Fotogalvaanilise efekti päritolu ülijuhtivas YBa2Cu3O6.96 keraamikas

Täname teid nature.com külastamise eest. Teie brauseriversioon toetab CSS-i piiratud ulatuses. Parima kogemuse saamiseks soovitame teil kasutada uuemat brauserit (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja). Seni kuvame saiti jätkuva toe tagamiseks ilma stiilide ja JavaScriptita.

Me kirjeldame märkimisväärset fotogalvaanilist efekti YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keraamikas temperatuurivahemikus 50–300 K, mille indutseeris sinise laservalgustus ning mis on otseselt seotud YBCO ülijuhtivusega ja YBCO-metallelektroodi liidesega. Kui YBCO läheb ülijuhtivast olekust takistuslikku olekusse, toimub avatud ahela pinge Voc ja lühisvoolu Isc polaarsuse pöördumine. Me näitame, et ülijuhi ja normaalse metalli liidesel on elektriline potentsiaal, mis tagab fotoindutseeritud elektron-auk paaride eraldusjõu. See liidese potentsiaal suunab YBCO-lt metallelektroodile, kui YBCO on ülijuhtiv, ja lülitub vastassuunas, kui YBCO muutub mitteülijuhtivaks. Potentsiaali päritolu võib hõlpsasti seostada lähedusefektiga metalli ja ülijuhi liidesel, kui YBCO on ülijuhtiv, ja selle väärtus on hinnanguliselt ~10–8 mV temperatuuril 50 K ja laseri intensiivsusega 502 mW/cm2. Normaalseisundis oleva p-tüüpi materjali YBCO ja n-tüüpi materjali Ag-pasta kombinatsioon moodustab kvaasi-pn-siirde, mis vastutab YBCO keraamika fotogalvaanilise käitumise eest kõrgetel temperatuuridel. Meie leiud võivad sillutada teed footonelektrooniliste seadmete uutele rakendustele ja heita lisavalgust lähedusefektile ülijuhi ja metalli vahelisel piiril.

Fotoindutseeritud pinget kõrgtemperatuursetes ülijuhtides on kirjeldatud 1990. aastate alguses ja sellest ajast alates on seda põhjalikult uuritud, kuid selle olemus ja mehhanism on jäänud ebaselgeks1,2,3,4,5. Eriti intensiivselt uuritakse YBa2Cu3O7-δ (YBCO) õhukesi kilesid6,7,8 fotogalvaaniliste (PV) elementide kujul tänu nende reguleeritavale energiavahele9,10,11,12,13. Substraadi kõrge takistus viib aga alati seadme madala muundamise efektiivsuseni ja varjab YBCO8 peamisi PV omadusi. Siin kirjeldame tähelepanuväärset fotogalvaanilist efekti, mille indutseerib sinise laseriga (λ = 450 nm) valgustus YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keraamikas temperatuurivahemikus 50 kuni 300 K (Tc ~ 90 K). Näitame, et PV efekt on otseselt seotud YBCO ülijuhtivuse ja YBCO-metallilise elektroodi liidese olemusega. Kui YBCO läheb ülijuhtivast faasist takistuslikku olekusse, toimub avatud ahela pinge Voc ja lühisvoolu Isc polaarsuse pöördumine. On oletatud, et ülijuhi ja normaalse metalli vahelisel pinnal on elektriline potentsiaal, mis tagab fotoindutseeritud elektron-auk paaridele eraldusjõu. See liidese potentsiaal suundub YBCO-lt metallelektroodile, kui YBCO on ülijuhtiv, ja lülitub vastassuunas, kui proov muutub mitteülijuhtivaks. Potentsiaali päritolu võib olla loomulikult seotud lähedusefektiga14,15,16,17 metalli ja ülijuhi vahelisel pinnal, kui YBCO on ülijuhtiv, ja selle väärtus on hinnanguliselt ~10−8 mV temperatuuril 50 K ja laseri intensiivsusega 502 mW/cm2. P-tüüpi materjali YBCO kombinatsioon normaalses olekus n-tüüpi materjali Ag-pastaga moodustab tõenäoliselt kvaasi-pn-siirde, mis vastutab YBCO keraamika PV käitumise eest kõrgetel temperatuuridel. Meie tähelepanekud heidavad täiendavat valgust PV-efekti päritolule kõrgtemperatuuril töötavas ülijuhtivas YBCO-keraamikas ja sillutavad teed selle rakendamiseks optoelektroonikaseadmetes, näiteks kiires passiivses valgusdetektoris jne.

Joonis 1a–c näitab YBCO keraamilise proovi IV karakteristikuid temperatuuril 50 K. Ilma valgustamiseta jääb proovi pinge muutuva voolutugevuse korral nulliks, nagu on ülijuhtiva materjali puhul oodata. Ilmne fotogalvaaniline efekt ilmneb siis, kui laserkiir on suunatud katoodile (joonis 1a): I-teljega paralleelsed IV kõverad liiguvad laseri intensiivsuse suurenedes allapoole. On ilmne, et isegi ilma vooluta on olemas negatiivne fotoindutseeritud pinge (sageli nimetatakse seda avatud ahela pingeks Voc). IV kõvera nullkalle näitab, et proov on laservalgustamise all endiselt ülijuhtiv.

(a–c) ja 300 K (e–g). V(I) väärtused saadi voolu liigutamisel vaakumis vahemikus −10 mA kuni +10 mA. Selguse huvides on esitatud ainult osa eksperimentaalsetest andmetest. a, YBCO voolu-pinge karakteristikud, mõõdetuna katoodile (i) suunatud lasertäpiga. Kõik IV kõverad on horisontaalsed sirged, mis näitavad, et proov on laserkiirguse korral endiselt ülijuhtiv. Kõver liigub laseri intensiivsuse suurenedes allapoole, mis näitab, et kahe pingejuhtme vahel on negatiivne potentsiaal (Voc) isegi nullvoolu korral. IV kõverad jäävad samaks, kui laser on suunatud proovi keskele temperatuuril 50 K (b) või 300 K (f). Horisontaaljoon liigub anoodi valgustamisel ülespoole (c). Joonisel d on näidatud metalli ja ülijuhi vahelise ühenduskoha skemaatiline mudel temperatuuril 50 K. Joonistel e ja g on esitatud vastavalt YBCO normaaloleku voolu-pinge karakteristikud temperatuuril 300 K, mõõdetuna katoodile ja anoodile suunatud laserkiirega. Erinevalt 50 K juures saadud tulemustest näitab sirgete nullist erinev kalle, et YBCO on normaalses olekus; Voc väärtused varieeruvad valguse intensiivsusega vastassuunas, mis viitab erinevale laengu eraldumise mehhanismile. Võimalikku piirstruktuuri temperatuuril 300 K on kujutatud joonisel hj. Proovi tegelik pilt koos juhtmetega.

Hapnikurikas YBCO ülijuhtivas olekus suudab oma väga väikese energiavahe (Eg) tõttu neelata peaaegu kogu päikesevalguse spektri, luues seeläbi elektron-auk paare (e–h). Avatud vooluringi pinge Voc tekitamiseks footonite neeldumise teel on vaja fotode poolt genereeritud eh paarid enne rekombinatsiooni toimumist ruumiliselt eraldada18. Negatiivne Voc katoodi ja anoodi suhtes, nagu on näidatud joonisel 1i, viitab sellele, et metalli ja ülijuhi vahelisel pinnal on elektriline potentsiaal, mis suunab elektronid anoodile ja augud katoodile. Sellisel juhul peaks olema ka potentsiaal, mis on suunatud ülijuhist anoodi juures olevale metallelektroodile. Järelikult saadakse positiivne Voc, kui anoodi lähedal asuv prooviala on valgustatud. Lisaks ei tohiks tekkida fotoindutseeritud pingeid, kui laserlaik on suunatud elektroodidest kaugel asuvatele aladele. See on kindlasti nii, nagu on näha jooniselt 1b, c!.

Kui valguslaik liigub katoodelektroodilt proovi keskele (umbes 1,25 mm kaugusel liidespindadest), ei ole laseri intensiivsuse suurenedes maksimaalse võimaliku väärtuseni täheldatud IV kõverate muutusi ega Voc-d (joonis 1b). Loomulikult võib seda tulemust seostada fotoindutseeritud laengukandjate piiratud elueaga ja proovi eraldusjõu puudumisega. Elektron-augu paarid võivad tekkida alati, kui proovi valgustatakse, kuid enamik e-h paare annihileerub ja fotogalvaanilist efekti ei täheldata, kui laserlaik langeb elektroodidest kaugele. Laserlaiku liigutamisel anoodielektroodidele liiguvad I-teljega paralleelsed IV kõverad laseri intensiivsuse suurenedes ülespoole (joonis 1c). Sarnane sisseehitatud elektriväli eksisteerib ka metalli-ülijuhi ühenduskohas anoodil. Seekord ühendub metallielektrood aga testsüsteemi positiivse juhtmega. Laseri tekitatud augud lükatakse anoodi juhtme poole ja seega täheldatakse positiivset Voc-d. Siin esitatud tulemused annavad tugevaid tõendeid selle kohta, et ülijuhilt metallielektroodile suunatud liidespotentsiaal on tõepoolest olemas.

Fotogalvaaniline efekt YBa2Cu3O6.96 keraamikas temperatuuril 300 K on näidatud joonisel 1e–g. Ilma valgusallikata on proovi IV kõver sirge, mis läbib alguspunkti. See sirge liigub ülespoole paralleelselt algse joonega, kui katoodi väljaviikudele kiirgava laseri intensiivsus suureneb (joonis 1e). Fotogalvaanilise seadme puhul on kaks huvipakkuvat piirjuhtu. Lühise seisund tekib siis, kui V = 0. Sellisel juhul nimetatakse voolu lühisvooluks (Isc). Teine piirjuhtum on avatud ahela seisund (Voc), mis tekib siis, kui R→∞ või voolutugevus on null. Joonis 1e näitab selgelt, et Voc on positiivne ja suureneb valgustugevuse suurenemisega, erinevalt 50 K juures saadud tulemusest; samas kui negatiivse Isc suurusjärk suureneb valgusallika mõjul, mis on tavaliste päikesepatareide tüüpiline käitumine.

Samamoodi, kui laserkiir on suunatud elektroodidest kaugel asuvatele aladele, on V(I) kõver laseri intensiivsusest sõltumatu ja fotogalvaanilist efekti ei ilmne (joonis 1f). Sarnaselt 50 K juures tehtud mõõtmisele liiguvad IV kõverad anoodelektroodi kiiritamisel vastassuunas (joonis 1g). Kõik need YBCO-Ag pastasüsteemi tulemused temperatuuril 300 K, kus laseriga kiiritati proovi erinevaid kohti, on kooskõlas piirpinna potentsiaaliga, mis on vastupidine 50 K juures täheldatule.

Enamik elektrone kondenseerub ülijuhtivas YBCO-s Cooperi paarideks alla selle üleminekutemperatuuri Tc. Metallelektroodis jäävad kõik elektronid singulaarsesse vormi. Metalli ja ülijuhi liidese läheduses on nii singulaarsete elektronide kui ka Cooperi paaride jaoks suur tihedusgradient. Metallilises materjalis difundeeruvad enamuslaengukandjatega singulaarsed elektronid ülijuhi piirkonda, samas kui YBCO piirkonnas difundeeruvad enamuslaengukandjatega Cooperi paarid metalli piirkonda. Kuna Cooperi paarid kannavad rohkem laenguid ja on liikuvamad kui singulaarsed elektronid, difundeeruvad YBCO-st metalli piirkonda, jäävad maha positiivselt laetud aatomid, mille tulemuseks on elektriväli ruumlaengu piirkonnas. Selle elektrivälja suund on näidatud skemaatilisel diagrammil joonisel 1d. Ruumlaengu piirkonna lähedal langev footonvalgustus võib luua eh-paare, mis eralduvad ja pühitakse minema, tekitades vastupidise nihkega fotovoolu. Niipea kui elektronid sisseehitatud elektriväljast väljuvad, kondenseeruvad nad paarideks ja voolavad takistuseta teisele elektroodile. Sellisel juhul on Voc vastupidine etteantud polaarsusele ja näitab negatiivset väärtust, kui laserkiir osutab negatiivse elektroodi ümbritsevale alale. Voc väärtuse põhjal saab hinnata liidese potentsiaali: kahe pingejuhtme vaheline kaugus d on ~5 × 10−3 m, metalli-ülijuhi liidese paksus di peaks olema samas suurusjärgus kui YBCO ülijuhi koherentsuspikkus (~1 nm)19,20, Voc väärtuseks võetakse 0,03 mV, potentsiaal Vms metalli-ülijuhi liidesel on hinnanguliselt ~10−11 V temperatuuril 50 K ja laseri intensiivsusega 502 mW/cm2, kasutades võrrandit,

Siinkohal tahame rõhutada, et fotoindutseeritud pinget ei saa seletada fototermilise efektiga. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et ülijuhi YBCO Seebecki koefitsient on Ss = 021. Vasktraatide Seebecki koefitsient on vahemikus SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Vasktraadi temperatuuri laserkiire punktis saab tõsta veidi, 0,06 K võrra, maksimaalse laseri intensiivsusega temperatuuril 50 K. See võib tekitada termoelektrilise potentsiaali 6,9 × 10−8 V, mis on kolm suurusjärku väiksem kui joonisel 1 (a) saadud Voc. On ilmne, et termoelektriline efekt on eksperimentaalsete tulemuste selgitamiseks liiga väike. Tegelikult kaoks laserkiirgusest tingitud temperatuurimuutus vähem kui ühe minutiga, nii et termilise efekti panust saab ohutult ignoreerida.

See YBCO fotogalvaaniline efekt toatemperatuuril näitab, et siin on tegemist erineva laengu eraldumise mehhanismiga. Tavapärases olekus on ülijuhtiv YBCO p-tüüpi materjal, mille laengukandjateks on augud22,23, samas kui metallilisel Ag-pastal on n-tüüpi materjali omadused. Sarnaselt pn-siirdetele moodustavad elektronide difusioon hõbepastas ja augud YBCO keraamikas sisemise elektrivälja, mis on suunatud YBCO keraamikale liidesel (joonis 1h). Just see sisemine väli annab eraldusjõu ja viib YBCO-Ag pasta süsteemi positiivse Voc ja negatiivse Isc-ni toatemperatuuril, nagu on näidatud joonisel 1e. Teise võimalusena võib Ag-YBCO moodustada p-tüüpi Schottky ülemineku, mis viib samuti sama polaarsusega liidese potentsiaalini nagu ülaltoodud mudelis24.

YBCO ülijuhtivuse ülemineku ajal toimuva fotogalvaaniliste omaduste detailse evolutsiooniprotsessi uurimiseks mõõdeti proovi IV kõveraid temperatuuril 80 K, kasutades valitud laserintensiivsusi, mis valgustavad katoodelektroodi (joonis 2). Ilma laserkiirguseta püsib proovi pinge nullil olenemata voolutugevusest, mis näitab proovi ülijuhtivat olekut temperatuuril 80 K (joonis 2a). Sarnaselt temperatuuril 50 K saadud andmetega liiguvad I-teljega paralleelsed IV kõverad laserintensiivsuse suurenemisega allapoole, kuni saavutatakse kriitiline väärtus Pc. Sellest kriitilisest laserintensiivsusest (Pc) kõrgemal läbib ülijuht ülijuhtivast faasist takistuslikku faasi; pinge hakkab voolu suurenemisega suurenema tänu ülijuhi takistuse ilmnemisele. Selle tulemusena hakkab IV kõver lõikuma I-telje ja V-teljega, mis viib alguses negatiivse Voc ja positiivse Isc-ni. Nüüd näib proov olevat erilises olekus, kus Voc ja Isc polaarsus on valguse intensiivsuse suhtes äärmiselt tundlik; Väga väikese valgustugevuse suurenemisega muundatakse Isc positiivsest negatiivseks ja Voc negatiivsest positiivseks, möödudes alguspunktist (fotogalvaaniliste omaduste, eriti Isc väärtuse kõrge tundlikkus valguse suhtes on selgemini näha joonisel 2b). Suurima saadaoleva laserintensiivsuse korral on IV kõverad üksteisega paralleelsed, mis näitab YBCO proovi normaalset olekut.

Laserkiirguse keskpunkt paikneb katoodelektroodide ümber (vt joonis 1i). a, erineva laserintensiivsusega kiiritatud YBCO IV kõverad. b (üleval), laserintensiivsuse sõltuvus avatud ahela pingest Voc ja lühisvoolust Isc. Isc väärtusi ei ole võimalik saada madala valgustugevuse (< 110 mW/cm2) korral, kuna IV kõverad on ülijuhtivas olekus paralleelsed I-teljega. b (all), diferentsiaaltakistus laserintensiivsuse funktsioonina.

Laseri intensiivsuse sõltuvus Voc ja Isc väärtustest temperatuuril 80 K on näidatud joonisel 2b (üleval). Fotogalvaanilisi omadusi saab käsitleda kolmes valgustugevuse piirkonnas. Esimene piirkond on vahemikus 0 kuni Pc, kus YBCO on ülijuhtiv, Voc on negatiivne ja väheneb (absoluutväärtus suureneb) koos valgustugevusega ning saavutab miinimumi Pc juures. Teine piirkond on Pc-st kuni teise kriitilise intensiivsuseni P0, kus Voc suureneb, samas kui Isc väheneb koos valgustugevuse suurenemisega ja mõlemad saavutavad nulli P0 juures. Kolmas piirkond on üle P0, kuni YBCO saavutab normaalse oleku. Kuigi nii Voc kui ka Isc varieeruvad valgustugevusega samamoodi nagu piirkonnas 2, on neil kriitilisest intensiivsusest P0 kõrgemal vastupidine polaarsus. P0 tähtsus seisneb selles, et fotogalvaanilist efekti ei esine ja laengu eraldumise mehhanism muutub selles konkreetses punktis kvalitatiivselt. YBCO proov muutub selles valgustugevuse vahemikus mitteülijuhtivaks, kuid normaalne olek on veel saavutamata.

On selge, et süsteemi fotogalvaanilised omadused on tihedalt seotud YBCO ülijuhtivuse ja selle ülijuhtivuse üleminekuga. YBCO diferentsiaaltakistus dV/dI on näidatud joonisel 2b (all) laseri intensiivsuse funktsioonina. Nagu varem mainitud, tekib liideses Cooperi paari difusioonipunktide tõttu elektriline potentsiaal ülijuhilt metallile. Sarnaselt 50 K juures täheldatule suureneb fotogalvaaniline efekt laseri intensiivsuse suurenemisega 0-lt Pc-le. Kui laseri intensiivsus jõuab väärtuseni, mis on veidi üle Pc, hakkab IV kõver kalduma ja proovi takistus hakkab ilmnema, kuid liidese potentsiaali polaarsus ei muutu veel. Optilise ergastuse mõju ülijuhtivusele on uuritud nähtavas ehk infrapuna-lähedases piirkonnas. Kuigi põhiprotsess on Cooperi paaride lõhkumine ja ülijuhtivuse hävitamine25,26, saab mõnel juhul ülijuhtivuse üleminekut suurendada27,28,29 ja isegi ülijuhtivuse uusi faase esile kutsuda30. Ülijuhtivuse puudumist Pc juures võib seostada fotoindutseeritud paari purunemisega. Punktis P0 muutub potentsiaal üle liidese nulliks, mis näitab, et laengutihedus liidese mõlemal poolel saavutab selle konkreetse valgustugevuse korral sama taseme. Laseri intensiivsuse edasine suurendamine põhjustab rohkemate Cooperi paaride hävimist ja YBCO muutub järk-järgult tagasi p-tüüpi materjaliks. Elektronide ja Cooperi paaride difusiooni asemel määrab liidese omadused nüüd elektronide ja aukude difusioon, mis viib elektrivälja polaarsuse pöördumiseni liideses ja sellest tulenevalt positiivse Voc-ni (vrd joonis 1d, h). Väga suure laseri intensiivsuse korral küllastub YBCO diferentsiaaltakistus väärtuseni, mis vastab normaalolekule, ja nii Voc kui ka Isc kipuvad laseri intensiivsusega lineaarselt muutuma (joonis 2b). See tähelepanek näitab, et laserkiirgus normaalolekus YBCO-l ei muuda enam selle takistust ja ülijuhi-metalli liidese omadusi, vaid suurendab ainult elektron-auk paaride kontsentratsiooni.

Temperatuuri mõju uurimiseks fotogalvaanilistele omadustele kiiritati metall-ülijuhtsüsteemi katoodil sinise laseriga intensiivsusega 502 mW/cm2. Valitud temperatuuridel vahemikus 50 kuni 300 K saadud IV kõverad on esitatud joonisel 3a. Seejärel saab nendest IV kõveratest saada avatud ahela pinge Voc, lühisvoolu Isc ja diferentsiaaltakistuse ning need on näidatud joonisel 3b. Ilma valgusallikata mööduvad kõik erinevatel temperatuuridel mõõdetud IV kõverad ootuspäraselt alguspunktist (joonise 3a vaheleht). IV karakteristikud muutuvad temperatuuri tõustes drastiliselt, kui süsteemi valgustab suhteliselt tugev laserkiir (502 mW/cm2). Madalatel temperatuuridel on IV kõverad I-teljega paralleelsed sirgjooned, mille Voc väärtused on negatiivsed. See kõver liigub temperatuuri tõustes ülespoole ja muutub kriitilisel temperatuuril Tcp järk-järgult nullist erineva kaldega jooneks (joonis 3a (ülemine)). Näib, et kõik IV karakteristiku kõverad pöörlevad ümber punkti kolmandas kvadrandis. Voc suureneb negatiivsest väärtusest positiivseks, samas kui Isc väheneb positiivsest negatiivseks. YBCO algsest ülijuhtivuse üleminekutemperatuurist Tc kõrgemal muutub IV kõver temperatuuriga üsna erinevalt (joonis 3a all). Esiteks liigub IV kõverate pöörlemiskeskus esimesse kvadrandisse. Teiseks väheneb Voc pidevalt ja Isc suureneb temperatuuri tõustes (joonis 3b ülemine osa). Kolmandaks suureneb IV kõverate kalle lineaarselt temperatuuriga, mille tulemuseks on YBCO positiivne temperatuuri takistuskoefitsient (joonis 3b all).

YBCO-Ag pasta süsteemi fotogalvaaniliste omaduste sõltuvus temperatuurist 502 mW/cm2 laserkiirguse all.

Laserpunkti kese paikneb katoodelektroodide ümber (vt joonis 1i). a, IV kõverad, mis on saadud temperatuuridel 50 kuni 90 K (üleval) ja 100 kuni 300 K (all), temperatuuri sammuga vastavalt 5 K ja 20 K. Joonis a näitab IV karakteristikuid mitmel temperatuuril pimedas. Kõik kõverad läbivad alguspunkti. b, avatud ahela pinge Voc ja lühisvool Isc (üleval) ning YBCO diferentsiaaltakistus dV/dI (all) temperatuuri funktsioonina. Nulltakistuse ülijuhtivuse üleminekutemperatuuri Tcp ei ole antud, kuna see on Tc0-le liiga lähedal.

Jooniselt 3b on näha kolm kriitilist temperatuuri: Tcp, mille juures YBCO mittejuhtivaks muutub; Tc0, mille juures nii Voc kui ka Isc muutuvad nulliks; ja Tc on YBCO algne ülijuhtivuse üleminekutemperatuur ilma laserkiirguseta. Alla Tcp ~55 K on laseriga kiiritatud YBCO ülijuhtivas olekus, kus Cooperi paaride kontsentratsioon on suhteliselt kõrge. Laserkiirguse mõju seisneb nulltakistusega ülijuhtivuse üleminekutemperatuuri vähendamises 89 K-lt ~55 K-ni (joonise 3b allosas), vähendades lisaks fotogalvaanilise pinge ja voolu tekitamisele Cooperi paari kontsentratsiooni. Temperatuuri tõus lõhub ka Cooperi paare, mis viib madalama potentsiaalini liideses. Järelikult muutub Voc absoluutväärtus väiksemaks, isegi kui laserkiirguse intensiivsus on sama. Liidese potentsiaal muutub temperatuuri edasise tõusuga aina väiksemaks ja jõuab nullini Tc0 juures. Selles punktis fotogalvaanilist efekti ei esine, kuna puudub sisemine väli, mis eraldaks fotoindutseeritud elektron-auk paare. Sellest kriitilisest temperatuurist kõrgemal toimub potentsiaali polaarsuse pöördumine, kuna vaba laengu tihedus Ag-pastas on suurem kui YBCO-s, mis kandub järk-järgult tagasi p-tüüpi materjalile. Siinkohal tahame rõhutada, et Voc ja Isc polaarsuse pöördumine toimub kohe pärast nulltakistusega ülijuhtivuse üleminekut, olenemata ülemineku põhjusest. See tähelepanek näitab esmakordselt selgelt korrelatsiooni ülijuhtivuse ja metalli-ülijuhi liidese potentsiaaliga seotud fotogalvaaniliste efektide vahel. Selle potentsiaali olemus ülijuhi ja normaalse metalli liideses on olnud uurimistöö keskmes viimased aastakümned, kuid palju küsimusi ootab endiselt vastust. Fotogalvaanilise efekti mõõtmine võib osutuda tõhusaks meetodiks selle olulise potentsiaali üksikasjade (näiteks selle tugevuse ja polaarsuse jne) uurimiseks ja seega valgustada kõrge temperatuuriga ülijuhtivuse lähedusefekti.

Temperatuuri edasine tõus Tc0-lt Tc-le viib Cooperi paaride kontsentratsiooni vähenemiseni ja piirpinna potentsiaali suurenemiseni ning sellest tulenevalt ka suurema Voc-ni. Tc juures muutub Cooperi paari kontsentratsioon nulliks ja piirpinnal tekkiv potentsiaal saavutab maksimumi, mille tulemuseks on maksimaalne Voc ja minimaalne Isc. Voc ja Isc (absoluutväärtus) kiire tõus selles temperatuurivahemikus vastab ülijuhtivuse üleminekule, mis laieneb ΔT ~ 3 K-lt ~ 34 K-ni laserkiirguse abil intensiivsusega 502 mW/cm2 (joonis 3b). Tavapärases olekus üle Tc väheneb avatud ahela pinge Voc temperatuuriga (joonis 3b ülemine osa), sarnaselt Voc lineaarsele käitumisele tavaliste päikesepatareide puhul, mis põhinevad pn-siirdel31,32,33. Kuigi Voc muutumiskiirus temperatuuriga (−dVoc/dT), mis sõltub tugevalt laseri intensiivsusest, on palju väiksem kui tavalistel päikesepatareidel, on YBCO-Ag siirde Voc temperatuurikoefitsient samas suurusjärgus kui päikesepatareidel. Tavalise päikesepatarei pn-siirde lekkevool suureneb temperatuuri tõustes, mis viib Voc vähenemiseni temperatuuri tõustes. Selle Ag-ülijuhtsüsteemi puhul täheldatud lineaarsed IV kõverad, mis on tingitud esiteks väga väikesest piirpinna potentsiaalist ja teiseks kahe heterosiirde vastastikusest ühendusest, raskendavad lekkevoolu määramist. Sellest hoolimata tundub väga tõenäoline, et sama lekkevoolu temperatuurisõltuvus põhjustab meie katses täheldatud Voc käitumist. Definitsiooni kohaselt on Isc vool, mis on vajalik negatiivse pinge tekitamiseks, et kompenseerida Voc nii, et kogupinge oleks null. Temperatuuri tõustes muutub Voc väiksemaks, nii et negatiivse pinge tekitamiseks on vaja vähem voolu. Lisaks suureneb YBCO takistus lineaarselt temperatuuriga üle Tc (joonis 3b allosas), mis aitab samuti kaasa Isc väiksemale absoluutväärtusele kõrgetel temperatuuridel.

Pange tähele, et joonistel 2 ja 3 esitatud tulemused on saadud katoodelektroodide ümbruse laserkiirguse teel. Mõõtmisi on korratud ka anoodile paigutatud lasertäpiga ning on täheldatud sarnaseid IV karakteristikuid ja fotogalvaanilisi omadusi, välja arvatud see, et Voc ja Isc polaarsus on antud juhul vastupidine. Kõik need andmed viitavad fotogalvaanilise efekti mehhanismile, mis on tihedalt seotud ülijuhi ja metalli liidesega.

Kokkuvõttes on laseriga kiiritatud ülijuhtiva YBCO-Ag pasta süsteemi IV karakteristikuid mõõdetud temperatuuri ja laseri intensiivsuse funktsioonidena. Märkimisväärset fotogalvaanilist efekti on täheldatud temperatuurivahemikus 50 kuni 300 K. On leitud, et fotogalvaanilised omadused korreleeruvad tugevalt YBCO keraamika ülijuhtivusega. Voc ja Isc polaarsuse pöördumine toimub kohe pärast fotoindutseeritud ülijuhtivuse üleminekut mitte-ülijuhtivaks. Fikseeritud laseri intensiivsuse juures mõõdetud Voc ja Isc temperatuurisõltuvus näitab samuti selget polaarsuse pöördumist kriitilisel temperatuuril, mille ületamisel muutub proov takistuslikuks. Paigutades lasertäpi proovi erinevatesse osadesse, näitame, et üle liidese eksisteerib elektriline potentsiaal, mis tagab fotoindutseeritud elektron-auk paaride eraldusjõu. See liidese potentsiaal suundub YBCO-lt metallelektroodile, kui YBCO on ülijuhtiv, ja lülitub vastassuunas, kui proov muutub mitte-ülijuhtivaks. Potentsiaali päritolu võib olla loomulikult seotud metalli ja ülijuhi piiril esineva lähedusefektiga, kui YBCO on ülijuhtiv, ja see on hinnanguliselt ~10−8 mV temperatuuril 50 K laseri intensiivsusega 502 mW/cm2. Normaalseisundis p-tüüpi materjali YBCO kokkupuude n-tüüpi materjali Ag-pastaga moodustab kvaasi-pn-siirde, mis vastutab YBCO keraamika fotogalvaanilise käitumise eest kõrgetel temperatuuridel. Ülaltoodud tähelepanekud heidavad valgust PV efektile kõrgel temperatuuril ülijuhtivas YBCO keraamikas ja sillutavad teed uutele rakendustele optoelektroonikaseadmetes, nagu kiire passiivne valgusdetektor ja üksikfootoni detektor.

Fotogalvaanilise efekti katsed viidi läbi 0,52 mm paksuse ja 8,64 × 2,26 mm2 ristkülikukujulise YBCO keraamilise prooviga, mida valgustati pidevlaine sinise laseriga (λ = 450 nm) lasertäpi raadiusega 1,25 mm. Õhukese kile asemel puisteproovi kasutamine võimaldab meil uurida ülijuhi fotogalvaanilisi omadusi ilma substraadi keerulise mõjuga tegelemata6,7. Lisaks võib puistematerjal olla soodne oma lihtsa valmistusprotseduuri ja suhteliselt madala hinna tõttu. Vaskjuhtmed on YBCO proovil hõbepastaga ühendatud, moodustades neli umbes 1 mm läbimõõduga ümmargust elektroodi. Kahe pingeelektroodi vaheline kaugus on umbes 5 mm. Proovi IV karakteristikuid mõõdeti vibratsiooniproovi magnetomeetriga (VersaLab, Quantum Design) kvartskristallaknaga. IV kõverate saamiseks kasutati standardset neljajuhtmelist meetodit. Elektroodide ja lasertäpi suhteline asukoht on näidatud joonisel 1i.

Kuidas seda artiklit tsiteerida: Yang, F. jt. Fotogalvaanilise efekti päritolu ülijuhtivas YBa2Cu3O6.96 keraamikas. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG ja Testardi, LR. Sümmeetriakeelatud laserindutseeritud pinged YBa2Cu3O7-s. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP ja Dong, SY. Anomaalse fotogalvaanilise signaali päritolu Y-Ba-Cu-O-s. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR ja Wang, GW. Ülijuhtiva Bi-Sr-Ca-Cu-O laserindutseeritud pingete mõõtmine. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL jt. Laseriga indutseeritud transientsed pinged toatemperatuuril YBa2Cu3O7-x kiledes. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS ja Zheng, JP. Anomaalne fotogalvaaniline reaktsioon YBa2Cu3O7-s. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. ja Hiroi, Z. Fotogenereeritud auklaengukandjate injektsioon YBa2Cu3O7−x-sse oksiidheterostruktuuris. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. jt. YBa2Cu3Oy õhukeste kilede fotoemissiooni uuring valguse all. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. jt. Erineva hapniku osarõhu juures kuumutatud YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterosiirde fotogalvaaniline efekt. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA jt. Kahe piluga struktuur Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristallides. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. ja Mihailovic, D. Kvaasiosakeste relaksatsioonidünaamika erineva pilustruktuuriga ülijuhtides: teooria ja katsed YBa2Cu3O7-δ-ga. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ ja Shen, BG. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterosiirde alaldavad omadused. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL ja Tanner, DB. Eksitoonne neeldumine ja ülijuhtivus YBa2Cu3O7-δ ühendis. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ ja Stucky, G. YBa2Cu3O6.3 pooljuhtivates monokristallides esinev mööduv fotoindutseeritud juhtivus: fotoindutseeritud metallilise oleku ja fotoindutseeritud ülijuhtivuse otsingud. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL. Ülijuhtivuse lähedusefekti tunnelmudel. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. jt. Ülijuhtivuse lähedusefekti uurimine mesoskoopilisel pikkusskaalal. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. ja Manske, D. Lähedusmõju mittetsentrosümmeetriliste ülijuhtidega. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM jt. Tugev ülijuhtivuse lähedusefekt Pb-Bi2Te3 hübriidstruktuurides. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS ja Pearson, GL. Uus ränist pn-siirdega fotoelement päikesekiirguse elektrienergiaks muundamiseks. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Lisandite mõju ülijuhtivuse koherentsuspikkusele Zn- või Ni-legeeritud YBa2Cu3O6.9 monokristallides. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. ja Segawa, K. Mittetwinned YBa2Cu3Oy monokristallide magnetotakistus laias dopinguvahemikus: anomaalne augu dopingusõltuvus koherentsuse pikkusest. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD ja Cooper, JR. Süstemaatik kõrge temperatuuriga oksiidide termoelektrilisest võimsusest. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. jt. Laengukandjate tihedusest sõltuv koherentse piigi ja LO foononi moodi impulsi nihe p-tüüpi kõrge Tc-ga ülijuhtides. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. jt. Aukude vähendamine ja elektronide akumuleerumine YBa2Cu3Oy õhukestes kiledes elektrokeemilise tehnika abil: tõendid n-tüüpi metallilise oleku kohta. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT. Schottky barjääri kõrguse füüsika ja keemia. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. ja Langenberg, DN. Dünaamilise välise paari purunemise mõjud ülijuhtivates kiledes. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. jt. Fotoindutseeritud ülijuhtivuse võimendamine. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI jt. Püsiv fotojuhtivus YBa2Cu3O6+x-kiledes kui fotodopeerimise meetod metalliliste ja ülijuhtivate faaside suunas. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. jt. Mittelineaarne võre dünaamika kui alus suurenenud ülijuhtivusele YBa2Cu3O6.5-s. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. jt. Valgusest indutseeritud ülijuhtivus triibulises kupraadis. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK ja Al-Nuaim, IA. Päikesepatarei lenduvate orgaaniliste ühendite temperatuurifunktsionaalne sõltuvus efektiivsusest uue lähenemisviisi abil. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM ja Anderson, WA. Temperatuuri mõju Schottky barjääriga räni päikesepatareidele. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. ja Tuladhar, SM. Polümeer-fullereen päikesepatareide fotogalvaaniliste seadmete parameetrite temperatuurisõltuvus töötingimustes. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Seda tööd on toetanud Hiina Riiklik Loodusteaduste Fond (toetuse nr 60571063) ja Henani provintsi fundamentaaluuringute projektid Hiinas (toetuse nr 122300410231).

FY kirjutas artikli teksti ja MYH valmistas ette YBCO keraamilise proovi. FY ja MYH viisid läbi katse ja analüüsisid tulemusi. FGC juhtis projekti ja andmete teaduslikku tõlgendamist. Kõik autorid vaatasid käsikirja üle.

See teos on litsentseeritud Creative Commonsi Attribution 4.0 rahvusvahelise litsentsi alusel. Selles artiklis olevad pildid või muu kolmandate osapoolte materjal on lisatud artikli Creative Commonsi litsentsi alla, kui autoriõiguse reas ei ole märgitud teisiti; kui materjal ei ole Creative Commonsi litsentsi alla kuuluv, peavad kasutajad materjali reprodutseerimiseks hankima litsentsiomanikult loa. Selle litsentsi koopia vaatamiseks külastage veebilehte http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Yang, F., Han, M. ja Chang, F. Fotogalvaanilise efekti päritolu ülijuhtivas YBa2Cu3O6.96 keraamikas. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Kommentaari esitades nõustute järgima meie tingimusi ja kogukonna reegleid. Kui leiate midagi solvavat või mis ei vasta meie tingimuste või suunistele, märkige see sobimatuks.