwchlaw Tc (gwaelod Ffig. 3b), sydd hefyd yn cyfrannu at y gwerth absoliwt llai o Isc ar dymheredd uchel.
Sylwch fod y canlyniadau a roddir yn Ffigau 2, 3 wedi'u cael trwy arbelydru â laser yn yr ardal o amgylch electrodau'r catod. Ailadroddwyd mesuriadau hefyd gyda man laser wedi'i osod ar yr anod ac mae nodweddion IV a phriodweddau ffotofoltäig tebyg wedi'u harsylwi ac eithrio bod polaredd Voc ac Isc wedi'i wrthdroi yn yr achos hwn. Mae'r holl ddata hyn yn arwain at fecanwaith ar gyfer yr effaith ffotofoltäig, sy'n gysylltiedig yn agos â'r rhyngwyneb uwchddargludydd-metel.
I grynhoi, mae nodweddion IV system past YBCO-Ag uwchddargludol wedi'i arbelydru â laser wedi'u mesur fel swyddogaethau tymheredd a dwyster laser. Mae effaith ffotofoltäig nodedig wedi'i harsylwi yn yr ystod tymheredd o 50 i 300 K. Canfuwyd bod y priodweddau ffotofoltäig yn cydberthyn yn gryf ag uwchddargludedd cerameg YBCO. Mae gwrthdroad polaredd Voc ac Isc yn digwydd yn syth ar ôl y trawsnewidiad o uwchddargludol a achosir gan ffoto i anuwchddargludol. Mae dibyniaeth tymheredd Voc ac Isc a fesurir ar ddwyster laser sefydlog hefyd yn dangos gwrthdroad polaredd amlwg ar dymheredd critigol y mae'r sampl yn dod yn wrthiannol uwchlaw'r tymheredd hwnnw. Trwy leoli'r smotyn laser i ran wahanol o'r sampl, rydym yn dangos bod potensial trydanol yn bodoli ar draws y rhyngwyneb, sy'n darparu'r grym gwahanu ar gyfer y parau electron-twll a achosir gan ffoto. Mae'r potensial rhyngwyneb hwn yn cyfeirio o YBCO i'r electrod metel pan fydd YBCO yn uwchddargludol ac yn newid i'r cyfeiriad arall pan fydd y sampl yn dod yn anuwchddargludol. Gall tarddiad y potensial fod yn gysylltiedig yn naturiol â'r effaith agosrwydd ar y rhyngwyneb metel-uwchddargludydd pan fydd YBCO yn uwchddargludol ac amcangyfrifir ei fod yn ~10−8 mV ar 50 K gyda dwyster laser o 502 mW/cm2. Mae cyswllt deunydd math-p YBCO mewn cyflwr arferol â deunydd math-n Mae past Ag yn ffurfio cyffordd cwasi-pn sy'n gyfrifol am ymddygiad ffotofoltäig cerameg YBCO ar dymheredd uchel. Mae'r arsylwadau uchod yn taflu goleuni ar yr effaith PV mewn cerameg YBCO uwchddargludol tymheredd uchel ac yn paratoi'r ffordd i gymwysiadau newydd mewn dyfeisiau optoelectroneg megis synhwyrydd golau goddefol cyflym a synhwyrydd ffoton sengl.
Perfformiwyd yr arbrofion effaith ffotofoltäig ar sampl ceramig YBCO o drwch 0.52 mm a siâp petryalog 8.64 × 2.26 mm2 ac wedi'i oleuo gan laser glas tonnau parhaus (λ = 450 nm) gyda maint smotyn laser o 1.25 mm mewn radiws. Mae defnyddio sampl swmp yn hytrach na sampl ffilm denau yn ein galluogi i astudio priodweddau ffotofoltäig yr uwchddargludydd heb orfod delio â dylanwad cymhleth y swbstrad6,7. Ar ben hynny, gallai'r deunydd swmp fod yn ffafriol oherwydd ei weithdrefn baratoi syml a'i gost gymharol isel. Mae'r gwifrau plwm copr wedi'u cydlynnu ar y sampl YBCO gyda phast arian gan ffurfio pedwar electrod crwn tua 1 mm mewn diamedr. Mae'r pellter rhwng y ddau electrod foltedd tua 5 mm. Mesurwyd nodweddion IV y sampl gan ddefnyddio'r magnetomedr sampl dirgryniad (VersaLab, Quantum Design) gyda ffenestr grisial cwarts. Defnyddiwyd y dull pedair gwifren safonol i gael y cromliniau IV. Dangosir safleoedd cymharol yr electrodau a'r smotyn laser yn Ffig. 1i.
Sut i ddyfynnu'r erthygl hon: Yang, F. et al. Tarddiad effaith ffotofoltäig mewn cerameg uwchddargludol YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG a Testardi, LR Folteddau a achosir gan laser sydd wedi'u gwahardd o ran cymesuredd yn YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP a Dong, SY Tarddiad y signal ffotofoltäig annormal yn Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR a Wang, GW Mesur folteddau a achosir gan laser o Bi-Sr-Ca-Cu-O uwchddargludol. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Folteddau dros dro a achosir gan laser mewn ffilmiau tymheredd ystafell o YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS a Zheng, JP Ymateb ffotofoltäig anomalaidd yn YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. a Hiroi, Z. Chwistrelliad cludwr twll a gynhyrchwyd gan ffoto i YBa2Cu3O7−x mewn heterostrwythur ocsid. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Astudiaeth ffotoemisiwn ffilmiau tenau YBa2Cu3Oy o dan oleuadau golau. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Effaith ffotofoltäig heterogyffordd YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb wedi'i anelio mewn gwahanol bwysau rhannol ocsigen. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA ac eraill. Strwythur Dau-Fwlch mewn crisialau sengl Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. a Mihailovic, D. Dynameg ymlacio cwasi-ronynnau mewn uwchddargludyddion â strwythurau bylchau gwahanol: Damcaniaeth ac arbrofion ar YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ a Shen, BG Priodweddau unioni'r hetero-gyffordd YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL a Tanner, DB Amsugniad ysgytonig ac uwchddargludedd yn YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ a Stucky, G. Dargludedd ffoto-anghymhellol dros dro mewn crisialau sengl lled-ddargludol o YBa2Cu3O6.3: chwilio am gyflwr metelaidd ffoto-anghymhellol ac am uwchddargludedd ffoto-anghymhellol. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Model twnelu o effaith agosrwydd uwchddargludol. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Effaith agosrwydd uwchddargludol wedi'i phrofi ar raddfa hyd mesosgopig. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. a Manske, D. Effaith agosrwydd gydag uwchddargludyddion anghanol-gymesur. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Effaith agosrwydd uwchddargludol cryf mewn strwythurau hybrid Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS a Pearson, GL Ffotogell gyffordd pn silicon newydd ar gyfer trosi ymbelydredd solar yn bŵer trydanol. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Effeithiau amhuredd ar hyd cydlyniant uwchddargludol mewn crisialau sengl YBa2Cu3O6.9 wedi'u dopio â Zn neu Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. a Segawa, K. Gwrthiant magnetig crisialau sengl YBa2Cu3Oy heb eu gefeillio mewn ystod eang o ddopio: dibyniaeth annormal ar ddopio twll o hyd y cydlyniant. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD a Cooper, JR Systemateg ym mhŵer thermoelectrig ocsidau T uchel. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Symudiad momentwm sy'n ddibynnol ar ddwysedd cludwr y brig cydlynol a'r modd ffonon LO mewn uwchddargludyddion Tc uchel math-p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Lleihau tyllau a chronni electronau mewn ffilmiau tenau YBa2Cu3Oy gan ddefnyddio techneg electrogemegol: Tystiolaeth o gyflwr metelaidd math-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Ffiseg a chemeg uchder rhwystr Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. a Langenberg, DN Effeithiau Torri Pâr Allanol Dynamig mewn Ffilmiau Uwchddargludol. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Gwella uwchddargludedd a achosir gan ffoto. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Ffotoddargludedd parhaus mewn ffilmiau YBa2Cu3O6+x fel dull o ffotodopio tuag at gamau metelaidd ac uwchddargludol. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Dynameg dellt anlinellol fel sail ar gyfer uwchddargludedd gwell yn YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Uwchddargludedd a achosir gan olau mewn cwprad wedi'i drefnu'n streipen. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK ac Al-Nuaim, IA Dibyniaeth swyddogaethol tymheredd VOC ar gyfer cell solar mewn perthynas â'i heffeithlonrwydd dull newydd. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM ac Anderson, WA Effeithiau tymheredd mewn celloedd solar silicon rhwystr Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. a Tuladhar, SM Dibyniaeth tymheredd ar gyfer paramedrau dyfais ffotofoltäig celloedd solar polymer-ffwleren o dan amodau gweithredu. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Mae'r gwaith hwn wedi cael cefnogaeth Sefydliad Gwyddor Naturiol Cenedlaethol Tsieina (Grant Rhif 60571063), a Phrosiectau Ymchwil Sylfaenol Talaith Henan, Tsieina (Grant Rhif 122300410231).
Ysgrifennodd FY destun y papur a pharatoodd MYH y sampl serameg YBCO. Cynhaliodd FY a MYH yr arbrawf a dadansoddodd y canlyniadau. Arweiniodd FGC y prosiect a'r dehongliad gwyddonol o'r data. Adolygodd yr holl awduron y llawysgrif.
Mae'r gwaith hwn wedi'i drwyddedu o dan Drwydded Ryngwladol Creative Commons Attribution 4.0. Mae'r delweddau neu ddeunydd trydydd parti arall yn yr erthygl hon wedi'u cynnwys yn nhrwydded Creative Commons yr erthygl, oni nodir yn wahanol yn y llinell gredyd; os nad yw'r deunydd wedi'i gynnwys o dan y drwydded Creative Commons, bydd angen i ddefnyddwyr gael caniatâd gan ddeiliad y drwydded i atgynhyrchu'r deunydd. I weld copi o'r drwydded hon, ewch i http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. a Chang, F. Tarddiad effaith ffotofoltäig mewn cerameg uwchddargludol YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Drwy gyflwyno sylw rydych chi'n cytuno i gydymffurfio â'n Telerau a'n Canllawiau Cymunedol. Os byddwch chi'n dod o hyd i rywbeth camdriniol neu nad yw'n cydymffurfio â'n telerau neu ganllawiau, nodwch ef fel un amhriodol.
Amser postio: 22 Ebrill 2020