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Nous rapportons un effet photovoltaïque remarquable dans la céramique YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 et 300 K induit par une illumination laser bleu, qui est directement lié à la supraconductivité de YBCO et à l'interface YBCO-électrode métallique. Il y a une inversion de polarité pour la tension à vide Voc et le courant de court-circuit Isc lorsque YBCO subit une transition de l'état supraconducteur à l'état résistif. Nous montrons qu'il existe un potentiel électrique à travers l'interface supraconducteur-métal normal, qui fournit la force de séparation pour les paires électron-trou photo-induites. Ce potentiel d'interface dirige de YBCO vers l'électrode métallique lorsque YBCO est supraconducteur et bascule dans la direction opposée lorsque YBCO devient non supraconducteur. L'origine du potentiel peut être facilement associée à l'effet de proximité à l'interface métal-supraconducteur lorsque YBCO est supraconducteur et sa valeur est estimée à ~10–8 mV à 50 K avec une intensité laser de 502 mW/cm². La combinaison d'un matériau YBCO de type p à l'état normal avec une pâte d'argent de type n forme une jonction quasi-pn responsable du comportement photovoltaïque des céramiques YBCO à haute température. Nos résultats pourraient ouvrir la voie à de nouvelles applications pour les dispositifs photoniques et apporter un éclairage supplémentaire sur l'effet de proximité à l'interface supraconducteur-métal.
Français La tension photo-induite dans les supraconducteurs à haute température a été signalée au début des années 1990 et largement étudiée depuis, mais sa nature et son mécanisme restent incertains1,2,3,4,5. Les films minces d'YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, en particulier, sont étudiés de manière intensive sous forme de cellule photovoltaïque (PV) en raison de leur bande interdite réglable9,10,11,12,13. Cependant, la résistance élevée du substrat conduit toujours à un faible rendement de conversion du dispositif et masque les propriétés PV primaires d'YBCO8. Nous rapportons ici un effet photovoltaïque remarquable induit par l'illumination d'un laser bleu (λ = 450 nm) dans la céramique YBa2Cu3O6,96 (YBCO) entre 50 et 300 K (Tc ~ 90 K). Nous montrons que l'effet PV est directement lié à la supraconductivité d'YBCO et à la nature de l'interface YBCO-électrode métallique. Français Il y a une inversion de polarité pour la tension en circuit ouvert Voc et le courant de court-circuit Isc lorsque YBCO subit une transition de la phase supraconductrice à un état résistif. Il est proposé qu'il existe un potentiel électrique à travers l'interface supraconducteur-métal normal, qui fournit la force de séparation pour les paires électron-trou photo-induites. Ce potentiel d'interface dirige de YBCO vers l'électrode métallique lorsque YBCO est supraconducteur et bascule dans la direction opposée lorsque l'échantillon devient non supraconducteur. L'origine du potentiel peut être naturellement associée à l'effet de proximité14,15,16,17 à l'interface métal-supraconducteur lorsque YBCO est supraconducteur et sa valeur est estimée à ~10−8 mV à 50 K avec une intensité laser de 502 mW/cm2. La combinaison d'un matériau de type p YBCO à l'état normal avec un matériau de type n Ag-pâte forme, très probablement, une jonction quasi-pn qui est responsable du comportement PV des céramiques YBCO à haute température. Nos observations apportent un éclairage supplémentaire sur l'origine de l'effet PV dans les céramiques YBCO supraconductrices à haute température et ouvrent la voie à son application dans les dispositifs optoélectroniques tels que les détecteurs de lumière passifs rapides, etc.
Les figures 1a–c montrent les caractéristiques IV d'un échantillon de céramique YBCO à 50 K. Sans éclairage lumineux, la tension aux bornes de l'échantillon reste nulle quel que soit le courant, comme on peut s'y attendre d'un matériau supraconducteur. Un effet photovoltaïque évident apparaît lorsque le faisceau laser est dirigé vers la cathode (Fig. 1a) : les courbes IV parallèles à l'axe I se déplacent vers le bas lorsque l'intensité du laser augmente. Il est évident qu'il existe une tension photo-induite négative même sans courant (souvent appelée tension à vide Voc). La pente nulle de la courbe IV indique que l'échantillon est toujours supraconducteur sous éclairage laser.
(a–c) et 300 K (e–g). Les valeurs de V(I) ont été obtenues en balayant le courant de −10 mA à +10 mA dans le vide. Seule une partie des données expérimentales est présentée par souci de clarté. a, Caractéristiques courant-tension de YBCO mesurées avec un spot laser positionné à la cathode (i). Toutes les courbes IV sont des lignes droites horizontales indiquant que l'échantillon est toujours supraconducteur avec l'irradiation laser. La courbe descend avec l'augmentation de l'intensité du laser, indiquant qu'il existe un potentiel négatif (Voc) entre les deux conducteurs de tension même avec un courant nul. Les courbes IV restent inchangées lorsque le laser est dirigé vers le centre de l'échantillon à 50 K (b) ou 300 K (f). La ligne horizontale monte lorsque l'anode est éclairée (c). Un modèle schématique de la jonction métal-supraconducteur à 50 K est présenté en d. Les caractéristiques courant-tension de l'YBCO à l'état normal à 300 K, mesurées avec un faisceau laser pointé sur la cathode et l'anode, sont données respectivement en e et g. Contrairement aux résultats à 50 K, une pente non nulle des droites indique que l'YBCO est à l'état normal ; les valeurs de Voc varient avec l'intensité lumineuse dans une direction opposée, indiquant un mécanisme de séparation de charge différent. Une structure d'interface possible à 300 K est représentée en hj. L'image réelle de l'échantillon avec les fils.
L'YBCO riche en oxygène à l'état supraconducteur peut absorber la quasi-totalité du spectre solaire grâce à sa très faible bande interdite (Eg)9,10, créant ainsi des paires électron-trou (e–h). Pour produire une tension en circuit ouvert Voc par absorption de photons, il est nécessaire de séparer spatialement les paires eh photogénérées avant que la recombinaison ne se produise18. La valeur négative de Voc, par rapport à la cathode et à l'anode, comme indiqué sur la figure 1i, suggère l'existence d'un potentiel électrique à l'interface métal-supraconducteur, qui balaie les électrons vers l'anode et les trous vers la cathode. Si tel est le cas, il devrait également exister un potentiel pointant du supraconducteur vers l'électrode métallique à l'anode. Par conséquent, une valeur positive de Voc serait obtenue si la zone de l'échantillon proche de l'anode était éclairée. De plus, il ne devrait pas y avoir de tensions photo-induites lorsque le spot laser est pointé vers des zones éloignées des électrodes. C'est certainement le cas, comme le montrent les figures 1b,c!.
Lorsque le spot lumineux se déplace de l'électrode cathodique vers le centre de l'échantillon (à environ 1,25 mm des interfaces), aucune variation des courbes IV ni aucune Voc ne sont observées lorsque l'intensité laser augmente jusqu'à la valeur maximale disponible (Fig. 1b). Naturellement, ce résultat peut être attribué à la durée de vie limitée des porteurs photo-induits et à l'absence de force de séparation dans l'échantillon. Des paires électron-trou peuvent être créées dès que l'échantillon est éclairé, mais la plupart des paires e–h seront annihilées et aucun effet photovoltaïque n'est observé si le spot laser tombe sur des zones éloignées des électrodes. En déplaçant le spot laser vers les électrodes anodiques, les courbes IV parallèles à l'axe I se déplacent vers le haut avec l'intensité laser croissante (Fig. 1c). Un champ électrique intégré similaire existe dans la jonction métal-supraconducteur à l'anode. Cependant, l'électrode métallique est cette fois connectée au pôle positif du système de test. Les trous produits par le laser sont repoussés vers le pôle de l'anode, ce qui entraîne une Voc positive. Les résultats présentés ici fournissent des preuves solides qu’il existe effectivement un potentiel d’interface pointant du supraconducteur vers l’électrode métallique.
L'effet photovoltaïque dans les céramiques YBa2Cu3O6.96 à 300 K est illustré aux figures 1e et 1g. Sans éclairage, la courbe IV de l'échantillon est une droite passant par l'origine. Cette droite se déplace vers le haut parallèlement à la droite d'origine avec l'augmentation de l'intensité laser irradiant les fils de cathode (figure 1e). Deux cas limites présentent un intérêt pour un dispositif photovoltaïque. La condition de court-circuit se produit lorsque V = 0. Le courant dans ce cas est appelé courant de court-circuit (Icc). Le deuxième cas limite est la condition de circuit ouvert (Voc) qui se produit lorsque R→∞ ou que le courant est nul. La figure 1e montre clairement que Voc est positif et augmente avec l'intensité lumineuse, contrairement au résultat obtenu à 50 K ; tandis qu'un Icc négatif augmente en amplitude avec l'éclairage, un comportement typique des cellules solaires normales.
De même, lorsque le faisceau laser est pointé sur des zones éloignées des électrodes, la courbe V(I) est indépendante de l'intensité laser et aucun effet photovoltaïque n'apparaît (Fig. 1f). Comme pour la mesure à 50 K, les courbes IV évoluent dans la direction opposée lorsque l'électrode anodique est irradiée (Fig. 1g). Tous ces résultats obtenus pour ce système de pâte YBCO-Ag à 300 K avec un laser irradié à différentes positions de l'échantillon sont cohérents avec un potentiel d'interface opposé à celui observé à 50 K.
La plupart des électrons se condensent en paires de Cooper dans le YBCO supraconducteur en dessous de sa température de transition Tc. Dans l'électrode métallique, tous les électrons restent singuliers. Il existe un important gradient de densité pour les électrons singuliers et les paires de Cooper à proximité de l'interface métal-supraconducteur. Les électrons singuliers porteurs majoritaires du matériau métallique diffusent dans la région supraconductrice, tandis que les paires de Cooper porteurs majoritaires de la région YBCO diffusent dans la région métallique. Comme les paires de Cooper portant plus de charges et ayant une plus grande mobilité que les électrons singuliers diffusent du YBCO vers la région métallique, des atomes chargés positivement sont laissés derrière, créant un champ électrique dans la région de charge d'espace. La direction de ce champ électrique est illustrée sur la figure 1d. L'illumination par des photons incidents à proximité de la région de charge d'espace peut créer des paires eh qui seront séparées et balayées, produisant un photocourant en polarisation inverse. Dès que les électrons sortent du champ électrique intégré, ils se condensent en paires et circulent vers l'autre électrode sans résistance. Dans ce cas, la valeur Voc est opposée à la polarité prédéfinie et affiche une valeur négative lorsque le faisceau laser pointe vers la zone entourant l'électrode négative. À partir de la valeur de Voc, le potentiel à l'interface peut être estimé : la distance entre les deux conducteurs de tension d est d'environ 5 × 10−3 m, l'épaisseur de l'interface métal-supraconducteur, di, doit être du même ordre de grandeur que la longueur de cohérence du supraconducteur YBCO (environ 1 nm)19,20, prendre une valeur de Voc = 0,03 mV, le potentiel Vms à l'interface métal-supraconducteur est évalué à environ 10−11 V à 50 K avec une intensité laser de 502 mW/cm², en utilisant l'équation :
Nous tenons à souligner ici que la tension photo-induite ne peut pas être expliquée par l'effet photothermique. Il a été établi expérimentalement que le coefficient Seebeck du supraconducteur YBCO est Ss = 021. Le coefficient Seebeck pour les fils de cuivre est de l'ordre de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. La température du fil de cuivre au point laser peut être légèrement augmentée de 0,06 K avec une intensité laser maximale disponible à 50 K. Cela pourrait produire un potentiel thermoélectrique de 6,9 × 10−8 V, ce qui est trois ordres de grandeur inférieur au Voc obtenu dans la figure 1 (a). Il est évident que l'effet thermoélectrique est trop faible pour expliquer les résultats expérimentaux. En fait, la variation de température due à l'irradiation laser disparaîtrait en moins d'une minute, de sorte que la contribution de l'effet thermique peut être ignorée en toute sécurité.
Français Cet effet photovoltaïque de YBCO à température ambiante révèle qu'un mécanisme différent de séparation de charge est impliqué ici. YBCO supraconducteur à l'état normal est un matériau de type p avec des trous comme porteurs de charge22,23, tandis que la pâte d'argent métallique a les caractéristiques d'un matériau de type n. Similairement aux jonctions pn, la diffusion des électrons dans la pâte d'argent et les trous dans la céramique YBCO formera un champ électrique interne pointant vers la céramique YBCO à l'interface (Fig. 1h). C'est ce champ interne qui fournit la force de séparation et conduit à un Voc positif et un Isc négatif pour le système pâte YBCO-Ag à température ambiante, comme le montre la Fig. 1e. Alternativement, Ag-YBCO pourrait former une jonction Schottky de type p qui conduit également à un potentiel d'interface avec la même polarité que dans le modèle présenté ci-dessus24.
Afin d'étudier en détail l'évolution des propriétés photovoltaïques lors de la transition supraconductrice de l'YBCO, les courbes IV de l'échantillon à 80 K ont été mesurées avec des intensités laser sélectionnées éclairant l'électrode cathodique (Fig. 2). Sans irradiation laser, la tension aux bornes de l'échantillon reste nulle quel que soit le courant, indiquant l'état supraconducteur de l'échantillon à 80 K (Fig. 2a). Comme pour les données obtenues à 50 K, les courbes IV parallèles à l'axe I diminuent avec l'augmentation de l'intensité laser jusqu'à atteindre une valeur critique Pc. Au-delà de cette intensité laser critique (Pc), le supraconducteur subit une transition d'une phase supraconductrice à une phase résistive ; la tension commence à augmenter avec le courant en raison de l'apparition d'une résistance dans le supraconducteur. Par conséquent, la courbe IV commence à croiser les axes I et V, ce qui conduit d'abord à une Voc négative et à une Isc positive. L'échantillon semble alors se trouver dans un état particulier où la polarité de Voc et Isc est extrêmement sensible à l'intensité lumineuse ; Avec une très faible augmentation de l'intensité lumineuse, Isc passe de positif à négatif et Voc de négatif à positif, passant par l'origine (la grande sensibilité des propriétés photovoltaïques, en particulier la valeur d'Isc, à l'éclairement lumineux est plus clairement visible sur la figure 2b). À l'intensité laser la plus élevée disponible, les courbes IV sont censées être parallèles, ce qui indique l'état normal de l'échantillon YBCO.
Le centre du spot laser est positionné autour des électrodes cathodiques (voir Fig. 1i). a, Courbes IV de YBCO irradié avec différentes intensités laser. b (en haut), Dépendance de l'intensité laser à la tension de circuit ouvert Voc et au courant de court-circuit Isc. Les valeurs Isc ne peuvent pas être obtenues à faible intensité lumineuse (< 110 mW/cm2) car les courbes IV sont parallèles à l'axe I lorsque l'échantillon est dans un état supraconducteur. b (en bas), résistance différentielle en fonction de l'intensité laser.
Français La dépendance de l'intensité laser de Voc et Isc à 80 K est illustrée dans la Fig. 2b (en haut). Les propriétés photovoltaïques peuvent être discutées dans trois régions d'intensité lumineuse. La première région est comprise entre 0 et Pc, dans laquelle YBCO est supraconducteur, Voc est négatif et diminue (en valeur absolue augmente) avec l'intensité lumineuse et atteint un minimum à Pc. La deuxième région va de Pc à une autre intensité critique P0, dans laquelle Voc augmente tandis que Isc diminue avec l'augmentation de l'intensité lumineuse et les deux atteignent zéro à P0. La troisième région est au-dessus de P0 jusqu'à ce que l'état normal de YBCO soit atteint. Bien que Voc et Isc varient avec l'intensité lumineuse de la même manière que dans la région 2, ils ont une polarité opposée au-dessus de l'intensité critique P0. L'importance de P0 réside dans l'absence d'effet photovoltaïque et le mécanisme de séparation des charges change qualitativement à ce point particulier. L'échantillon YBCO devient non supraconducteur dans cette gamme d'intensité lumineuse, mais l'état normal n'est pas encore atteint.
De toute évidence, les caractéristiques photovoltaïques du système sont étroitement liées à la supraconductivité de l'YBCO et à sa transition supraconductrice. La résistance différentielle, dV/dI, de l'YBCO est représentée sur la figure 2b (en bas) en fonction de l'intensité du laser. Comme mentionné précédemment, le potentiel électrique intégré à l'interface, dû à la diffusion des paires de Cooper, pointe du supraconducteur vers le métal. Similaire à celui observé à 50 K, l'effet photovoltaïque est renforcé lorsque l'intensité du laser augmente de 0 à Pc. Lorsque l'intensité du laser atteint une valeur légèrement supérieure à Pc, la courbe IV commence à s'incliner et la résistance de l'échantillon apparaît, mais la polarité du potentiel d'interface n'est pas encore modifiée. L'effet de l'excitation optique sur la supraconductivité a été étudié dans le visible ou le proche infrarouge. Bien que le processus de base consiste à briser les paires de Cooper et à détruire la supraconductivité25,26, dans certains cas, la transition supraconductrice peut être renforcée27,28,29, voire induite30. L'absence de supraconductivité à Pc peut être attribuée à la rupture de paires photo-induite. Au point P0, le potentiel à travers l'interface devient nul, indiquant que la densité de charge des deux côtés de l'interface atteint le même niveau sous cette intensité particulière d'éclairage lumineux. Une augmentation supplémentaire de l'intensité laser entraîne la destruction d'un plus grand nombre de paires de Cooper et le YBCO se transforme progressivement en un matériau de type p. Au lieu de la diffusion des électrons et des paires de Cooper, la caractéristique de l'interface est maintenant déterminée par la diffusion des électrons et des trous, ce qui conduit à une inversion de polarité du champ électrique dans l'interface et, par conséquent, à une valeur Voc positive (voir Fig. 1d, h). À très haute intensité laser, la résistance différentielle du YBCO sature jusqu'à une valeur correspondant à l'état normal, et Voc et Isc ont tendance à varier linéairement avec l'intensité laser (Fig. 2b). Cette observation révèle que l'irradiation laser sur le YBCO à l'état normal ne modifie plus sa résistivité ni la caractéristique de l'interface supraconducteur-métal, mais augmente seulement la concentration en paires électron-trou.
Pour étudier l'effet de la température sur les propriétés photovoltaïques, le système métal-supraconducteur a été irradié à la cathode avec un laser bleu d'intensité 502 mW/cm². Les courbes IV obtenues à des températures sélectionnées entre 50 et 300 K sont présentées dans la figure 3a. La tension à vide Voc, le courant de court-circuit Isc et la résistance différentielle peuvent ensuite être déduits de ces courbes IV et sont présentés dans la figure 3b. Sans éclairage lumineux, toutes les courbes IV mesurées à différentes températures passent par l'origine comme prévu (encart de la figure 3a). Les caractéristiques IV changent radicalement avec l'augmentation de la température lorsque le système est éclairé par un faisceau laser relativement puissant (502 mW/cm²). À basse température, les courbes IV sont des droites parallèles à l'axe I avec des valeurs négatives de Voc. Cette courbe se déplace vers le haut avec l'augmentation de la température et se transforme progressivement en une droite de pente non nulle à une température critique Tcp (figure 3a (en haut)). Il semble que toutes les courbes caractéristiques IV tournent autour d'un point du troisième quadrant. Voc augmente d'une valeur négative à une valeur positive tandis que Isc diminue d'une valeur positive à une valeur négative. Au-dessus de la température de transition supraconductrice d'origine Tc de YBCO, la courbe IV évolue différemment avec la température (bas de la Fig. 3a). Premièrement, le centre de rotation des courbes IV se déplace vers le premier quadrant. Deuxièmement, Voc continue de diminuer et Isc d'augmenter avec l'augmentation de la température (haut de la Fig. 3b). Troisièmement, la pente des courbes IV augmente linéairement avec la température, ce qui entraîne un coefficient de température de résistance positif pour YBCO (bas de la Fig. 3b).
Dépendance à la température des caractéristiques photovoltaïques pour le système de pâte YBCO-Ag sous éclairage laser de 502 mW/cm2.
Le centre du spot laser est positionné autour des électrodes cathodiques (voir Fig. 1i). a, courbes IV obtenues de 50 à 90 K (en haut) et de 100 à 300 K (en bas) avec un incrément de température de 5 K et 20 K, respectivement. L'encart a montre les caractéristiques IV à plusieurs températures dans l'obscurité. Toutes les courbes croisent le point d'origine. b, tension en circuit ouvert Voc et courant de court-circuit Isc (en haut) et résistance différentielle, dV/dI, de YBCO (en bas) en fonction de la température. La température de transition supraconductrice à résistance nulle Tcp n'est pas donnée car elle est trop proche de Tc0.
Trois températures critiques peuvent être identifiées sur la figure 3b : Tcp, au-dessus de laquelle YBCO devient non supraconducteur ; Tc0, à laquelle Voc et Isc deviennent nuls et Tc, la température de transition supraconductrice initiale de YBCO sans irradiation laser. En dessous de Tcp ~ 55 K, YBCO irradié par laser est dans un état supraconducteur avec une concentration relativement élevée de paires de Cooper. L'irradiation laser a pour effet de réduire la température de transition supraconductrice à résistance nulle de 89 K à ~ 55 K (en bas de la figure 3b) en réduisant la concentration en paires de Cooper, tout en produisant une tension et un courant photovoltaïques. L'augmentation de la température détruit également les paires de Cooper, ce qui entraîne un potentiel plus faible à l'interface. Par conséquent, la valeur absolue de Voc diminue, bien que la même intensité d'illumination laser soit appliquée. Le potentiel d'interface diminue de plus en plus avec l'augmentation de la température jusqu'à atteindre zéro à Tc0. Il n'y a pas d'effet photovoltaïque à ce point particulier, car il n'existe aucun champ interne pour séparer les paires électron-trou photo-induites. Une inversion de polarité du potentiel se produit au-dessus de cette température critique, car la densité de charge libre dans la pâte d'argent est supérieure à celle de l'YBCO, qui est progressivement transférée à un matériau de type p. Nous tenons ici à souligner que l'inversion de polarité de Voc et Isc se produit immédiatement après la transition supraconductrice à résistance nulle, quelle qu'en soit la cause. Cette observation révèle clairement, pour la première fois, la corrélation entre la supraconductivité et les effets photovoltaïques associés au potentiel de l'interface métal-supraconducteur. La nature de ce potentiel à l'interface supraconducteur-métal normal est au cœur des recherches depuis plusieurs décennies, mais de nombreuses questions restent sans réponse. La mesure de l'effet photovoltaïque pourrait s'avérer une méthode efficace pour explorer les détails (tels que son intensité et sa polarité, etc.) de ce potentiel important et ainsi éclairer l'effet de proximité supraconducteur à haute température.
Une augmentation supplémentaire de la température de Tc0 à Tc conduit à une concentration plus faible de paires de Cooper et à une augmentation du potentiel d'interface et, par conséquent, à une valeur de Voc plus élevée. À Tc, la concentration de paires de Cooper devient nulle et le potentiel intégré à l'interface atteint un maximum, ce qui entraîne une valeur de Voc maximale et une valeur d'Isc minimale. L'augmentation rapide de Voc et d'Isc (valeur absolue) dans cette plage de température correspond à la transition supraconductrice qui est élargie de ΔT ~ 3 K à ~ 34 K par une irradiation laser d'intensité 502 mW/cm² (Fig. 3b). Dans les états normaux au-dessus de Tc, la tension en circuit ouvert Voc diminue avec la température (en haut de la Fig. 3b), de manière similaire au comportement linéaire de Voc pour les cellules solaires normales basées sur des jonctions pn31,32,33. Bien que le taux de variation de Voc avec la température (−dVoc/dT), qui dépend fortement de l'intensité du laser, soit bien inférieur à celui des cellules solaires classiques, le coefficient de température de Voc pour la jonction YBCO-Ag est du même ordre de grandeur que celui des cellules solaires. Le courant de fuite d'une jonction pn pour un dispositif de cellule solaire classique augmente avec la température, ce qui entraîne une diminution de Voc à mesure que la température augmente. Les courbes IV linéaires observées pour ce système Ag-supraconducteur, dues d'une part au très faible potentiel d'interface et d'autre part à la connexion dos à dos des deux hétérojonctions, rendent difficile la détermination du courant de fuite. Néanmoins, il semble très probable que la même dépendance du courant de fuite à la température soit responsable du comportement de Voc observé dans notre expérience. Selon la définition, Isc est le courant nécessaire pour produire une tension négative pour compenser Voc de sorte que la tension totale soit nulle. Lorsque la température augmente, Voc diminue de sorte que moins de courant est nécessaire pour produire la tension négative. De plus, la résistance de YBCO augmente linéairement avec la température au-dessus de Tc (en bas de la Fig. 3b), ce qui contribue également à la valeur absolue plus petite de Isc à haute température.
Il est à noter que les résultats présentés dans les figures 2 et 3 sont obtenus par irradiation laser autour des électrodes cathodiques. Des mesures ont également été répétées avec un spot laser positionné à l'anode et des caractéristiques IV et des propriétés photovoltaïques similaires ont été observées, à l'exception de l'inversion de la polarité de Voc et Isc. Toutes ces données conduisent à un mécanisme d'effet photovoltaïque étroitement lié à l'interface supraconducteur-métal.
En résumé, les caractéristiques IV du système de pâte YBCO-Ag supraconductrice irradiée par laser ont été mesurées en fonction de la température et de l'intensité laser. Un effet photovoltaïque remarquable a été observé dans la plage de températures de 50 à 300 K. Il a été constaté que les propriétés photovoltaïques sont fortement corrélées à la supraconductivité des céramiques YBCO. Une inversion de polarité de Voc et Isc se produit immédiatement après la transition photo-induite de supraconductivité à non-supraconductivité. La dépendance en température de Voc et Isc mesurée à intensité laser fixe montre également une nette inversion de polarité à une température critique au-dessus de laquelle l'échantillon devient résistif. En localisant le spot laser à différentes parties de l'échantillon, nous montrons qu'il existe un potentiel électrique à travers l'interface, qui fournit la force de séparation pour les paires électron-trou photo-induites. Ce potentiel d'interface dirige de YBCO vers l'électrode métallique lorsque YBCO est supraconducteur et bascule dans la direction opposée lorsque l'échantillon devient non supraconducteur. L'origine du potentiel peut être naturellement associée à l'effet de proximité à l'interface métal-supraconducteur lorsque YBCO est supraconducteur et est estimée à ~10−8 mV à 50 K avec une intensité laser de 502 mW/cm². Le contact d'un matériau YBCO de type p à l'état normal avec un matériau de type n, la pâte d'argent, forme une jonction quasi-pn qui est responsable du comportement photovoltaïque des céramiques YBCO à haute température. Les observations ci-dessus éclairent l'effet PV dans les céramiques YBCO supraconductrices à haute température et ouvrent la voie à de nouvelles applications dans les dispositifs optoélectroniques tels que les détecteurs de lumière passifs rapides et les détecteurs de photons uniques.
Français Les expériences d'effet photovoltaïque ont été réalisées sur un échantillon de céramique YBCO de 0,52 mm d'épaisseur et de forme rectangulaire de 8,64 × 2,26 mm², éclairé par un laser bleu continu (λ = 450 nm) avec un spot laser de 1,25 mm de rayon. L'utilisation d'un échantillon massif plutôt que d'un échantillon en couche mince nous permet d'étudier les propriétés photovoltaïques du supraconducteur sans avoir à gérer l'influence complexe du substrat6,7. De plus, le matériau massif pourrait être propice à sa procédure de préparation simple et à son coût relativement faible. Les fils conducteurs en cuivre sont cohérés sur l'échantillon YBCO avec de la pâte d'argent formant quatre électrodes circulaires d'environ 1 mm de diamètre. La distance entre les deux électrodes de tension est d'environ 5 mm. Les caractéristiques IV de l'échantillon ont été mesurées à l'aide du magnétomètre à échantillon vibrant (VersaLab, Quantum Design) avec une fenêtre en cristal de quartz. La méthode standard à quatre fils a été utilisée pour obtenir les courbes IV. Les positions relatives des électrodes et du spot laser sont présentées dans la Fig. 1i.
Comment citer cet article : Yang, F. et al. Origine de l'effet photovoltaïque dans les céramiques supraconductrices YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504 ; doi : 10.1038/srep11504 (2015).
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Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subvention n° 60571063), les projets de recherche fondamentale de la province du Henan, Chine (subvention n° 122300410231).
FY a rédigé le texte de l'article et MYH a préparé l'échantillon de céramique YBCO. FY et MYH ont réalisé l'expérience et analysé les résultats. FGC a dirigé le projet et l'interprétation scientifique des données. Tous les auteurs ont relu le manuscrit.
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Date de publication : 22 avril 2020