Tapadh leibh airson tadhal air nature.com. Tha thu a’ cleachdadh dreach brabhsair le taic chuingealaichte airson CSS. Gus an t-eòlas as fheàrr fhaighinn, tha sinn a’ moladh gun cleachd thu brabhsair nas ùire (no gun cuir thu dheth modh co-chòrdalachd ann an Internet Explorer). Aig an aon àm, gus dèanamh cinnteach à taic leantainneach, tha sinn a’ taisbeanadh an làraich gun stoidhlichean agus JavaScript.
Tha sinn ag aithris buaidh fhòto-bholtaigeach iongantach ann an ceirmeag YBa2Cu3O6.96 (YBCO) eadar 50 agus 300 K air a bhrosnachadh le soillseachadh leusair gorm, a tha ceangailte gu dìreach ri superconductivity YBCO agus eadar-aghaidh electrode YBCO-mheatailteach. Tha tionndadh polarity ann airson bholtaids cuairt fhosgailte Voc agus sruth cuairt ghoirid Isc nuair a bhios YBCO a’ dol tro ghluasad bho staid superconducting gu staid resistive. Tha sinn a’ sealltainn gu bheil comas dealain ann thairis air an eadar-aghaidh meatailt superconductor-àbhaisteach, a bheir seachad an fheachd dealachaidh airson na paidhrichean electron-toll air an adhbhrachadh le foto. Bidh an comas eadar-aghaidh seo a’ stiùireadh bho YBCO chun electrode meatailt nuair a tha YBCO superconductor agus ag atharrachadh chun an taobh eile nuair a dh’fhàsas YBCO neo-shorconductor. Faodar tùs a’ chomas a cheangal gu furasta ris a’ bhuaidh faisg air an eadar-aghaidh meatailt-superconductor nuair a tha YBCO superconductor agus thathas a’ meas gu bheil a luach ~10–8 mV aig 50 K le dian laser de 502 mW/cm2. Bidh measgachadh de stuth seòrsa-p YBCO aig staid àbhaisteach le stuth seòrsa-n Ag-paste a’ cruthachadh snaim quasi-pn a tha an urra ri giùlan photovoltaic ceirmeag YBCO aig teòthachd àrd. Dh’ fhaodadh na co-dhùnaidhean againn an t-slighe a rèiteachadh gu tagraidhean ùra de dh’ innealan photon-dealanach agus barrachd solais a thilgeil air buaidh na faisgeachd aig an eadar-aghaidh superconductor-meatailt.
Chaidh aithris a dhèanamh air bholtadh air adhbhrachadh le foto ann an superconductors aig teòthachd àrd tràth anns na 1990an agus chaidh sgrùdadh farsaing a dhèanamh air bhon uair sin, ach tha a nàdar agus a mheacanaig fhathast mì-chinnteach1,2,3,4,5. Tha filmichean tana YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 gu sònraichte, air an sgrùdadh gu dian ann an cruth cealla photovoltaic (PV) air sgàth a bheàrn lùtha atharrachail9,10,11,12,13. Ach, bidh strì an aghaidh àrd an t-substrate an-còmhnaidh a’ leantainn gu èifeachdas tionndaidh ìosal an inneil agus a’ falach prìomh fheartan PV YBCO8. An seo tha sinn ag aithris buaidh photovoltaic iongantach air adhbhrachadh le soillseachadh gorm-laser (λ = 450 nm) ann an ceirmeag YBa2Cu3O6.96 (YBCO) eadar 50 agus 300 K (Tc ~ 90 K). Tha sinn a’ sealltainn gu bheil buaidh PV ceangailte gu dìreach ri superconductority YBCO agus nàdar eadar-aghaidh electrode YBCO-meatailteach. Tha tionndadh pòlarachd ann airson bholtaids cuairte fosgailte Voc agus sruth cuairte goirid Isc nuair a bhios YBCO a’ dol tro ghluasad bho ìre os-nàdarrach gu staid strì an aghaidh. Thathas a’ moladh gu bheil comas dealain ann thairis air an eadar-aghaidh meatailt os-nàdarrach-àbhaisteach, a bheir seachad an fheachd dealachaidh airson na paidhrichean electron-toll a tha air an adhbhrachadh le solas. Bidh an comas eadar-aghaidh seo a’ stiùireadh bho YBCO chun electrod meatailt nuair a tha YBCO os-nàdarrach agus ag atharrachadh chun an taobh eile nuair a dh’fhàsas an sampall neo-os-nàdarrach. Is dòcha gu bheil tùs a’ chomas co-cheangailte gu nàdarrach ris a’ bhuaidh faisgeachd14,15,16,17 aig eadar-aghaidh meatailt-os-nàdarrach nuair a tha YBCO os-nàdarrach agus thathas a’ meas gu bheil a luach ~10−8 mV aig 50 K le dian laser de 502 mW/cm2. Bidh measgachadh de stuth seòrsa-p YBCO aig staid àbhaisteach le stuth seòrsa-n Ag-paste a’ cruthachadh, is coltaiche, ceangal quasi-pn a tha an urra ri giùlan PV ceirmeag YBCO aig teòthachd àrd. Tha na beachdan againn a’ toirt barrachd solais air tùs buaidh PV ann an ceirmeag YBCO os-ghiùlain aig teòthachd àrd agus a’ rèiteachadh na slighe airson a chur an sàs ann an innealan optoelectronic leithid lorgairean solais fulangach luath msaa.
Tha Figear 1a–c a’ sealltainn feartan IV sampall ceirmeag YBCO aig 50 K. Às aonais soillseachadh solais, bidh am bholtaids thar an t-sampall a’ fuireach aig neoni le sruth ag atharrachadh, mar a dh’ fhaodadh a bhith an dùil bho stuth os-ghiùlain. Nochdaidh buaidh fhòto-bholtaigeach follaiseach nuair a thèid gath laser a stiùireadh chun chatod (Figear 1a): bidh na lùban IV co-shìnte ris an I-axis a’ gluasad sìos le dian laser a tha a’ sìor fhàs. Tha e follaiseach gu bheil bholtaids àicheil ann a tha air adhbhrachadh le foto eadhon às aonais sruth sam bith (ris an canar gu tric bholtaids cuairte fosgailte Voc). Tha leathad neoni lùb IV a’ nochdadh gu bheil an sampall fhathast os-ghiùlain fo shoillseachadh laser.
(a–c) agus 300 K (e–g). Fhuaireadh luachan V(I) le bhith a’ sguabadh an t-sruth bho −10 mA gu +10 mA ann am falamh. Chan eil ach pàirt den dàta deuchainneach air a thaisbeanadh airson soilleireachd. a, Feartan sruth-bholtaids YBCO air an tomhas le spot laser suidhichte aig a’ chatod (i). Tha na lùban IV uile nan loidhnichean dìreach còmhnard a’ nochdadh gu bheil an sampall fhathast a’ giùlan thairis air an uachdar le rèididheachd laser. Bidh an lùb a’ gluasad sìos le dian laser a’ sìor fhàs, a’ nochdadh gu bheil comas àicheil (Voc) eadar an dà stiùir bholtaids eadhon le sruth neoni. Bidh na lùban IV gun atharrachadh nuair a thèid an laser a stiùireadh gu meadhan an t-sampall aig 50 K (b) no 300 K (f). Bidh an loidhne chòmhnard a’ gluasad suas mar a thèid an anod a lasadh (c). Tha modail sgemataig de cheangal meatailt-giùlain thairis air an uachdar aig 50 K air a shealltainn ann an d. Tha feartan sruth-bholtaids YBCO staid àbhaisteach aig 300 K air a thomhas le beam laser air a chomharrachadh aig a’ chatod agus an anod air an toirt seachad ann an e agus g fa leth. An coimeas ris na toraidhean aig 50 K, tha leathad neo-neoni nan loidhnichean dìreach a’ nochdadh gu bheil YBCO ann an staid àbhaisteach; bidh luachan Voc ag atharrachadh le dian solais ann an taobh eile, a’ nochdadh dòigh eadar-dhealaichte airson dealachadh luchdan. Tha structar eadar-aghaidh a dh’ fhaodadh a bhith ann aig 300 K air a shealltainn ann an hj. An fhìor dhealbh den sampall le luaidhean.
Faodaidh YBCO beairteach ann an ocsaidean ann an staid os-ghiùlain cha mhòr làn speactram de sholas na grèine a ghabhail a-steach air sgàth a bheàrn lùtha glè bheag (Eg)9,10, agus mar sin a’ cruthachadh paidhrichean dealanach-toll (e–h). Gus bholtaids cuairte fosgailte Voc a thoirt gu buil le bhith a’ gabhail a-steach fotonan, feumar paidhrichean eh a chaidh a chruthachadh leis an dealbh a sgaradh gu spàsail mus tachair ath-chur18. Tha an Voc àicheil, an coimeas ris a’ chatod agus an anod mar a chithear ann am Figear 1i, a’ moladh gu bheil comas dealain ann thairis air an eadar-aghaidh meatailt-os-ghiùlain, a bhios a’ sguabadh nan dealanan chun an anod agus na tuill chun a’ chatod. Ma tha seo fìor, bu chòir comas a bhith ann cuideachd a’ comharrachadh bhon os-ghiùlain chun an dealan meatailt aig an anod. Mar thoradh air an sin, gheibheadh Voc deimhinneach ma thèid an raon sampall faisg air an anod a shoillseachadh. A bharrachd air an sin, cha bu chòir bholtaids sam bith a bhith air adhbhrachadh le solas nuair a thèid am puing laser a chomharrachadh gu raointean fada bho na dealanan. Tha e gu cinnteach fìor mar a chithear bho Figear 1b,c!.
Nuair a ghluaiseas am puing solais bhon electrod catod gu meadhan an t-sampall (mu 1.25 mm bho na h-eadar-aghaidhean), chan fhaicear atharrachadh sam bith ann an lùban IV agus chan fhaicear Voc sam bith le dian an leusair a tha a’ sìor fhàs chun luach as àirde a tha ri fhaighinn (Figear 1b). Gu nàdarra, faodar an toradh seo a chur às leth fad-beatha cuibhrichte luchd-giùlain air an adhbhrachadh le solas agus dìth feachd dealachaidh anns an t-sampall. Faodar paidhrichean toll-dealanach a chruthachadh nuair a thèid an sampall a shoillseachadh, ach thèid a’ mhòr-chuid de na paidhrichean e-h a sgrios agus chan fhaicear buaidh photovoltaic ma thuiteas am puing laser air raointean fada air falbh bho gin de na electrodan. Le bhith a’ gluasad am puing laser gu na electrodan anod, bidh na lùban IV co-shìnte ris an I-axis a’ gluasad suas le dian an leusair a tha a’ sìor fhàs (Figear 1c). Tha raon dealain togte coltach ris ann an co-cheangal meatailt-superconductor aig an anod. Ach, tha an electrod meatailteach a’ ceangal ris an luaidhe dheimhinneach den t-siostam deuchainn an turas seo. Tha na tuill a chruthaicheas an leusair air am putadh chun luaidhe an anod agus mar sin chithear Voc dheimhinneach. Tha na toraidhean a tha air an taisbeanadh an seo a’ toirt fianais làidir gu bheil comas eadar-aghaidh ann gu dearbh a’ comharrachadh bhon superconductor chun an electrod meatailt.
Tha buaidh photovoltaic ann an ceirmeag YBa2Cu3O6.96 aig 300 K air a shealltainn ann am Figear 1e–g. Às aonais soillseachadh solais, tha lùb IV an t-sampall na loidhne dhìreach a’ dol tarsainn air an tùs. Tha an loidhne dhìreach seo a’ gluasad suas co-shìnte ris an fhear thùsail le dian laser a’ sìor fhàs a’ lasadh aig stiùiridhean a’ chatod (Figear 1e). Tha dà chùis chuingealaichte inntinneach ann airson inneal photovoltaic. Bidh an suidheachadh cuairt ghoirid a’ tachairt nuair a tha V = 0. Canar an sruth cuairt ghoirid (Isc) ris an t-sruth sa chùis seo. Is e an dàrna cùis chuingealaichte an suidheachadh cuairt fhosgailte (Voc) a tha a’ tachairt nuair a tha R→∞ no an sruth neoni. Tha Figear 1e a’ sealltainn gu soilleir gu bheil Voc deimhinneach agus ag àrdachadh le dian solais a’ sìor fhàs, an coimeas ris an toradh a gheibhear aig 50 K; agus thathas a’ faicinn Isc àicheil ag àrdachadh ann am meud le soillseachadh solais, giùlan àbhaisteach cheallan grèine àbhaisteach.
San aon dòigh, nuair a thèid gath an leusair a chomharrachadh gu raointean fada air falbh bho na dealanan, tha an lùb V(I) neo-eisimeileach bho dian an leusair agus chan eil buaidh photovoltaic ann (Figear 1f). Coltach ris an tomhas aig 50 K, bidh na lùban IV a’ gluasad dhan taobh eile fhad ‘s a tha an dealan anod air a sholarachadh (Figear 1g). Tha na toraidhean seo uile a fhuaireadh airson an t-siostam pasgain YBCO-Ag seo aig 300 K le leusair air a sholarachadh aig diofar shuidheachaidhean den sampall a rèir comas eadar-aghaidh a tha mu choinneamh an fhear a chithear aig 50 K.
Bidh a’ mhòr-chuid de na dealanan a’ dlùthachadh ann am paidhrichean Cooper ann an YBCO superconductive fo an teòthachd gluasaid Tc aige. Fhad ‘s a tha iad anns an electrod meatailt, bidh na dealanan uile a’ fuireach ann an cruth singilte. Tha caisead dùmhlachd mòr ann airson an dà chuid dealanan singilte agus paidhrichean Cooper faisg air an eadar-aghaidh meatailt-superconductor. Bidh dealanan singilte giùlan-mòr-chuid ann an stuth meatailteach a’ sgaoileadh a-steach don roinn superconductor, ach bidh paidhrichean Cooper giùlan-mòr-chuid ann an roinn YBCO a’ sgaoileadh a-steach don roinn meatailt. Leis gu bheil paidhrichean Cooper a’ giùlan barrachd chosgaisean agus aig a bheil gluasad nas motha na dealanan singilte a’ sgaoileadh bho YBCO a-steach don roinn meatailteach, bidh dadaman le cosgais dheimhinneach air am fàgail às an dèidh, agus mar thoradh air sin bidh raon dealain ann an roinn cosgais fànais. Tha stiùireadh an raoin dealain seo air a shealltainn anns an diagram sgemataig Figear 1d. Faodaidh soillseachadh foton tachartais faisg air roinn cosgais fànais paidhrichean eh a chruthachadh a thèid a sgaradh agus a sguabadh a-mach a’ toirt a-mach sruth-foto anns an t-slighe claonaidh cùil. Cho luath ‘s a gheibh na dealanan a-mach às an raon dealain togte, bidh iad air an dlùthachadh ann am paidhrichean agus a’ sruthadh chun electrod eile gun strì. Anns a’ chùis seo, tha an Voc mu choinneamh na polarity ro-shuidhichte agus a’ taisbeanadh luach àicheil nuair a bhios an beam laser a’ comharrachadh na sgìre timcheall air an electrod àicheil. Bho luach Voc, faodar an comas thar an eadar-aghaidh a thomhas: tha an t-astar eadar an dà stiùir bholtaids d ~5 × 10−3 m, bu chòir tiughas an eadar-aghaidh meatailt-superconductor, di, a bhith den aon òrdugh meudachd ri fad co-leanailteachd superconductor YBCO (~1 nm)19,20, gabh luach Voc = 0.03 mV, thathas a’ measadh an comas Vms aig an eadar-aghaidh meatailt-superconductor mar ~10−11 V aig 50 K le dian laser de 502 mW/cm2, a’ cleachdadh co-aontar,
Tha sinn airson cuideam a chur an seo nach gabh am bholtadh a tha air adhbhrachadh le solas a mhìneachadh le buaidh teirmeach solas. Chaidh a dhearbhadh gu deuchainneach gur e Ss = 021 co-èifeachd Seebeck an t-superconductor YBCO. Tha an co-èifeachd Seebeck airson uèirichean luaidhe copair anns an raon SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Faodar teòthachd an uèir chopair aig a’ phuing laser a thogail beagan de 0.06 K leis an dian laser as àirde ri fhaighinn aig 50 K. Dh’ fhaodadh seo comas teirmeach-electric de 6.9 × 10−8 V a thoirt gu buil, a tha trì òrdughan meud nas lugha na an Voc a fhuaireadh ann am Figear 1 (a). Tha e follaiseach gu bheil a’ bhuaidh teirmeach-electric ro bheag airson na toraidhean deuchainneach a mhìneachadh. Gu dearbh, bhiodh an atharrachadh teòthachd mar thoradh air rèididheachd laser a’ dol à bith ann an nas lugha na aon mhionaid agus mar sin faodar dearmad a dhèanamh air a’ chuibhreann bho bhuaidh teirmeach gu sàbhailte.
Tha a’ bhuaidh photovoltaic seo de YBCO aig teòthachd an t-seòmair a’ nochdadh gu bheil dòigh eadar-dhealaichte ann airson dealachadh luchdan an sàs an seo. Tha YBCO superconductive ann an staid àbhaisteach na stuth seòrsa-p le tuill mar ghiùlan luchd22,23, agus tha feartan stuth seòrsa-n aig pasgan Ag meatailteach. Coltach ri snaidhmean pn, cruthaichidh sgaoileadh dealanan anns a’ phasgan airgid agus tuill ann an ceirmeag YBCO raon dealain a-staigh a’ comharrachadh a’ cheirmeag YBCO aig an eadar-aghaidh (Figear 1h). Is e an raon a-staigh seo a bheir seachad an fheachd dealachaidh agus a tha a’ leantainn gu Voc deimhinneach agus Isc àicheil airson siostam pasgan YBCO-Ag aig teòthachd an t-seòmair, mar a chithear ann am Figear 1e. Air an làimh eile, dh’ fhaodadh Ag-YBCO snaim Schottky seòrsa-p a chruthachadh a tha cuideachd a’ leantainn gu comas eadar-aghaidh leis an aon phòlarachd ris a’ mhodail a chaidh a thaisbeanadh gu h-àrd24.
Gus sgrùdadh mionaideach a dhèanamh air pròiseas mean-fhàs nan feartan fòto-bholtaigeach rè gluasad superconductive YBCO, chaidh lùban IV den sampall aig 80 K a thomhas le dian laser taghte a’ lasadh aig electrod catod (Figear 2). Às aonais irradachadh laser, bidh am bholtaids thar an t-sampall a’ fuireach aig neoni ge bith dè an sruth, a’ nochdadh staid superconducting an t-sampall aig 80 K (Figear 2a). Coltach ris an dàta a fhuaireadh aig 50 K, bidh lùban IV co-shìnte ris an I-axis a’ gluasad sìos le dian laser a’ sìor fhàs gus an ruig luach èiginneach Pc. Os cionn an dian laser èiginneach seo (Pc), bidh an superconductor a’ dol tro ghluasad bho ìre superconducting gu ìre resistive; bidh am bholtaids a’ tòiseachadh ag àrdachadh le sruth air sgàth coltas strì anns an superconductor. Mar thoradh air an sin, bidh an lùb IV a’ tòiseachadh a’ trasnadh leis an I-axis agus an V-axis a’ leantainn gu Voc àicheil agus Isc deimhinneach an toiseach. A-nis tha coltas gu bheil an sampall ann an staid shònraichte anns a bheil polarity Voc agus Isc gu math mothachail air dian solais; Le àrdachadh glè bheag ann an dian solais, thèid Isc a thionndadh bho dheimhinneach gu àicheil agus Voc bho luach àicheil gu dearbhach, a’ dol seachad air an tùs (chithear cugallachd àrd fheartan photovoltaic, gu sònraichte luach Isc, ri soillseachadh solais nas soilleire ann am Figear 2b). Aig an dian laser as àirde a tha ri fhaighinn, tha na lùban IV an dùil a bhith co-shìnte ri chèile, a’ comharrachadh staid àbhaisteach sampall YBCO.
Tha meadhan spot an leusair suidhichte timcheall air electrodan a’ chatòid (faic Figear 1i). a, lùban IV de YBCO air a rèididheachd le dian leusair eadar-dhealaichte. b (gu h-àrd), Eisimeileachd dian an leusair air bholtaids cuairte fosgailte Voc agus sruth cuairte goirid Isc. Chan urrainnear na luachan Isc fhaighinn aig dian solais ìosal (< 110 mW/cm2) leis gu bheil na lùban IV co-shìnte ris an I-axis nuair a tha an sampall ann an staid superconducting. b (gu h-ìosal), strì an aghaidh eadar-dhealaichte mar ghnìomh dian an leusair.
Tha an eisimeileachd dian laser aig Voc agus Isc aig 80 K air a shealltainn ann am Figear 2b (gu h-àrd). Faodar beachdachadh air na feartan photovoltaic ann an trì roinnean de dian solais. Tha a’ chiad roinn eadar 0 agus Pc, anns a bheil YBCO ro-ghiùlain, tha Voc àicheil agus a’ lùghdachadh (bidh luach iomlan ag àrdachadh) le dian solais agus a’ ruighinn as ìsle aig Pc. Tha an dàrna roinn bho Pc gu dian èiginneach eile P0, anns a bheil Voc ag àrdachadh agus Isc a’ lùghdachadh le dian solais a tha ag àrdachadh agus ruigidh an dà chuid neoni aig P0. Tha an treas roinn os cionn P0 gus an ruig e staid àbhaisteach YBCO. Ged a tha an dà chuid Voc agus Isc ag atharrachadh le dian solais san aon dòigh ri ann an roinn 2, tha polarity mu choinneamh aca os cionn an dian èiginneach P0. Tha cudromachd P0 na laighe anns nach eil buaidh photovoltaic ann agus gu bheil an dòigh-obrach dealachaidh luchd ag atharrachadh gu càileachdail aig a’ phuing shònraichte seo. Bidh an sampall YBCO neo-ro-ghiùlain san raon seo de dian solais ach chan eil an staid àbhaisteach air a ruighinn fhathast.
Gu soilleir, tha feartan fòto-bholtaigeach an t-siostaim ceangailte gu dlùth ri superconductivity YBCO agus an gluasad superconductivity aige. Tha an aghaidh eadar-dhealaichte, dV / dI, de YBCO air a shealltainn ann am Figear 2b (bonn) mar ghnìomh dian laser. Mar a chaidh ainmeachadh roimhe, tha an comas dealain togte san eadar-aghaidh mar thoradh air puingean sgaoilidh paidhir Cooper bhon superconductor gu meatailt. Coltach ris an fhear a chithear aig 50 K, tha buaidh fòto-bholtaigeach air a neartachadh le dian laser a tha a’ sìor fhàs bho 0 gu Pc. Nuair a ruigeas dian an laser luach beagan os cionn Pc, bidh an lùb IV a’ tòiseachadh a’ claonadh agus bidh strì an t-sampall a’ tòiseachadh a’ nochdadh, ach chan eil polarity comas an eadar-aghaidh air atharrachadh fhathast. Chaidh buaidh brosnachaidh optigeach air an superconductivity a sgrùdadh anns an roinn faicsinneach no faisg air IR. Ged is e am pròiseas bunaiteach na paidhrichean Cooper a bhriseadh suas agus an superconductivity a sgrios25,26, ann an cuid de chùisean faodar gluasad superconductivity a neartachadh27,28,29, faodar eadhon ìrean ùra de superconductivity a bhrosnachadh30. Faodar dìth superconductivity aig Pc a chur às leth briseadh paidhir air adhbhrachadh le solas. Aig a’ phuing P0, bidh an comas thar an eadar-aghaidh a’ fàs neoni, a’ comharrachadh gu bheil dùmhlachd an luchd anns gach taobh den eadar-aghaidh a’ ruighinn an aon ìre fon dian solais shònraichte seo. Bidh àrdachadh a bharrachd ann an dian an leusair ag adhbhrachadh gum bi barrachd chàraidean Cooper air an sgrios agus bidh YBCO air a thionndadh mean air mhean air ais gu stuth seòrsa-p. An àite sgaoileadh electron agus paidhir Cooper, tha feart an eadar-aghaidh a-nis air a dhearbhadh le sgaoileadh electron agus toll a tha ag adhbhrachadh tionndadh polarity an achaidh dealain san eadar-aghaidh agus mar thoradh air sin Voc deimhinneach (dèan coimeas eadar Figear 1d, h). Aig dian leusair glè àrd, bidh an aghaidh eadar-dhealaichte de YBCO a’ sàthadh gu luach a tha a’ freagairt ris an staid àbhaisteach agus bidh an dà chuid Voc agus Isc buailteach atharrachadh gu loidhneach le dian an leusair (Figear 2b). Tha an amharc seo a’ nochdadh nach atharraich irradachadh leusair air YBCO staid àbhaisteach a aghaidh agus feart an eadar-aghaidh superconductor-meatailt tuilleadh ach dìreach àrdaich e dùmhlachd nam càraidean electron-toll.
Gus buaidh teòthachd air feartan nam fòto-bholtaigeach a sgrùdadh, chaidh an siostam meatailt-superconductor a rèididheachd aig a’ chatod le laser gorm de dhianachd 502 mW/cm2. Tha lùban IV a fhuaireadh aig teòthachdan taghte eadar 50 agus 300 K air an toirt seachad ann am Figear 3a. Faodar am bholtaids cuairte fosgailte Voc, an sruth cuairte goirid Isc agus an aghaidh eadar-dhealaichte fhaighinn bho na lùban IV seo agus tha iad air an sealltainn ann am Figear 3b. Às aonais soillseachadh solais, bidh na lùban IV uile a chaidh a thomhas aig diofar theodhachdan a’ dol seachad air an tùs mar a bha dùil (inset de Figear 3a). Bidh feartan IV ag atharrachadh gu mòr le teòthachd ag èirigh nuair a tha an siostam air a shoillseachadh le beam laser an ìre mhath làidir (502 mW/cm2). Aig teòthachdan ìosal tha na lùban IV nan loidhnichean dìreach co-shìnte ris an I-axis le luachan àicheil de Voc. Bidh an lùb seo a’ gluasad suas le teòthachd ag èirigh agus mean air mhean bidh e a’ tionndadh gu bhith na loidhne le leathad neo-neoni aig teòthachd èiginneach Tcp (Figear 3a (gu h-àrd)). Tha e coltach gu bheil na lùban feart IV uile a’ tionndadh timcheall air puing anns an treas ceathramh. Bidh Voc ag àrdachadh bho luach àicheil gu luach dearbhach agus bidh Isc a’ lùghdachadh bho luach dearbhach gu luach àicheil. Os cionn teòthachd gluasaid tùsail Tc airson YBCO, bidh an lùb IV ag atharrachadh gu math eadar-dhealaichte leis an teòthachd (bonn Figear 3a). An toiseach, bidh ionad rothlaidh nan lùban IV a’ gluasad chun a’ chiad cheathramh. San dàrna àite, bidh Voc a’ sìor dhol sìos agus Isc ag àrdachadh le teòthachd ag àrdachadh (mullach Figear 3b). San treas àite, bidh leathad nan lùban IV ag àrdachadh gu loidhneach leis an teòthachd agus mar thoradh air sin bidh co-èifeachd strì an aghaidh teòthachd dearbhach aig YBCO (bonn Figear 3b).
Eisimeileachd teòthachd air feartan fòto-bholtaigeach airson siostam pasgain YBCO-Ag fo shoillseachadh leusair 502 mW/cm2.
Tha meadhan spot an leusair suidhichte timcheall air electrodan a’ chatòid (faic Figear 1i). a, lùban IV a fhuaireadh bho 50 gu 90 K (gu h-àrd) agus bho 100 gu 300 K (gu h-ìosal) le àrdachadh teòthachd de 5 K agus 20 K, fa leth. Tha cuir-a-steach a a’ sealltainn feartan IV aig grunn theodhachdan anns an dorchadas. Tha na lùban uile a’ dol tarsainn air a’ phuing tùsail. b, bholtaids cuairte fosgailte Voc agus sruth cuairte goirid Isc (gu h-àrd) agus an aghaidh eadar-dhealaichte, dV/dI, de YBCO (gu h-ìosal) mar ghnìomh teòthachd. Chan eil an teòthachd gluasaid superconductive aghaidh neoni Tcp air a thoirt seachad leis gu bheil e ro fhaisg air Tc0.
Chithear trì teòthachdan èiginneach bho Fhigear 3b: Tcp, os a chionn sin bidh YBCO neo-fhor-ghiùlain; Tc0, aig a bheil an dà chuid Voc agus Isc a’ fàs neoni agus Tc, an teòthachd gluasaid fo-ghiùlain tòiseachaidh tùsail de YBCO às aonais irradachadh laser. Fo Tcp ~ 55 K, tha an YBCO air a irradachadh le laser ann an staid fo-ghiùlain le dùmhlachd coimeasach àrd de chàraidean Cooper. Is e buaidh irradachadh laser teòthachd gluasaid fo-ghiùlain strì neoni a lughdachadh bho 89 K gu ~ 55 K (bonn Fhigear 3b) le bhith a’ lughdachadh dùmhlachd a’ chàraid Cooper a bharrachd air a bhith a’ dèanamh bholtaids agus sruth photovoltaic. Bidh àrdachadh ann an teòthachd cuideachd a’ briseadh sìos nam càraidean Cooper a’ leantainn gu comas nas ìsle san eadar-aghaidh. Mar thoradh air an sin, bidh luach iomlan Voc a’ fàs nas lugha, ged a thèid an aon dian de shoillseachadh laser a chuir an sàs. Bidh comas an eadar-aghaidh a’ fàs nas lugha agus nas lugha le àrdachadh a bharrachd ann an teòthachd agus ruigidh e neoni aig Tc0. Chan eil buaidh photovoltaic aig a’ phuing shònraichte seo leis nach eil raon a-staigh ann gus na càraidean electron-toll a tha air an adhbhrachadh le photo a sgaradh. Bidh tionndadh pòlarachd a’ chomasaich a’ tachairt os cionn na teòthachd chudromach seo leis gu bheil dùmhlachd an luchd shaor ann am pasgan Ag nas motha na an dùmhlachd ann an YBCO a thèid a ghluasad mean air mhean air ais gu stuth seòrsa-p. An seo tha sinn airson cuideam a chuir air gu bheil tionndadh pòlarachd Voc agus Isc a’ tachairt dìreach às deidh an atharrachaidh superconductivity strì neoni, ge bith dè an adhbhar airson an atharrachaidh. Tha an amharc seo a’ nochdadh gu soilleir, airson a’ chiad uair, an dàimh eadar superconductivity agus na buaidhean photovoltaic co-cheangailte ri comas eadar-aghaidh meatailt-superconductor. Tha nàdar a’ chomasaich seo thar eadar-aghaidh meatailt superconductor-àbhaisteach air a bhith na fhòcas rannsachaidh airson grunn dheicheadan a dh’ fhalbh ach tha mòran cheistean fhathast ri fhreagairt. Dh’ fhaodadh tomhas air a’ bhuaidh photovoltaic a bhith na dhòigh èifeachdach airson mion-fhiosrachadh (leithid a neart agus a pòlarachd msaa) a’ chomas chudthromach seo a sgrùdadh agus mar sin solas a thilgeil air buaidh faisg air superconductor aig teòthachd àrd.
Bidh àrdachadh a bharrachd ann an teòthachd bho Tc0 gu Tc a’ leantainn gu dùmhlachd nas lugha de chàraidean Cooper agus àrdachadh ann an comas an eadar-aghaidh agus mar thoradh air sin Voc nas motha. Aig Tc bidh dùmhlachd a’ chàraid Cooper a’ fàs neoni agus ruigidh an comas togte aig an eadar-aghaidh an ìre as àirde, agus mar thoradh air sin bidh Voc as àirde agus Isc as ìsle. Tha an àrdachadh luath ann an Voc agus Isc (luach iomlan) anns an raon teòthachd seo a’ freagairt ris an atharrachadh superconducting a tha air a leudachadh bho ΔT ~ 3 K gu ~ 34 K le rèididheachd laser de dhian 502 mW / cm2 (Figear 3b). Anns na staidean àbhaisteach os cionn Tc, bidh am bholtaids cuairte fosgailte Voc a’ lùghdachadh le teòthachd (mullach Figear 3b), coltach ri giùlan loidhneach Voc airson ceallan grèine àbhaisteach stèidhichte air snaidhmeannan pn31,32,33. Ged a tha an ìre atharrachaidh de Voc le teòthachd (−dVoc / dT), a tha an urra gu mòr ri dian laser, mòran nas lugha na an ìre de cheallan grèine àbhaisteach, tha an aon òrdugh meud aig co-èifeachd teòthachd Voc airson snaidhm YBCO-Ag ri meud nan ceallan grèine. Bidh an sruth aodion aig ceangal pn airson inneal cealla grèine àbhaisteach ag àrdachadh le teòthachd ag àrdachadh, agus mar sin bidh lùghdachadh ann an Voc mar a bhios an teòthachd ag àrdachadh. Tha na lùban IV loidhneach a chithear airson an t-siostam Ag-superconductor seo, air sgàth an toiseach an comas eadar-aghaidh glè bheag agus san dàrna àite an ceangal cùil ri cùl an dà hetero-cheangal, ga dhèanamh duilich an sruth aodion a dhearbhadh. A dh’ aindeoin sin, tha e coltach gu bheil an aon eisimeileachd teòthachd de shruth aodion an urra ri giùlan Voc a chithear san deuchainn againn. A rèir a’ mhìneachaidh, is e Isc an sruth a dh’ fheumar gus bholtadh àicheil a thoirt gu buil gus dìoladh a dhèanamh airson Voc gus am bi am bholtadh iomlan neoni. Mar a bhios an teòthachd ag àrdachadh, bidh Voc a’ fàs nas lugha agus mar sin tha feum air nas lugha de shruth gus am bholtadh àicheil a thoirt gu buil. A bharrachd air an sin, bidh strì an YBCO ag àrdachadh gu loidhneach le teòthachd os cionn Tc (bonn Figear 3b), a tha cuideachd a’ cur ri luach iomlan nas lugha Isc aig teòthachdan àrda.
Thoir an aire gu bheil na toraidhean a tha air an toirt seachad ann am Figearan 2,3 air an faighinn le bhith a’ lasadh leusair air an sgìre timcheall air electrodan catod. Chaidh tomhais ath-aithris cuideachd le spot leusair suidhichte aig an anod agus chaidh feartan IV coltach ris agus feartan photovoltaic fhaicinn ach a-mhàin gu bheil polarity Voc agus Isc air a thionndadh air ais sa chùis seo. Tha an dàta seo uile a’ leantainn gu meacanaig airson a’ bhuaidh photovoltaic, a tha dlùth-cheangailte ris an eadar-aghaidh superconductor-meatailt.
Mar gheàrr-chunntas, chaidh feartan IV siostam pasgain YBCO-Ag superconductive air a rèididheachd le laser a thomhas mar ghnìomhan teòthachd agus dian laser. Chaidh buaidh photovoltaic iongantach fhaicinn anns an raon teòthachd bho 50 gu 300 K. Chaidh a lorg gu bheil na feartan photovoltaic a’ buntainn gu làidir ri superconductivity ceirmeag YBCO. Bidh tionndadh polarity Voc agus Isc a’ tachairt dìreach às deidh an atharrachaidh bho superconducting gu neo-superconducting air adhbhrachadh le photo. Tha eisimeileachd teòthachd Voc agus Isc air a thomhas aig dian laser stèidhichte cuideachd a’ sealltainn tionndadh polarity soilleir aig teòthachd èiginneach os a bheil an sampall a’ fàs resistive. Le bhith a’ suidheachadh a’ phuing laser gu pàirt eadar-dhealaichte den sampall, tha sinn a’ sealltainn gu bheil comas dealain ann thairis air an eadar-aghaidh, a bheir seachad an fheachd dealachaidh airson na paidhrichean electron-toll air an adhbhrachadh le photo. Bidh an comas eadar-aghaidh seo a’ stiùireadh bho YBCO chun electrod meatailt nuair a tha YBCO superconductive agus ag atharrachadh chun taobh eile nuair a thig an sampall gu bhith neo-superconductive. Dh’ fhaodadh tùs a’ chomas a bhith co-cheangailte gu nàdarrach ris a’ bhuaidh faisg air làimh aig eadar-aghaidh meatailt-superconductor nuair a tha YBCO superconductor agus thathar a’ meas gu bheil e ~10−8 mV aig 50 K le dian laser de 502 mW/cm2. Bidh conaltradh stuth seòrsa-p YBCO aig staid àbhaisteach le stuth seòrsa-n Bidh Ag-paste a’ cruthachadh snaim quasi-pn a tha an urra ri giùlan photovoltaic ceirmeag YBCO aig teòthachd àrd. Tha na beachdan gu h-àrd a’ toirt solas air a’ bhuaidh PV ann an ceirmeag YBCO superconductor aig teòthachd àrd agus a’ rèiteachadh na slighe gu tagraidhean ùra ann an innealan optoelectronic leithid lorgaire solais fulangach luath agus lorgaire foton singilte.
Chaidh na deuchainnean buaidh photovoltaic a dhèanamh air sampall ceirmeag YBCO de thiugh 0.52 mm agus cumadh ceart-cheàrnach 8.64 × 2.26 mm2 agus air a shoillseachadh le laser gorm tonn leantainneach (λ = 450 nm) le meud spot laser de 1.25 mm ann an radius. Le bhith a’ cleachdadh sampall mòr seach film tana, is urrainn dhuinn feartan photovoltaic an t-superconductor a sgrùdadh gun a bhith a’ dèiligeadh ri buaidh iom-fhillte an t-substrate6,7. A bharrachd air an sin, dh’ fhaodadh an stuth mòr a bhith freagarrach airson a mhodh-obrach ullachaidh sìmplidh agus cosgais an ìre mhath ìosal. Tha na uèirichean luaidhe copair ceangailte air an sampall YBCO le pas airgid a’ cruthachadh ceithir electrodan cruinn mu 1 mm ann an trast-thomhas. Tha an t-astar eadar an dà electrod bholtaids mu 5 mm. Chaidh feartan IV an t-sampall a thomhas a’ cleachdadh magnetometer sampall crith (VersaLab, Quantum Design) le uinneag criostail grian-chlach. Chaidh dòigh àbhaisteach ceithir-uèir a chleachdadh gus na lùban IV fhaighinn. Tha suidheachaidhean coimeasach electrodan agus am spot laser air an sealltainn ann am Figear 1i.
Mar a bheir thu luaidh air an artaigil seo: Yang, F. et al. Tùs buaidh photovoltaic ann an ceirmeag YBa2Cu3O6.96 superconducting. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Bholtaids air an adhbhrachadh le leusair a tha air an toirmeasg le co-chothromachd ann an YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Tùs a’ chomharra fòto-bholtaigeach neo-àbhaisteach ann an Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Tomhas bholtaids air an adhbhrachadh le leusair de Bi-Sr-Ca-Cu-O os-ghiùlain. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Bholtaids sealach air an adhbhrachadh le leusair ann am filmichean YBa2Cu3O7-x aig teòthachd an t-seòmair. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Freagairt neo-àbhaisteach fòto-bholtaigeach ann an YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. In-stealladh giùlain toll air a chruthachadh le foto gu YBa2Cu3O7−x ann an structar hetero ogsaid. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Sgrùdadh air fòto-sgaoileadh fhilmichean tana YBa2Cu3Oy fo shoillseachadh solais. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Buaidh photovoltaic de cheangal hetero YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb air a losgadh ann an cuideam pàirteach ocsaidean eadar-dhealaichte. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Structar dà-bheàrn ann an criostalan singilte Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Daineamaigs fois-cheàrnach co-ionann ann an superconductors le diofar structaran beàrn: Teòiridh agus deuchainnean air YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Feartan ceartachaidh an YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Gabhail a-steach excitonach agus superconductivity ann an YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Seoltachd sealach air a bhrosnachadh le solas ann an criostalan singilte leth-ghiùlain de YBa2Cu3O6.3: rannsachadh airson staid meatailteach air a bhrosnachadh le solas agus airson superconductivity air a bhrosnachadh le solas. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Modail tunailidh de bhuaidh faisgeachd superconducting. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Buaidh faisgeachd os-ghiùlain air a sgrùdadh air sgèile faid mesoscopach. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Buaidh faisgeachd le superconductors neo-mheadhanach-chothromach. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Buaidh làidir dlùth-chomainn os-ghiùlain ann an structaran measgaichte Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Cealla-foto ùr snaidhm pn sileaconach airson rèididheachd na grèine a thionndadh gu cumhachd dealain. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Buaidhean neo-ghlaine air fad co-leanailteachd superconducting ann an criostalan singilte YBa2Cu3O6.9 le dopadh Zn no Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. An aghaidh magnetach criostalan singilte YBa2Cu3Oy neo-cheangailte ann an raon farsaing de dhopadh: eisimeileachd neo-àbhaisteach air dopadh toll a rèir fad na co-leanailteachd. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Siostamachd ann an cumhachd teirmeach-eileagtrach ocsaidean àrd-T. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Gluasad momentum a tha an urra ri dùmhlachd-giùlain aig a’ mhullach cho-leanailteach agus modh fonon LO ann an superconductors àrd-Tc seòrsa-p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Lùghdachadh toll agus cruinneachadh electron ann am filmichean tana YBa2Cu3Oy a’ cleachdadh dòigh-obrach electroceimigeach: Fianais airson staid meatailteach seòrsa-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fiosaigs agus ceimigeachd àirde bacadh Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Buaidhean Briseadh Paidhir Taobh a-muigh Fiùghantach ann am Filmichean Superconducting. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Àrdachadh air superconductivity air adhbhrachadh le solas. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Dealbh-ghiùlaineachd mhaireannach ann am filmichean YBa2Cu3O6+x mar dhòigh air dealbh-dhòpadh a dh’ionnsaigh ìrean meatailteach agus os-ghiùlaineach. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Daineamaigs neo-loidhneach laitís mar bhunait airson superconductivity leasaichte ann an YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Super-ghiùlanachd air adhbhrachadh le solas ann an cuprate òrdaichte le stiallan. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA An eisimeileachd gnìomh teòthachd de VOC airson cealla grèine a thaobh a èifeachdais dòigh-obrach ùr. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Buaidhean teòthachd ann an ceallan grèine silicon bacaidh Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Eisimeileachd teòthachd airson paramadairean inneal photovoltaic ceallan grèine polymer-fullerene fo chumhachan obrachaidh. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Tha an obair seo air taic fhaighinn bho Bhunait Nàiseanta Saidheans Nàdair Shìona (Tabhartas Àir. 60571063), agus Pròiseactan Rannsachaidh Bunasach Roinn Henan, Sìona (Tabhartas Àir. 122300410231).
Sgrìobh FY teacsa a’ phàipeir agus dh’ullaich MYH an sampall ceirmeag YBCO. Rinn FY agus MYH an deuchainn agus rinn iad mion-sgrùdadh air na toraidhean. Stiùir FGC am pròiseact agus mìneachadh saidheansail an dàta. Rinn na h-ùghdaran uile ath-sgrùdadh air an làmh-sgrìobhainn.
Tha an obair seo fo cheadachas Creative Commons Attribution 4.0 International License. Tha na h-ìomhaighean no stuth treas-phàrtaidh eile san artaigil seo air an gabhail a-steach ann an ceadachas Creative Commons an artaigil, mura h-eilear ag ràdh a chaochladh anns an loidhne creideis; mura h-eil an stuth air a ghabhail a-steach fo cheadachas Creative Commons, feumaidh luchd-cleachdaidh cead fhaighinn bhon neach aig a bheil a’ cheadachas an stuth ath-riochdachadh. Gus leth-bhreac den cheadachas seo fhaicinn, tadhail air http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Tùs buaidh photovoltaic ann an ceirmeag YBa2Cu3O6.96 superconductive. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Le bhith a’ cur a-steach beachd tha thu ag aontachadh cumail ris na Cumhachan agus Stiùiridhean Coimhearsnachd againn. Ma lorgas tu rudeigin mì-mhodhail no nach eil a’ gèilleadh ris na cumhachan no stiùiridhean againn, feuch an comharraich thu e mar rud neo-iomchaidh.
Àm puist: 22 Giblean 2020