Oarsprong fan fotovoltaïsk effekt yn supergeleidende YBa2Cu3O6.96 keramyk

Tankewol foar jo besite oan nature.com. Jo brûke in browserferzje mei beheinde stipe foar CSS. Om de bêste ûnderfining te krijen, riede wy jo oan om in nijere browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, werjaan wy de side sûnder stilen en JavaScript.

Wy rapportearje in opmerklik fotovoltaïsk effekt yn YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramyk tusken 50 en 300 K feroarsake troch blauwe laserferljochting, wat direkt relatearre is oan de supergelieding fan YBCO en de YBCO-metalen elektrode-ynterface. Der is in polariteitsomkearing foar de iepen circuit spanning Voc en koartslutingstroom Isc as YBCO in oergong ûndergiet fan supergeliedende nei resistive steat. Wy litte sjen dat der in elektryske potinsjeel bestiet oer de supergelieder-normaal metaal-ynterface, dy't de skiedingskrêft leveret foar de foto-induzearre elektron-gat pearen. Dizze ynterfacepotinsjeel rjochtet fan YBCO nei de metaalelektrode as YBCO supergeliedend is en skeakelt nei de tsjinoerstelde rjochting as YBCO net-supergeliedend wurdt. De oarsprong fan 'e potinsjeel kin maklik assosjeare wurde mei it tichtbyheidseffekt by de metaal-supergelieder-ynterface as YBCO supergeliedend is en de wearde dêrfan wurdt rûsd op ~10–8 mV by 50 K mei in laserintensiteit fan 502 mW/cm2. De kombinaasje fan in p-type materiaal YBCO yn normale steat mei in n-type materiaal Ag-pasta foarmet in quasi-pn-oergong dy't ferantwurdlik is foar it fotovoltaïske gedrach fan YBCO-keramyk by hege temperatueren. Us befiningen kinne de wei baan meitsje foar nije tapassingen fan foton-elektroanyske apparaten en fierder ljocht skine op it tichtbyheidseffekt by de supergelieder-metaal-ynterface.

Foto-induzearre spanning yn hege-temperatuer supergelieders is rapportearre yn 'e iere jierren '90 en sûnt dy tiid wiidweidich ûndersocht, mar de aard en it meganisme bliuwe ûnbekend1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tinne films6,7,8 wurde yntinsyf bestudearre yn 'e foarm fan fotovoltaïske (PV) sellen fanwegen syn ferstelbere enerzjykloof9,10,11,12,13. In hege wjerstân fan it substraat liedt lykwols altyd ta in lege konverzje-effisjinsje fan it apparaat en maskearret de primêre PV-eigenskippen fan YBCO8. Hjir rapportearje wy in opmerklik fotovoltaïsk effekt feroarsake troch blauwe laser (λ = 450 nm) ferljochting yn YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramyk tusken 50 en 300 K (Tc ~ 90 K). Wy litte sjen dat it PV-effekt direkt relatearre is oan 'e supergelieding fan YBCO en de aard fan 'e YBCO-metallyske elektrode-ynterface. Der is in polariteitsomkearing foar de iepen circuitspanning Voc en koartslutingstroom Isc as YBCO in oergong ûndergiet fan supergeliedende faze nei in resistive steat. Der wurdt foarsteld dat der in elektryske potinsjeel bestiet oer de supergelieder-normale metaal-ynterface, dy't de skiedingskrêft leveret foar de foto-induzearre elektron-gatpearen. Dizze ynterfacepotinsjeel giet fan YBCO nei de metalen elektrode as YBCO supergeliedend is en skeakelt nei de tsjinoerstelde rjochting as it stekproef net-supergeliedend wurdt. De oarsprong fan 'e potinsjeel kin natuerlik ferbûn wêze mei it tichtbyheidseffekt14,15,16,17 by de metaal-supergelieder-ynterface as YBCO supergeliedend is en de wearde dêrfan wurdt rûsd op ~10−8 mV by 50 K mei in laserintensiteit fan 502 mW/cm2. Kombinaasje fan in p-type materiaal YBCO yn normale steat mei in n-type materiaal Ag-pasta foarmet, wierskynlik, in quasi-pn-oergong dy't ferantwurdlik is foar it PV-gedrach fan YBCO-keramyk by hege temperatueren. Us waarnimmings smite fierder ljocht op 'e oarsprong fan it PV-effekt yn hege-temperatuer supergeleidende YBCO-keramyk en meitsje de wei frij foar syn tapassing yn opto-elektronyske apparaten lykas snelle passive ljochtdetektors ensfh.

Figuer 1a-c lit de IV-karakteristiken sjen fan it YBCO-keramykmonster by 50 K. Sûnder ljochtferljochting bliuwt de spanning oer it monster op nul mei feroarjende stroom, lykas te ferwachtsjen is fan in supergeliedend materiaal. In dúdlik fotovoltaïsk effekt ferskynt as de laserstriel op 'e katode rjochte wurdt (Fig. 1a): de IV-krommen parallel oan 'e I-as bewege nei ûnderen mei tanimmende laserintensiteit. It is dúdlik dat der in negative foto-induzearre spanning is, sels sûnder stroom (faak iepen circuit spanning Voc neamd). De nulhelling fan 'e IV-kromme jout oan dat it monster noch supergeliedend is ûnder laserferljochting.

(a–c) en 300 K (e–g). Wearden fan V(I) waarden krigen troch de stroom fan −10 mA nei +10 mA yn fakuüm te bewegen. Allinnich in diel fan 'e eksperimintele gegevens wurdt presintearre foar de dúdlikens. a, Stroom-spanningskarakteristiken fan YBCO metten mei in laserflek pleatst by de katode (i). Alle IV-krommen binne horizontale rjochte linen dy't oanjaan dat it stekproef noch altyd supergeliedend is mei laserbestraling. De kromme beweecht nei ûnderen mei tanimmende laserintensiteit, wat oanjout dat der in negative potinsjeel (Voc) bestiet tusken de twa spanningsliedingen, sels mei nul stroom. De IV-krommen bliuwe net feroare as de laser op it sintrum fan it stekproef rjochte is by 50 K (b) of 300 K (f). De horizontale line beweecht omheech as de anode ferljochte wurdt (c). In skematysk model fan 'e metaal-supergelieder-oergong by 50 K wurdt werjûn yn d. Stroom-spanningskarakteristiken fan 'e normale steat YBCO by 300 K metten mei in laserstriel rjochte op 'e katode en anode wurde jûn yn respektivelik e en g. Yn tsjinstelling ta de resultaten by 50 K, jout de net-nul helling fan 'e rjochte linen oan dat YBCO yn in normale steat is; de wearden fan Voc fariearje mei ljochtintensiteit yn in tsjinoerstelde rjochting, wat in oar ladingskiedingsmeganisme oanjout. In mooglike ynterfacestruktuer by 300 K wurdt ôfbylde yn hj. It echte byld fan it stekproef mei leads.

Soerstofrike YBCO yn supergeliedende steat kin hast it folsleine spektrum fan sinneljocht absorbearje fanwegen syn heul lytse enerzjykloof (Eg)9,10, wêrtroch't elektron-gatpearen (e-h) ûntsteane. Om in iepen circuitspanning Voc te produsearjen troch absorpsje fan fotonen, is it nedich om foto-generearre eh-pearen romtlik te skieden foardat rekombinaasje plakfynt18. De negative Voc, relatyf oan de katode en anode lykas oanjûn yn Fig. 1i, suggerearret dat der in elektryske potinsjeel bestiet oer de metaal-supergelieder-ynterface, dy't de elektroanen nei de anode en gatten nei de katode sweeft. As dit it gefal is, moat der ek in potinsjeel wêze dat wiist fan supergelieder nei de metalen elektrode by de anode. Dêrtroch soe in positive Voc krigen wurde as it stekproefgebiet tichtby de anode ferljochte wurdt. Fierder moatte der gjin foto-induzearre spanningen wêze as de laserflek rjochte wurdt op gebieten fier fan 'e elektroden. It is wis it gefal lykas te sjen is yn Fig. 1b,c!.

As de ljochtflek fan 'e katode-elektrode nei it sintrum fan it stekproef beweecht (sawat 1,25 mm fan 'e ynterfaces ôf), kin gjin fariaasje fan IV-krommen en gjin Voc waarnommen wurde mei tanimmende laserintensiteit oant de maksimale beskikbere wearde (Fig. 1b). Fansels kin dit resultaat taskreaun wurde oan 'e beheinde libbensdoer fan foto-induzearre dragers en it gebrek oan skiedingskrêft yn it stekproef. Elektron-gatpearen kinne makke wurde as it stekproef ferljochte wurdt, mar de measte e-h-pearen sille ferneatige wurde en der wurdt gjin fotovoltaïsk effekt waarnommen as de laserflek op gebieten falt dy't fier fan ien fan 'e elektroden ôf binne. As de laserflek nei de anode-elektroden ferpleatst wurdt, beweecht de IV-krommen parallel oan 'e I-as omheech mei tanimmende laserintensiteit (Fig. 1c). In ferlykber ynboud elektrysk fjild bestiet yn 'e metaal-supergelieder-oergong by de anode. De metalen elektrode ferbynt dizze kear lykwols mei de positive lead fan it testsysteem. De gatten produsearre troch de laser wurde nei de anode-lead skood en sa wurdt in positive Voc waarnommen. De hjir presintearre resultaten jouwe sterk bewiis dat der yndie in ynterfacepotinsjaal bestiet dat wiist fan 'e supergelieder nei de metalen elektrode.

It fotovoltaïske effekt yn YBa2Cu3O6.96-keramyk by 300 K wurdt werjûn yn Fig. 1e-g. Sûnder ljochtferljochting is de IV-kromme fan it stekproef in rjochte line dy't de oarsprong krúst. Dizze rjochte line beweecht omheech parallel oan de orizjinele line mei tanimmende laserintensiteit dy't útstrielt by de katodeliedingen (Fig. 1e). Der binne twa beheinde gefallen fan belang foar in fotovoltaïsk apparaat. De koartsluting komt foar as V = 0. De stroom wurdt yn dit gefal oantsjutten as de koartslutingstroom (Isc). It twadde beheinde gefal is de iepen-circuit-tastân (Voc) dy't foarkomt as R→∞ of de stroom nul is. Figuer 1e lit dúdlik sjen dat Voc posityf is en tanimt mei tanimmende ljochtintensiteit, yn tsjinstelling ta it resultaat dat by 50 K krigen wurdt; wylst in negative Isc waarnommen wurdt yn grutte ta te nimmen mei ljochtferljochting, in typysk gedrach fan normale sinnesellen.

Op deselde wize, as de laserstriel rjochte is op gebieten fier fan 'e elektroden, is de V(I)-kromme ûnôfhinklik fan 'e laserintensiteit en ferskynt der gjin fotovoltaïsk effekt (Fig. 1f). Fergelykber mei de mjitting by 50 K, bewege de IV-krommen yn 'e tsjinoerstelde rjochting as de anode-elektrode bestraald wurdt (Fig. 1g). Al dizze resultaten dy't krigen binne foar dit YBCO-Ag-pastasysteem by 300 K mei laser bestraald op ferskate posysjes fan it stekproef binne yn oerienstimming mei in ynterfacepotinsjaal tsjinoersteld oan dat waarnommen by 50 K.

De measte elektroanen kondensearje yn Cooper-pearen yn supergeliedende YBCO ûnder syn oergongstemperatuer Tc. Wylst se yn 'e metaalelektrode binne, bliuwe alle elektroanen yn ienkelde foarm. Der is in grutte tichtheidsgradiënt foar sawol ienkelde elektroanen as Cooper-pearen yn 'e buert fan 'e metaal-supergelieder-ynterface. Ienkelde elektroanen fan 'e mearderheidsdrager yn metallysk materiaal sille diffundearje yn it supergeliedergebiet, wylst Cooper-pearen fan 'e mearderheidsdrager yn 'e YBCO-regio sille diffundearje yn it metaalgebiet. Om't Cooper-pearen dy't mear ladingen drage en in gruttere mobiliteit hawwe as ienkelde elektroanen fan YBCO nei it metallyske gebiet diffundearje, bliuwe posityf laden atomen efter, wat resulteart yn in elektrysk fjild yn it romteladingsgebiet. De rjochting fan dit elektryske fjild wurdt werjûn yn it skematyske diagram Fig. 1d. Ynfallende fotonferljochting tichtby it romteladingsgebiet kin eh-pearen oanmeitsje dy't skieden en útspield wurde, wêrtroch in fotostroom yn 'e omkearde rjochting ûntstiet. Sadree't de elektroanen út it ynboude elektryske fjild komme, wurde se yn pearen kondensearre en streame se sûnder wjerstân nei de oare elektrode. Yn dit gefal is de Voc tsjinoersteld oan de foarôf ynstelde polariteit en toant in negative wearde as de laserstriel nei it gebiet om de negative elektrode wiist. Fan 'e wearde fan Voc kin de potinsjeel oer de ynterface skatte wurde: de ôfstân tusken de twa spanningsliedingen d is ~5 × 10−3 m, de dikte fan 'e metaal-supergelieder-ynterface, di, moat deselde oarder fan grutte wêze as de koherinsjelingte fan YBCO-supergelieder (~1 nm)19,20, nim de wearde fan Voc = 0,03 mV, de potinsjeel Vms by de metaal-supergelieder-ynterface wurdt evaluearre as ~10−11 V by 50 K mei in laserintensiteit fan 502 mW/cm2, mei help fan fergeliking,

Wy wolle hjir beklamje dat de foto-induzearre spanning net ferklearre wurde kin troch it fototermyske effekt. It is eksperiminteel fêststeld dat de Seebeck-koëffisjint fan supergelieder YBCO Ss = 021 is. De Seebeck-koëffisjint foar koperen leadtriedden leit yn it berik fan SCu = 0,34–1,15 μV/K3. De temperatuer fan 'e kopertried by de laserplak kin ferhege wurde mei in lytse hoemannichte fan 0,06 K mei in maksimale laserintensiteit beskikber by 50 K. Dit koe in termoelektryske potinsjeel fan 6,9 × 10−8 V produsearje, wat trije oarders fan grutte lytser is as de Voc dy't krigen is yn Fig. 1 (a). It is dúdlik dat it termoelektryske effekt te lyts is om de eksperimintele resultaten te ferklearjen. Eins soe de temperatuerfariaasje troch laserbestraling yn minder as ien minút ferdwine, sadat de bydrage fan it termyske effekt feilich negearre wurde kin.

Dit fotovoltaïske effekt fan YBCO by keamertemperatuer lit sjen dat hjir in oar ladingsskiedingsmeganisme belutsen is. Supergeliedende YBCO yn normale steat is in p-type materiaal mei gatten as ladingdrager22,23, wylst metallyske Ag-pasta skaaimerken hat fan in n-type materiaal. Fergelykber mei pn-oergongen sil de diffúzje fan elektroanen yn 'e sulverpasta en gatten yn YBCO-keramyk in yntern elektrysk fjild foarmje dat nei de YBCO-keramyk by de ynterface wiist (Fig. 1h). It is dit ynterne fjild dat de skiedingskrêft leveret en liedt ta in positive Voc en negative Isc foar it YBCO-Ag-pastasysteem by keamertemperatuer, lykas te sjen is yn Fig. 1e. As alternatyf koe Ag-YBCO in p-type Schottky-oergong foarmje dy't ek liedt ta in ynterfacepotinsjaal mei deselde polariteit as yn it hjirboppe presintearre model24.

Om it detaillearre evolúsjeproses fan 'e fotovoltaïske eigenskippen tidens de supergeliedende oergong fan YBCO te ûndersykjen, waarden IV-krommen fan it stekproef by 80 K metten mei selektearre laserintensiteiten dy't ferljochtsje by de katode-elektrode (Fig. 2). Sûnder laserbestraling bliuwt de spanning oer it stekproef op nul, nettsjinsteande de stroom, wat de supergeliedende steat fan it stekproef by 80 K oanjout (Fig. 2a). Fergelykber mei de gegevens dy't by 50 K krigen binne, bewege IV-krommen parallel oan 'e I-as nei ûnderen mei tanimmende laserintensiteit oant in krityske wearde Pc berikt wurdt. Boppe dizze krityske laserintensiteit (Pc) ûndergiet de supergelieder in oergong fan in supergeliedende faze nei in resistive faze; de ​​spanning begjint te tanimmen mei de stroom fanwegen it ferskinen fan wjerstân yn 'e supergelieder. As gefolch begjint de IV-kromme de I-as en V-as te snijen, wat earst liedt ta in negative Voc en in positive Isc. No liket it stekproef yn in spesjale steat te wêzen wêryn't de polariteit fan Voc en Isc ekstreem gefoelich is foar ljochtintensiteit; mei in tige lytse tanimming fan ljochtintensiteit wurdt Isc omset fan posityf nei negatyf en Voc fan negative nei positive wearde, wêrby't de oarsprong foarby giet (de hege gefoelichheid fan fotovoltaïske eigenskippen, benammen de wearde fan Isc, foar ljochtferljochting is dúdliker te sjen yn Fig. 2b). By de heechste beskikbere laserintensiteit binne de IV-krommen bedoeld om parallel mei elkoar te wêzen, wat de normale steat fan it YBCO-monster oanjout.

It sintrum fan 'e laserflek is om 'e katode-elektroden hinne posysjonearre (sjoch Fig. 1i). a, IV-krommen fan YBCO bestraald mei ferskillende laserintensiteiten. b (boppe), ôfhinklikens fan laserintensiteit fan iepen circuit spanning Voc en koartslutingstroom Isc. De Isc-wearden kinne net wurde krigen by lege ljochtintensiteit (< 110 mW/cm2) om't de IV-krommen parallel binne oan 'e I-as as it stekproef yn supergeliedende steat is. b (ûnder), differinsjaalwjerstân as funksje fan laserintensiteit.

De ôfhinklikens fan Voc en Isc fan 'e laserintensiteit by 80 K wurdt werjûn yn Fig. 2b (boppe). De fotovoltaïske eigenskippen kinne besprutsen wurde yn trije regio's fan ljochtintensiteit. De earste regio leit tusken 0 en Pc, wêryn YBCO supergeliedend is, Voc negatyf is en ôfnimt (absolute wearde nimt ta) mei ljochtintensiteit en berikt in minimum by Pc. De twadde regio leit fan Pc nei in oare krityske yntensiteit P0, wêryn Voc tanimt, wylst Isc ôfnimt mei tanimmende ljochtintensiteit en beide nul berikke by P0. De tredde regio leit boppe P0 oant de normale steat fan YBCO berikt is. Hoewol sawol Voc as Isc fariearje mei ljochtintensiteit op deselde wize as yn regio 2, hawwe se tsjinoerstelde polariteit boppe de krityske yntensiteit P0. De betsjutting fan P0 leit yn it feit dat der gjin fotovoltaïsk effekt is en it ladingskiedingsmeganisme kwalitatyf feroaret op dit bepaalde punt. It YBCO-monster wurdt net-supergeliedend yn dit berik fan ljochtintensiteit, mar de normale steat moat noch berikt wurde.

Dúdlik binne de fotovoltaïske skaaimerken fan it systeem nau besibbe oan de supergelieding fan YBCO en syn supergeliedende oergong. De differinsjaalwjerstân, dV/dI, fan YBCO wurdt werjûn yn Fig. 2b (ûnder) as in funksje fan laserintensiteit. Lykas earder neamd, is de ynboude elektryske potinsjeel yn 'e ynterface fanwegen Cooper-peardiffúzjepunten fan 'e supergelieder nei metaal. Fergelykber mei dy waarnommen by 50 K, wurdt it fotovoltaïske effekt fersterke mei tanimmende laserintensiteit fan 0 nei Pc. As de laserintensiteit in wearde krekt boppe Pc berikt, begjint de IV-kromme te kanteljen en begjint de wjerstân fan it stekproef te ferskinen, mar de polariteit fan 'e ynterfacepotinsjeel is noch net feroare. It effekt fan optyske eksitaasje op 'e supergelieding is ûndersocht yn it sichtbere of tichtby-IR-gebiet. Wylst it basisproses is om de Cooper-pearen te brekken en de supergelieding te ferneatigjen25,26, kin yn guon gefallen de supergeliedingsoergong ferbettere wurde27,28,29, kinne nije fazen fan supergelieding sels ynducearre wurde30. De ôfwêzigens fan supergelieding by Pc kin taskreaun wurde oan it brekken fan it pear troch foto's. Op it punt P0 wurdt de potinsjeel oer de ynterface nul, wat oanjout dat de ladingstichtens oan beide kanten fan 'e ynterface itselde nivo berikt ûnder dizze bepaalde yntensiteit fan ljochtferljochting. Fierdere tanimming fan 'e laserintensiteit resulteart yn mear Cooper-pearen dy't ferneatige wurde en YBCO stadichoan werom transformearre wurdt nei in p-type materiaal. Ynstee fan diffúzje fan elektronen en Cooper-pearen wurdt de eigenskip fan 'e ynterface no bepaald troch diffúzje fan elektronen en gatten, wat liedt ta in polariteitsomkearing fan it elektryske fjild yn 'e ynterface en dêrtroch in positive Voc (fergelykje Fig. 1d, h). By tige hege laserintensiteit verzadigt de differinsjaalwjerstân fan YBCO nei in wearde dy't oerienkomt mei de normale steat en sawol Voc as Isc hawwe de neiging om lineêr te fariearjen mei de laserintensiteit (Fig. 2b). Dizze observaasje lit sjen dat laserbestraling op YBCO yn 'e normale steat syn wjerstân en de eigenskip fan 'e supergelieder-metaal-ynterface net langer sil feroarje, mar allinich de konsintraasje fan 'e elektron-gat-pearen sil ferheegje.

Om it effekt fan temperatuer op 'e fotovoltaïske eigenskippen te ûndersykjen, waard it metaal-supergeliedersysteem by de katode bestraald mei in blauwe laser fan yntensiteit 502 mW/cm2. IV-krommen dy't by selektearre temperatueren tusken 50 en 300 K krigen binne, wurde jûn yn Fig. 3a. De iepen circuit spanning Voc, koartslutingstroom Isc en de differinsjaalwjerstân kinne dan út dizze IV-krommen helle wurde en wurde werjûn yn Fig. 3b. Sûnder ljochtferljochting passearje alle IV-krommen dy't by ferskate temperatueren metten binne de oarsprong lykas ferwachte (ynfoegsel fan Fig. 3a). De IV-karakteristiken feroarje drastysk mei tanimmende temperatuer as it systeem ferljochte wurdt troch in relatyf sterke laserstriel (502 mW/cm2). By lege temperatueren binne de IV-krommen rjochte linen parallel oan 'e I-as mei negative wearden fan Voc. Dizze kromme beweecht omheech mei tanimmende temperatuer en feroaret stadichoan yn in line mei in net-nul helling by in krityske temperatuer Tcp (Fig. 3a (boppe)). It liket derop dat alle IV-karakteristike krommen om in punt yn it tredde kwadrant draaie. Voc nimt ta fan in negative wearde nei in positive, wylst Isc ôfnimt fan in positive nei in negative wearde. Boppe de orizjinele supergeliedende oergongstemperatuer Tc fan YBCO feroaret de IV-kromme frij oars mei de temperatuer (ûnderkant fan Fig. 3a). Earst beweecht it rotaasjesintrum fan 'e IV-krommen nei it earste kwadrant. Twadde, Voc bliuwt ôfnimme en Isc nimt ta mei tanimmende temperatuer (boppekant fan Fig. 3b). Tredde, de helling fan 'e IV-krommen nimt lineêr ta mei de temperatuer, wat resulteart yn in positive temperatuerkoëffisjint fan wjerstân foar YBCO (ûnderkant fan Fig. 3b).

Temperatuerôfhinklikens fan fotovoltaïske skaaimerken foar YBCO-Ag-pastasysteem ûnder 502 mW/cm2 laserferljochting.

It sintrum fan 'e laserspot is om 'e katode-elektroden hinne posysjonearre (sjoch Fig. 1i). a, IV-krommen krigen fan 50 oant 90 K (boppe) en fan 100 oant 300 K (ûnder) mei in temperatuerferheging fan respektivelik 5 K en 20 K. Ynset a lit IV-karakteristiken sjen by ferskate temperatueren yn it tsjuster. Alle krommen krúse it oarsprongspunt. b, iepen circuit spanning Voc en koartslutingstroom Isc (boppe) en de differinsjaalwjerstân, dV/dI, fan YBCO (ûnder) as funksje fan temperatuer. De nul-wjerstân supergeliedende oergongstemperatuer Tcp wurdt net jûn, om't it te ticht by Tc0 leit.

Trije krityske temperatueren kinne werkenber wurde út Fig. 3b: Tcp, dêr't YBCO net-supergeleidend wurdt; Tc0, dêr't sawol Voc as Isc nul wurde en Tc, de oarspronklike oansettemperatuer foar de supergeleidende oergong fan YBCO sûnder laserbestraling. Under Tcp ~ 55 K is de mei laser bestrale YBCO yn in supergeleidende steat mei in relatyf hege konsintraasje fan Cooper-pearen. It effekt fan laserbestraling is om de nul-wjerstân supergeleidende oergongstemperatuer te ferminderjen fan 89 K nei ~ 55 K (ûnderkant fan Fig. 3b) troch de konsintraasje fan it Cooper-pear te ferminderjen, neist it produsearjen fan fotovoltaïske spanning en stroom. Tanimmende temperatuer brekt ek de Cooper-pearen ôf, wat liedt ta in legere potinsjeel yn 'e ynterface. Dêrtroch sil de absolute wearde fan Voc lytser wurde, hoewol deselde yntensiteit fan laserferljochting wurdt tapast. De ynterfacepotinsjeel sil lytser en lytser wurde mei fierdere tanimming fan 'e temperatuer en berikt nul by Tc0. Der is gjin fotovoltaïsk effekt op dit spesjale punt, om't der gjin yntern fjild is om de foto-induzearre elektron-gat-pearen te skieden. In polariteitsomkearing fan 'e potinsjeel komt foar boppe dizze krityske temperatuer, om't de frije ladingstichtens yn Ag-pasta grutter is as dy yn YBCO, dy't stadichoan werom oerdroegen wurdt nei in p-type materiaal. Hjir wolle wy beklamje dat de polariteitsomkearing fan Voc en Isc direkt nei de nul-wjerstân supergeliedende oergong plakfynt, ûnôfhinklik fan 'e oarsaak fan' e oergong. Dizze observaasje lit dúdlik, foar it earst, de korrelaasje sjen tusken supergelieding en de fotovoltaïske effekten dy't ferbûn binne mei de metaal-supergelieder-ynterfacepotinsjeel. De aard fan dizze potinsjeel oer de supergelieder-normaal metaal-ynterface is de lêste desennia in ûndersyksfokus west, mar d'r binne noch in protte fragen dy't noch wachtsje op beantwurding. Mjitting fan it fotovoltaïske effekt kin in effektive metoade blike te wêzen foar it ferkennen fan 'e details (lykas syn sterkte en polariteit ensfh.) fan dizze wichtige potinsjeel en sadwaande ljocht skine op it hege-temperatuer supergeliedende proximity-effekt.

In fierdere temperatuerferheging fan Tc0 nei Tc liedt ta in lytsere konsintraasje fan Cooper-pearen en in ferheging fan 'e ynterfacepotinsjaal en dêrtroch gruttere Voc. By Tc wurdt de Cooper-pearkonsintraasje nul en berikt de ynboude potinsjaal by de ynterface in maksimum, wat resulteart yn maksimale Voc en minimale Isc. De rappe tanimming fan Voc en Isc (absolute wearde) yn dit temperatuerberik komt oerien mei de supergeliedende oergong dy't ferbrede wurdt fan ΔT ~ 3 K nei ~ 34 K troch laserbestraling fan yntensiteit 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Yn 'e normale steaten boppe Tc nimt de iepen circuitspanning Voc ôf mei de temperatuer (boppekant fan Fig. 3b), fergelykber mei it lineêre gedrach fan Voc foar normale sinnesellen basearre op pn-oergongen31,32,33. Hoewol de feroaringssnelheid fan Voc mei temperatuer (−dVoc/dT), dy't sterk ôfhinklik is fan laseryntensiteit, folle lytser is as dy fan normale sinnesellen, hat de temperatuerkoëffisjint fan Voc foar YBCO-Ag-oergong deselde oardergrutte as dy fan 'e sinnesellen. De lekstroom fan in pn-oergong foar in normaal sinneselapparaat nimt ta mei tanimmende temperatuer, wat liedt ta in ôfname fan Voc as de temperatuer tanimt. De lineêre IV-krommen dy't waarnommen binne foar dit Ag-supergeliedersysteem, fanwegen earst de heul lytse ynterfacepotinsjaal en twadde de rêch-oan-rêch-ferbining fan 'e twa hetero-oergongen, meitsje it lestich om de lekstroom te bepalen. Dochs liket it tige wierskynlik dat deselde temperatuerôfhinklikens fan lekstroom ferantwurdlik is foar it Voc-gedrach dat waarnommen is yn ús eksperimint. Neffens de definysje is Isc de stroom dy't nedich is om in negative spanning te produsearjen om Voc te kompensearjen, sadat de totale spanning nul is. As de temperatuer tanimt, wurdt Voc lytser, sadat minder stroom nedich is om de negative spanning te produsearjen. Fierder nimt de wjerstân fan YBCO lineêr ta mei temperatuer boppe Tc (ûnderkant fan Fig. 3b), wat ek bydraacht oan 'e lytsere absolute wearde fan Isc by hege temperatueren.

Tink derom dat de resultaten jûn yn Figs 2,3 binne krigen troch laserbestraling op it gebiet om katode-elektroden. Mjittingen binne ek werhelle mei in laserflek dy't by de anode pleatst is en ferlykbere IV-karakteristiken en fotovoltaïsche eigenskippen binne waarnommen, útsein dat de polariteit fan Voc en Isc yn dit gefal omkeard is. Al dizze gegevens liede ta in meganisme foar it fotovoltaïsche effekt, dat nau besibbe is oan de supergelieder-metaal-ynterface.

Gearfetsjend binne de IV-karakteristiken fan it mei laser bestraalde supergeleidende YBCO-Ag-pastasysteem metten as funksjes fan temperatuer en laserintensiteit. In opmerklik fotovoltaïsk effekt is waarnommen yn it temperatuerberik fan 50 oant 300 K. It is fûn dat de fotovoltaïske eigenskippen sterk korrelearje mei de supergelieding fan YBCO-keramyk. In polariteitsomkearing fan Voc en Isc komt direkt nei de foto-induzearre supergeleidende nei net-supergeleidende oergong foar. De temperatuerôfhinklikens fan Voc en Isc metten by in fêste laserintensiteit lit ek in dúdlike polariteitsomkearing sjen by in krityske temperatuer wêrboppe it stekproef resistyf wurdt. Troch de laserflek op in oar diel fan it stekproef te lokalisearjen, litte wy sjen dat der in elektryske potinsjeel oer de ynterface bestiet, dy't de skiedingskrêft leveret foar de foto-induzearre elektron-gatpearen. Dizze ynterfacepotinsjeel rjochtet fan YBCO nei de metalen elektrode as YBCO supergeleidend is en skeakelt nei de tsjinoerstelde rjochting as it stekproef net-supergeleidend wurdt. De oarsprong fan 'e potinsjeel kin natuerlik ferbûn wêze mei it tichtbyheidseffekt by de metaal-supergeleider-ynterface as YBCO supergeleidend is en wurdt rûsd op ~10−8 mV by 50 K mei in laserintensiteit fan 502 mW/cm2. Kontakt fan in p-type materiaal YBCO yn 'e normale steat mei in n-type materiaal Ag-pasta foarmet in quasi-pn-oergong dy't ferantwurdlik is foar it fotovoltaïske gedrach fan YBCO-keramyk by hege temperatueren. De boppesteande waarnimmings skine ljocht op it PV-effekt yn hege-temperatuer supergeleidende YBCO-keramyk en baan de wei foar nije tapassingen yn opto-elektronyske apparaten lykas snelle passive ljochtdetektor en ienfotondetektor.

De fotovoltaïske effekteksperiminten waarden útfierd op in YBCO-keramykmonster fan 0,52 mm dikte en 8,64 × 2,26 mm2 rjochthoekige foarm en ferljochte troch in trochgeande weachblauwe laser (λ = 450 nm) mei in laserspotgrutte fan 1,25 mm yn radius. It brûken fan in bulk ynstee fan in tinne filmmonster stelt ús yn steat om de fotovoltaïske eigenskippen fan 'e supergelieder te bestudearjen sûnder te krijen mei de komplekse ynfloed fan it substraat6,7. Boppedat koe it bulkmateriaal geunstich wêze fanwegen syn ienfâldige tariedingsproseduere en relatyf lege kosten. De koperen triedden wurde op it YBCO-monster gearfoege mei sulverpasta, wêrtroch fjouwer sirkelfoarmige elektroden fan sawat 1 mm yn diameter foarmje. De ôfstân tusken de twa spanningselektroden is sawat 5 mm. IV-karakteristiken fan it monster waarden metten mei de trillingsmonstermagnetometer (VersaLab, Quantum Design) mei in kwartskristallfinster. De standert fjouwertriedsmetoade waard brûkt om de IV-krommen te krijen. De relative posysjes fan elektroden en de laserspot wurde werjûn yn Fig. 1i.

Hoe dit artikel te sitearjen: Yang, F. et al. Oarsprong fan fotovoltaïsk effekt yn supergeleidende YBa2Cu3O6.96 keramyk. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetry-ferbeane laser-induzearre spanningen yn YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oarsprong fan it anomale fotovoltaïske sinjaal yn Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Mjitting fan laser-induzearre spanningen fan supergeliedend Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Tydlike laser-induzearre spanningen yn keamertemperatuerfilms fan YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Anomale fotovoltaïske reaksje yn YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenerearre gatdragerynjeksje oan YBa2Cu3O7−x yn in oksideheterostruktuer. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Foto-emisjestúdzje fan YBa2Cu3Oy tinne films ûnder ljochtferljochting. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Fotovoltaïsk effekt fan YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction annealed yn ferskillende soerstofpartialdruk. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Twa-Gap-struktuer yn Yb(Y)Ba2Cu3O7-x ienkristallen. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kwasipartikelrelaksaasjedynamika yn supergelieders mei ferskillende gapstrukturen: Teory en eksperiminten op YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Rjochtstellende eigenskippen fan 'e YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Eksitonyske absorpsje en supergelieding yn YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Tydlike foto-induzearre konduktiviteit yn healgeliedende ienkristallen fan YBa2Cu3O6.3: sykjen nei foto-induzearre metallyske steat en nei foto-induzearre supergelieding. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Tunneling-model fan it supergeliedende tichtbyheidseffekt. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Supergeliedend tichtbyheidseffekt ûndersocht op in mesoskopyske lingteskaal. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Proximiteitseffekt mei net-sentrosymmetryske supergelieders. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Sterk supergeliedend tichtbyheidseffekt yn Pb-Bi2Te3 hybride struktueren. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL In nije silisium pn-junction fotosel foar it omsetten fan sinnestrieling yn elektryske enerzjy. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Effekten fan ûnreinheden op 'e supergeliedende koherinsjelingte yn Zn- of Ni-dopearre YBa2Cu3O6.9 ienkristallen. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistinsje fan Untwinned YBa2Cu3Oy ienkristallen yn in breed dopingberik: anomale gat-dopingôfhinklikens fan 'e koherinsjelingte. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Systematyk yn 'e thermoelektryske krêft fan hege-Tg, oksiden. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Dragerdichtheidsôfhinklike momentumferskowing fan 'e koherinte pyk en de LO-fononmodus yn p-type hege-Tc supergelieders. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Gatreduksje en elektronakkumulaasje yn YBa2Cu3Oy tinne films mei in elektrochemyske technyk: Bewiis foar in n-type metallyske steat. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT De natuerkunde en skiekunde fan 'e hichte fan 'e Schottky-barriêre. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekten fan Dynamyske Eksterne Pearbrekken yn Supergeliedende Films. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Foto-induzearre fersterking fan supergelieding. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Oanhâldende fotogelieding yn YBa2Cu3O6+x-films as in metoade foar fotodoping nei metallyske en supergeliedende fazen. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Net-lineare roosterdynamika as basis foar ferbettere supergelieding yn YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Ljocht-induzearre supergelieding yn in stripe-oardere cupraat. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA De temperatuerfunksjonele ôfhinklikens fan VOC foar in sinneselle yn relaasje ta syn effisjinsje nije oanpak. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Temperatuereffekten yn Schottky-barriêre silisium sinne-sellen. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperatuerôfhinklikens foar de fotovoltaïske apparaatparameters fan polymeer-fullereen sinnesellen ûnder wurkomstannichheden. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Dit wurk is stipe troch de National Natural Science Foundation fan Sina (subsydzjenûmer 60571063), de Fundamentele Undersyksprojekten fan 'e provinsje Henan, Sina (subsydzjenûmer 122300410231).

FY skreau de tekst fan it artikel en MYH makke it YBCO-keramykmonster klear. FY en MYH fierden it eksperimint út en analysearren de resultaten. FGC liede it projekt en de wittenskiplike ynterpretaasje fan 'e gegevens. Alle auteurs hawwe it manuskript beoardiele.

Dit wurk falt ûnder in Creative Commons Attribution 4.0 Ynternasjonale Lisinsje. De ôfbyldings of oar materiaal fan tredden yn dit artikel binne opnommen yn 'e Creative Commons-lisinsje fan it artikel, útsein as oars oanjûn yn 'e kredytline; as it materiaal net ûnder de Creative Commons-lisinsje falt, moatte brûkers tastimming krije fan 'e lisinsjehâlder om it materiaal te reprodusearjen. Om in kopy fan dizze lisinsje te besjen, besykje http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oarsprong fan fotovoltaïsk effekt yn supergeleidende YBa2Cu3O6.96 keramyk. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Troch in reaksje yn te stjoeren, geane jo akkoard mei ús betingsten en mienskipsrjochtlinen. As jo ​​wat misbrûkends fine of dat net foldocht oan ús betingsten of rjochtlinen, markearje it dan as ûnfatsoenlik.