Uppruni ljósvirkni í ofurleiðandi YBa2Cu3O6.96 keramik

Þakka þér fyrir að heimsækja nature.com. Þú ert að nota vafraútgáfu með takmörkuðum stuðningi við CSS. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir nýrri vafra (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Á meðan, til að tryggja áframhaldandi stuðning, birtum við síðuna án stíla og JavaScript.

Við greinum frá merkilegum ljósleiðaraáhrifum í YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik á milli 50 og 300 K sem framkölluð eru af bláum leysigeisla, sem tengjast beint ofurleiðni YBCO og tengifleti YBCO og málm-ofurleiðara. Það verður pólunarviðsnúningur fyrir opna hringrásarspennuna Voc og skammhlaupsstrauminn Isc þegar YBCO breytist úr ofurleiðandi í viðnámsástand. Við sýnum fram á að rafspenna er til staðar yfir tengifleti ofurleiðarans og venjulegs málms, sem veitir aðskilnaðarkraft fyrir ljósörvuðu rafeinda-holupörin. Þessi tengifletisspenna beinist frá YBCO að málm-ofurleiðaranum þegar YBCO er ofurleiðandi og skiptir í hina áttina þegar YBCO verður ekki ofurleiðandi. Uppruni spennunnar má auðveldlega tengja við nálægðaráhrif á tengifleti málms og ofurleiðara þegar YBCO er ofurleiðandi og gildi hennar er áætlað að vera ~10–8 mV við 50 K með leysigeislastyrk upp á 502 mW/cm2. Samsetning p-gerð efnis YBCO í eðlilegu ástandi og n-gerð efnis Ag-pasta myndar kvasi-pn gatnamót sem bera ábyrgð á ljósvirkri hegðun YBCO keramik við hátt hitastig. Niðurstöður okkar gætu rutt brautina fyrir nýrri notkun ljóseinda-rafeindabúnaðar og varpað frekara ljósi á nálægðaráhrif á tengifleti ofurleiðara og málms.

Ljósvirk spenna í háhitaofurleiðurum hefur verið lýst snemma á tíunda áratugnum og hefur verið rannsökuð ítarlega síðan, en eðli hennar og verkunarháttur eru enn óljós1,2,3,4,5. Þunnfilmur af gerðinni YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 eru sérstaklega rannsakaðar ítarlega í formi ljósvirkra frumna (PV) vegna stillanlegs orkubils þeirra9,10,11,12,13. Hins vegar leiðir mikil viðnám undirlagsins alltaf til lágrar umbreytingarnýtni tækisins og dylur helstu PV eiginleika YBCO8. Hér greinum við frá merkilegum ljósvirkniáhrifum sem framkölluð eru með bláum leysigeisla (λ = 450 nm) lýsingu í YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik á milli 50 og 300 K (Tc ~ 90 K). Við sýnum fram á að PV áhrifin tengjast beint ofurleiðni YBCO og eðli YBCO og málmrafskautsviðmótsins. Það verður snúningur á pólun fyrir opna hringrásarspennuna Voc og skammhlaupsstrauminn Isc þegar YBCO breytist úr ofurleiðandi fasa í viðnámsástand. Talið er að rafspenna sé til staðar yfir tengifleti ofurleiðarans og eðlilegs málms, sem veitir aðskilnaðarkraft fyrir ljósörvuð rafeinda-holupör. Þessi tengifletisspenna beinist frá YBCO að málmrafskautinu þegar YBCO er ofurleiðandi og skiptir í hina áttina þegar sýnið verður ekki ofurleiðandi. Uppruni spennunnar gæti tengst nálægðaráhrifum14,15,16,17 á tengifleti málms og ofurleiðara þegar YBCO er ofurleiðandi og gildi hennar er áætlað að vera ~10−8 mV við 50 K með leysigeislastyrk upp á 502 mW/cm2. Samsetning p-gerðar efnis YBCO í eðlilegu ástandi og n-gerðar efnis Ag-pasta myndar líklega kvasi-pn gatnamót sem bera ábyrgð á PV hegðun YBCO keramik við hátt hitastig. Athuganir okkar varpa frekara ljósi á uppruna sólarljósáhrifa í ofurleiðandi YBCO keramik við háan hita og ryðja brautina fyrir notkun þeirra í ljósfræðilegum tækjum eins og hröðum, óvirkum ljósnema o.s.frv.

Mynd 1a–c sýnir IV eiginleika YBCO keramiksýnisins við 50 K. Án ljóss helst spennan yfir sýnið núll með breytilegum straumi, eins og búast má við af ofurleiðandi efni. Augljós ljósvirkni kemur fram þegar leysigeisli er beint að bakskauti (Mynd 1a): IV ferlarnir samsíða I-ásnum færast niður með aukinni leysistyrk. Það er augljóst að neikvæð ljósspenna er til staðar jafnvel án straums (oft kölluð opin hringrásarspenna Voc). Núllhalli IV ferilsins gefur til kynna að sýnið sé enn ofurleiðandi undir leysigeislalýsingu.

(a–c) og 300 K (e–g). Gildi V(I) voru fengin með því að sveipa straumnum frá −10 mA til +10 mA í lofttæmi. Aðeins hluti tilraunagagnanna er kynntur til glöggvunar. a, Straum-spennueiginleikar YBCO mældir með leysigeisla staðsettan við bakskaut (i). Allar IV-ferlarnir eru láréttar beinar línur sem gefa til kynna að sýnið er enn ofurleiðandi með leysigeislun. Ferillinn færist niður með aukinni leysigeislastyrk, sem gefur til kynna að neikvæð spenna (Voc) sé til staðar milli spennuliðanna tveggja jafnvel með núllstraumi. IV-ferlarnir haldast óbreyttir þegar leysirinn er beint að miðju sýnisins við annað hvort 50 K (b) eða 300 K (f). Lárétta línan færist upp þegar anóðan lýsir upp (c). Skýringarmynd af málm-ofurleiðara samskeyti við 50 K er sýnd í d. Straum-spennueiginleikar YBCO í eðlilegu ástandi við 300 K mældir með leysigeisla beint að bakskaut og anóðu eru gefnir í e og g, talið í sömu röð. Ólíkt niðurstöðunum við 50 K, bendir hallaþrep beinu línanna, sem er ekki núll, til þess að YBCO sé í eðlilegu ástandi; gildi Voc breytast með ljósstyrk í gagnstæða átt, sem bendir til mismunandi hleðsluaðskilnaðarferlis. Möguleg tengifletisbygging við 300 K er sýnd í hj. Raunveruleg mynd af sýninu með vísbendingum.

Súrefnisríkt YBCO í ofurleiðandi ástandi getur gleypt næstum allt sólarljós litróf vegna mjög lítils orkubils (Eg)9,10 og þannig myndað rafeinda-holu pör (e–h). Til að framleiða opna hringrásarspennu Voc með frásogi ljóseinda er nauðsynlegt að aðskilja ljósmyndaða eh pörin rúmfræðilega áður en endurröðun á sér stað18. Neikvæða Voc, miðað við bakskaut og anóðu eins og sýnt er á mynd 1i, bendir til þess að rafspenna sé til staðar yfir tengifleti málms og ofurleiðara, sem sópar rafeindunum að anóðunni og holunum að bakskautinu. Ef svo er, ætti einnig að vera spenna sem beinist frá ofurleiðaranum að málmrafskautinu við anóðuna. Þar af leiðandi myndi jákvæð Voc fást ef sýnishornssvæðið nálægt anóðunni er upplýst. Ennfremur ættu engar ljósframkallaðar spennur að vera þegar leysigeislabletturinn beinist að svæðum langt frá rafskautunum. Það er vissulega raunin eins og sjá má á mynd 1b,c!.

Þegar ljósbletturinn færist frá katóðu rafskautinu að miðju sýnisins (um 1,25 mm frá snertifletinum) sjást engar breytingar á IV-kúrfum og engin VoC (Voc) með aukinni leysigeislastyrk upp að hámarksgildi (Mynd 1b). Þessa niðurstöðu má að sjálfsögðu rekja til takmarkaðs líftíma ljósframkallaðra flutningsaðila og skorts á aðskilnaðarkrafti í sýninu. Rafeinda-holupör geta myndast í hvert skipti sem sýnið er lýst upp, en flest e-h pörin munu tortímast og engin ljósvirkni sést ef leysigeislabletturinn fellur á svæði langt frá einhverjum af rafskautunum. Með því að leysigeislabletturinn færist að anóðu rafskautunum færast IV-kúrfurnar samsíða I-ásnum upp á við með aukinni leysigeislastyrk (Mynd 1c). Svipað innbyggt rafsvið er til staðar í málm-ofurleiðara samskeyti við anóðuna. Hins vegar tengist málmrafskautið jákvæða leiðslu prófunarkerfisins að þessu sinni. Götin sem leysirinn myndar eru ýtt að anóðuleiðslunni og þannig sést jákvæð VoC. Niðurstöðurnar sem hér eru kynntar veita sterkar vísbendingar um að það sé í raun til staðar tengiflötsmöguleiki sem vísar frá ofurleiðaranum að málmrafskautinu.

Ljósvirkni í YBa2Cu3O6.96 keramik við 300 K er sýnd á mynd 1e–g. Án ljóss er IV-kúrfa sýnisins bein lína sem sker upphafspunktinn. Þessi bein lína færist upp á við samsíða upprunalegu línunni með vaxandi leysigeislunarstyrk sem skín á katóðuleiðarana (mynd 1e). Tvö takmörkunartilvik eru áhugaverð fyrir ljósvirkjatæki. Skammhlaupsástandið á sér stað þegar V = 0. Straumurinn í þessu tilfelli er kallaður skammhlaupsstraumur (Isc). Annað takmörkunartilvikið er opið hringrásarástand (Voc) sem á sér stað þegar R→∞ eða straumurinn er núll. Mynd 1e sýnir greinilega að Voc er jákvætt og eykst með aukinni ljósstyrk, ólíkt niðurstöðunni sem fæst við 50 K; en neikvætt Isc sést aukast í stærð með ljósi, sem er dæmigerð hegðun venjulegra sólarsella.

Á sama hátt, þegar leysigeislinn beinist að svæðum langt frá rafskautunum, er V(I) ferillinn óháður leysistyrkleikanum og engin ljósvirkni kemur fram (Mynd 1f). Líkt og mælingin við 50 K, færast IV ferlarnir í gagnstæða átt þegar anóðurafskautið er geislað (Mynd 1g). Allar þessar niðurstöður sem fengust fyrir þetta YBCO-Ag pastakerfi við 300 K með leysigeisla á mismunandi stöðum í sýninu eru í samræmi við tengifletisspennu sem er andstæð þeirri sem sést við 50 K.

Flestar rafeindir þéttast í Cooper-pörum í ofurleiðandi YBCO undir umbreytingarhitastigi þess Tc. Í málmrafskautinu eru allar rafeindir áfram í eintöluformi. Það er mikill eðlisþyngdarhalli fyrir bæði einstakar rafeindir og Cooper-pör nálægt tengifleti málms og ofurleiðara. Einstakar rafeindir í meirihluta burðarefnisins í málmefni munu dreifast inn í ofurleiðarasvæðið, en Cooper-pör í meirihluta burðarefnisins í YBCO svæðinu munu dreifast inn í málmsvæðið. Þar sem Cooper-pör sem bera meiri hleðslur og hafa meiri hreyfanleika en einstakar rafeindir dreifast frá YBCO inn í málmsvæðið, verða jákvætt hlaðnar atómir eftir, sem leiðir til rafsviðs í geimhleðslusvæðinu. Stefna þessa rafsviðs er sýnd á skýringarmyndinni mynd 1d. Innfallandi ljóseind ​​nálægt geimhleðslusvæðinu getur skapað eh-pör sem aðskiljast og sópast út og mynda ljósstraum í öfuga átt. Um leið og rafeindirnar fara út úr innbyggða rafsviðinu þéttast þær í pör og flæða til hins rafskautsins án viðnáms. Í þessu tilviki er Voc öfug fyrirfram stilltri pólun og sýnir neikvætt gildi þegar leysigeislinn beinist að svæðinu í kringum neikvæðu rafskautið. Út frá gildi Voc er hægt að áætla spennuna yfir tengifletið: fjarlægðin milli spennuleiðanna tveggja d er ~5 × 10⁻³ m, þykkt tengifletisins milli málms og ofurleiðara, di, ætti að vera af sömu stærðargráðu og samfellulengd YBCO ofurleiðarans (~1 nm)19,20, takið gildið Voc = 0,03 mV, spennan Vms við tengifleti málms og ofurleiðara er metin sem ~10⁻¹ V við 50 K með leysistyrk upp á 502 mW/cm², með því að nota jöfnuna,

Við viljum leggja áherslu á að ljósspennan er ekki hægt að útskýra með ljósvarmaáhrifum. Tilraunir hafa sýnt að Seebeck-stuðullinn fyrir ofurleiðarann ​​YBCO er Ss = 021. Seebeck-stuðullinn fyrir koparvíra er á bilinu SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Hitastig koparvírsins við leysigeislunarpunktinn er hægt að hækka um 0,06 K með hámarks leysigeislunarstyrk við 50 K. Þetta gæti framkallað varmaorkuspennu upp á 6,9 × 10−8 V sem er þremur stærðargráðum minna en Voc sem fæst á mynd 1 (a). Það er augljóst að varmaorkuáhrifin eru of lítil til að útskýra tilraunaniðurstöðurnar. Reyndar myndi hitastigsbreytingin vegna leysigeislunar hverfa á innan við einni mínútu þannig að framlag varmaáhrifa má örugglega hunsa.

Þessi ljósleiðandi áhrif YBCO við stofuhita sýna að hér á ferðinni önnur hleðsluaðskilnaðaraðferð. Ofurleiðandi YBCO er í eðlilegu ástandi p-gerð efni með götum sem hleðslubera22,23, en málmkennd Ag-pasta hefur einkenni n-gerð efnis. Líkt og pn-tengingar, mun dreifing rafeinda í silfurpasta og götum í YBCO keramik mynda innra rafsvið sem vísar að YBCO keramikinu við tengiflötinn (Mynd 1h). Það er þetta innra svið sem veitir aðskilnaðarkraftinn og leiðir til jákvæðs Voc og neikvæðs Isc fyrir YBCO-Ag pasta kerfið við stofuhita, eins og sýnt er á mynd 1e. Að öðrum kosti gæti Ag-YBCO myndað p-gerð Schottky tengi sem einnig leiðir til tengiflötsspennu með sömu pólun og í líkaninu sem kynnt er hér að ofan24.

Til að rannsaka ítarlega þróunarferli ljósgeislunareiginleika við ofurleiðandi umbreytingu YBCO voru IV-kúrfur sýnisins við 80 K mældar með völdum leysigeislastyrk sem lýsti upp á bakskautsrafskautinu (Mynd 2). Án leysigeislunar helst spennan yfir sýnið núll óháð straumi, sem gefur til kynna ofurleiðandi ástand sýnisins við 80 K (Mynd 2a). Líkt og gögnin sem fengust við 50 K, færast IV-kúrfar samsíða I-ásnum niður á við með vaxandi leysigeislastyrk þar til gagnrýnin gildi Pc er náð. Fyrir ofan þennan gagnrýna leysigeislastyrk (Pc) gengst ofurleiðarinn undir umbreytingu frá ofurleiðandi fasa í viðnámsfasa; spennan byrjar að aukast með straumi vegna viðnáms í ofurleiðaranum. Fyrir vikið byrjar IV-kúrfan að skerast við I-ásinn og V-ásinn sem leiðir til neikvæðrar Voc og jákvæðrar Isc í fyrstu. Nú virðist sýnið vera í sérstöku ástandi þar sem pólun Voc og Isc er afar næm fyrir ljósstyrk; Með mjög lítilli aukningu á ljósstyrk breytist Isc úr jákvæðu í neikvætt og Voc úr neikvæðu í jákvæða, framhjá uppruna (mikil næmi ljósvirkni, sérstaklega gildi Isc, fyrir ljósi sést betur á mynd 2b). Við hæsta mögulega leysigeislastyrk eiga IV-kúrfurnar að vera samsíða hver annarri, sem gefur til kynna eðlilegt ástand YBCO sýnisins.

Miðja leysigeislapunktsins er staðsett umhverfis katóðurafskautana (sjá mynd 1i). a, IV-kúrfur af YBCO geislað með mismunandi leysigeislastyrk. b (efst), Leysistyrkleiki háður opnu spennu Voc og skammhlaupsstraumi Isc. Isc-gildin er ekki hægt að fá við lágan ljósstyrk (< 110 mW/cm2) þar sem IV-kúrfurnar eru samsíða I-ásnum þegar sýnið er í ofurleiðandi ástandi. b (neðst), mismunarviðnám sem fall af leysigeislastyrk.

Lykilháð Voc og Isc í leysigeislavirkni við 80 K er sýnd á mynd 2b (efst). Hægt er að ræða ljósvirknieiginleika í þremur ljósstyrkssvæðum. Fyrsta svæðið er á milli 0 og Pc, þar sem YBCO er ofurleiðandi, Voc er neikvætt og minnkar (algildi eykst) með ljósstyrk og nær lágmarki við Pc. Annað svæðið er frá Pc að öðrum mikilvægum styrk P0, þar sem Voc eykst á meðan Isc minnkar með auknum ljósstyrk og bæði ná núlli við P0. Þriðja svæðið er fyrir ofan P0 þar til eðlilegt ástand YBCO er náð. Þó að bæði Voc og Isc breytist með ljósstyrk á sama hátt og í svæði 2, þá hafa þau gagnstæða pólun fyrir ofan mikilvægan styrk P0. Mikilvægi P0 liggur í því að engin ljósvirkniáhrif eru og hleðsluaðskilnaðarkerfið breytist eigindlega á þessum tiltekna tímapunkti. YBCO sýnið verður ekki ofurleiðandi á þessu ljósstyrksbili en eðlilegt ástand er enn ekki náð.

Ljóst er að ljósgeislunareiginleikar kerfisins eru nátengdir ofurleiðni YBCO og ofurleiðnibreytingum þess. Mismunadreifingin, dV/dI, í YBCO er sýnd á mynd 2b (neðst) sem fall af leysigeislastyrkleika. Eins og áður hefur komið fram er innbyggður rafspenna í tengifletinum vegna dreifipunkta Cooper-para frá ofurleiðaranum að málminum. Líkt og sést við 50 K, eykst ljósgeislaáhrif með aukinni leysigeislastyrkleika frá 0 til Pc. Þegar leysigeislastyrkurinn nær gildi rétt yfir Pc, byrjar IV-kúrfan að halla og viðnám sýnisins byrjar að birtast, en pólun tengifletisspennunnar hefur ekki enn breyst. Áhrif ljósleiðniörvunar á ofurleiðnina hafa verið rannsökuð í sýnilegu eða nær-innrauðu svæðinu. Þó að grunnferlið sé að brjóta upp Cooper-pörin og eyða ofurleiðninni25,26, er í sumum tilfellum hægt að auka ofurleiðnibreytingar27,28,29, jafnvel hægt að framkalla nýjar fasa ofurleiðni30. Fjarvera ofurleiðni við Pc má rekja til ljósörvaðs parbrots. Við punktinn P0 verður spennan yfir tengiflötinn núll, sem gefur til kynna að hleðsluþéttleikinn á báðum hliðum tengiflötsins nær sama stigi við þennan tiltekna ljósstyrk. Frekari aukning á leysigeislastyrkleika leiðir til þess að fleiri Cooper-pör eyðileggjast og YBCO umbreytist smám saman aftur í p-gerð efni. Í stað dreifingar rafeinda og Cooper-para er eiginleikar tengiflötsins nú ákvarðaðir af dreifingu rafeinda og hola sem leiðir til pólunarsnúnings rafmagnssviðsins í tengiflötinum og þar af leiðandi jákvæðs Voc (samanber mynd 1d, h). Við mjög mikinn leysigeisla mettast mismunadreifing YBCO í gildi sem samsvarar eðlilegu ástandi og bæði Voc og Isc hafa tilhneigingu til að breytast línulega með leysigeislastyrkleika (mynd 2b). Þessi athugun sýnir að leysigeislun á YBCO í eðlilegu ástandi mun ekki lengur breyta viðnámi þess og eiginleikum tengiflötsins milli ofurleiðara og málms heldur aðeins auka styrk rafeinda-hola para.

Til að kanna áhrif hitastigs á eiginleika sólarorkuversins var málm-ofurleiðarakerfið geislað við bakskautið með bláum leysigeisla með styrkleika 502 mW/cm2. IV-ferlar sem fengust við valið hitastig á milli 50 og 300 K eru sýndir á mynd 3a. Opið hringrásarspennan Voc, skammhlaupsstraumurinn Isc og mismunaviðnámið er síðan hægt að fá út frá þessum IV-ferlum og eru sýndir á mynd 3b. Án ljóss fara allir IV-ferlarnir, sem mældir eru við mismunandi hitastig, fram hjá upphafspunkti eins og búist var við (innskot á mynd 3a). IV-eiginleikarnir breytast verulega með hækkandi hitastigi þegar kerfið er lýst upp með tiltölulega sterkum leysigeisla (502 mW/cm2). Við lágt hitastig eru IV-ferlarnir beinar línur samsíða I-ásnum með neikvæðum gildum Voc. Þessi ferill færist upp með hækkandi hitastigi og breytist smám saman í línu með halla sem er ekki núll við gagnrýnið hitastig Tcp (Mynd 3a (efst)). Það virðist sem allir IV-einkennisferlarnir snúist um punkt í þriðja fjórðungi. Voc eykst úr neikvæðu gildi í jákvætt en Isc minnkar úr jákvæðu í neikvætt gildi. Fyrir ofan upprunalega ofurleiðandi umskiptahitastigið Tc fyrir YBCO breytist IV-kúrfan nokkuð öðruvísi með hitastigi (neðst á mynd 3a). Í fyrsta lagi færist snúningsmiðja IV-kúrfunnar í fyrsta fjórðung. Í öðru lagi heldur Voc áfram að minnka og Isc eykst með hækkandi hitastigi (efst á mynd 3b). Í þriðja lagi eykst halli IV-kúrfunnar línulega með hitastigi sem leiðir til jákvæðs hitastigsstuðuls viðnáms fyrir YBCO (neðst á mynd 3b).

Hitastigsháð ljósorkueiginleika YBCO-Ag pastakerfis undir 502 mW/cm2 leysigeislun.

Miðja leysigeislans er staðsett umhverfis katóðurafskautana (sjá mynd 1i). a, IV-kúrfur fengnar frá 50 til 90 K (efst) og frá 100 til 300 K (neðst) með hitastigshækkun um 5 K og 20 K, talið í sömu röð. Innskot a sýnir IV-einkenni við nokkur hitastig í myrkri. Allar kúrfurnar skera upphafspunktinn. b, opin spenna Voc og skammhlaupsstraumur Isc (efst) og mismunadrifsviðnám, dV/dI, YBCO (neðst) sem fall af hitastigi. Núllviðnámshitastig ofurleiðandi vírsins Tcp er ekki gefið upp þar sem það er of nálægt Tc0.

Þrjú mikilvæg hitastig má greina á mynd 3b: Tcp, þar sem YBCO verður ekki ofurleiðandi við hærri hitastig; Tc0, þar sem bæði Voc og Isc verða núll og Tc, upphaflegt ofurleiðandi umskiptahitastig YBCO án leysigeislunar. Undir Tcp ~ 55 K er leysigeislað YBCO í ofurleiðandi ástandi með tiltölulega háum styrk Cooper-para. Áhrif leysigeislunar eru að lækka núllviðnáms umskiptahitastig ofurleiðandi úr 89 K í ~ 55 K (neðst á mynd 3b) með því að minnka styrk Cooper-para auk þess að framleiða ljósspennu og straum. Hækkandi hitastig brýtur einnig niður Cooper-parin sem leiðir til lægri spennu í tengifletinum. Þar af leiðandi mun algildi Voc minnka, þó að sami styrkur leysigeislunar sé beitt. Tengifletisspennan mun minnka og minnka með frekari hækkun hitastigs og nær núlli við Tc0. Engin ljósvirkni er á þessum sérstaka punkti þar sem ekkert innra svið er til að aðskilja ljósörvuð rafeinda-holu pör. Viðsnúningur á pólun á sér stað yfir þessu mikilvæga hitastigi þar sem frjáls hleðsluþéttleiki í Ag-massa er meiri en í YBCO sem flyst smám saman aftur í p-gerð efnis. Hér viljum við leggja áherslu á að viðsnúningur á Voc og Isc á sér stað strax eftir núllviðnáms-ofurleiðandi umskipti, óháð orsök umskiptisins. Þessi athugun sýnir greinilega, í fyrsta skipti, fylgni milli ofurleiðni og ljósvirkra áhrifa sem tengjast málm-ofurleiðara tengifletisspennu. Eðli þessarar spennu á tengifleti ofurleiðara og venjulegan málms hefur verið rannsóknarefni síðustu áratugi en margar spurningar bíða enn svara. Mæling á ljósvirkri áhrifum gæti reynst áhrifarík aðferð til að kanna smáatriði (eins og styrk hennar og pólun o.s.frv.) þessarar mikilvægu spennu og þar með varpað ljósi á nálægðaráhrif ofurleiðni við hátt hitastig.

Frekari hækkun hitastigs frá Tc0 til Tc leiðir til minni styrks Cooper-para og aukningar á tengifletisspennu og þar af leiðandi stærri Voc. Við Tc verður styrkur Cooper-para núll og innbyggða spennan við tengifletið nær hámarki, sem leiðir til hámarks Voc og lágmarks Isc. Hröð aukning Voc og Isc (algildi) á þessu hitastigsbili samsvarar ofurleiðandi umbreytingu sem er breikkuð frá ΔT ~ 3 K til ~34 K með leysigeislun með styrkleika 502 mW/cm2 (Mynd 3b). Í venjulegum tilfellum fyrir ofan Tc minnkar opna spennan Voc með hitastigi (efst á mynd 3b), svipað og línuleg hegðun Voc fyrir venjulegar sólarsellur byggðar á pn-samskeytum31,32,33. Þó að breytingarhraði Voc með hitastigi (-dVoc/dT), sem er mjög háður leysigeislunarstyrkleika, sé mun minni en hjá venjulegum sólarsellum, þá er hitastuðullinn Voc fyrir YBCO-Ag samskeyti af sömu stærðargráðu og hjá sólarsellum. Lekastraumurinn í pn-tengingu fyrir venjulega sólarsellu eykst með hækkandi hitastigi, sem leiðir til lækkunar á Voc (Voc) þegar hitinn hækkar. Línulegu IV-kúrfurnar sem sjást fyrir þetta Ag-ofurleiðara kerfi, í fyrsta lagi vegna mjög lítillar tengispennu og í öðru lagi vegna bak-í-bak tengingar tveggja heterógeymslna, gera það erfitt að ákvarða lekastrauminn. Engu að síður virðist mjög líklegt að sama hitastigsháð lekastraumsins sé ábyrgt fyrir hegðun Voc sem sést í tilraun okkar. Samkvæmt skilgreiningunni er Isc straumurinn sem þarf til að framleiða neikvæða spennu til að bæta upp Voc þannig að heildarspennan sé núll. Þegar hitinn hækkar minnkar Voc þannig að minni straumur þarf til að framleiða neikvæðu spennuna. Ennfremur eykst viðnám YBCO línulega með hitastigi yfir Tc (neðst á mynd 3b), sem einnig stuðlar að lægra algildi Isc við hátt hitastig.

Takið eftir að niðurstöðurnar sem sýndar eru á mynd 2 og 3 eru fengnar með leysigeislun á svæðið í kringum katóðurafskautana. Mælingar hafa einnig verið endurteknar með leysigeislunarpunkti staðsettum við anóðuna og svipaðir IV-eiginleikar og ljósgeislunareiginleikar hafa sést nema að pólun Voc og Isc hefur verið öfug í þessu tilfelli. Öll þessi gögn leiða til aðferðar fyrir ljósgeislunaráhrifin, sem er nátengd viðmóti ofurleiðara og málms.

Í stuttu máli hafa IV-eiginleikar leysigeislaðs ofurleiðandi YBCO-Ag pastakerfis verið mældir sem fall af hitastigi og leysigeislastyrkleika. Merkileg ljósvirkni hefur sést á hitastigsbilinu 50 til 300 K. Komið hefur í ljós að ljósvirknieiginleikarnir tengjast sterkt ofurleiðni YBCO keramik. Pólbreyting Voc og Isc á sér stað strax eftir ljósörvaða umbreytingu úr ofurleiðandi í óofurleiðandi. Hitastigsháð Voc og Isc mælt við fastan leysigeislastyrk sýnir einnig greinilega pólbreytingu við gagnrýnið hitastig þar sem sýnið verður viðnámsríkt. Með því að staðsetja leysigeislablettinn á annan hluta sýnisins sýnum við fram á að rafspenna er til staðar yfir tengifletinum, sem veitir aðskilnaðarkraft fyrir ljósörvuðu rafeinda-holupörin. Þessi tengifletisspenna beinist frá YBCO að málmrafskautinu þegar YBCO er ofurleiðandi og skiptir í gagnstæða átt þegar sýnið verður óofurleiðandi. Uppruni spennunnar gæti tengst nálægðaráhrifum á tengifleti málms og ofurleiðara þegar YBCO er ofurleiðandi og er áætlaður ~10−8 mV við 50 K með leysigeislastyrk upp á 502 mW/cm2. Snerting p-gerð efnis YBCO í eðlilegu ástandi við n-gerð efnis Ag-pasta myndar kvasi-pn gatnamót sem bera ábyrgð á ljósvirkri hegðun YBCO keramik við hátt hitastig. Ofangreindar athuganir varpa ljósi á sólarorkuáhrif í ofurleiðandi YBCO keramik við hátt hitastig og ryðja brautina fyrir nýrri notkun í ljósfræðilegum tækjum eins og hraðvirkum óvirkum ljósnema og einfótóna skynjara.

Tilraunir með ljósvirkni voru gerðar á YBCO keramik sýni sem var 0,52 mm þykkt og 8,64 × 2,26 mm2 rétthyrndu formi og lýst upp með samfelldri bláum leysigeisla (λ = 450 nm) með leysigeislabletti upp á 1,25 mm í radíus. Notkun lausaefnis frekar en þunnfilmu gerir okkur kleift að rannsaka ljósvirkni ofurleiðarans án þess að þurfa að takast á við flókin áhrif undirlagsins6,7. Ennfremur gæti lausaefnið verið hentugt vegna einfaldrar undirbúningsaðferðar og tiltölulega lágs kostnaðar. Koparvírarnir eru tengdir saman við YBCO sýnið með silfurpasta og mynda fjórar hringlaga rafskautar sem eru um 1 mm í þvermál. Fjarlægðin milli spennurafskautanna tveggja er um 5 mm. IV eiginleikar sýnisins voru mældir með titringssegulmæli (VersaLab, Quantum Design) með kvarskristallglugga. Staðlað fjögurra víra aðferð var notuð til að fá IV ferlana. Hlutfallsleg staðsetning rafskautanna og leysigeislablettsins er sýnd á mynd 1i.

Hvernig á að vitna í þessa grein: Yang, F. o.fl. Uppruni ljósvirkni í ofurleiðandi YBa2Cu3O6.96 keramik. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Samhverfubannaðar leysigeislaspennur í YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Uppruni óeðlilegs ljósmerkis í Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Mælingar á leysispennu ofurleiðandi Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, o.fl. Skammvinn leysigeislaspenna í YBa2Cu3O7-x filmum við stofuhita. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Óeðlileg ljósvirkni í YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Ljósmynduð holuflutningsinnspýting í YBa2Cu3O7−x í oxíð-heterobyggingu. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. o.fl. Rannsókn á ljósgeislun á YBa2Cu3Oy þunnum filmum undir ljósi. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. o.fl. Ljósvirkni YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb tengipunkta sem glóðaðir voru við mismunandi súrefnishlutþrýsting. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA o.fl. Tveggja-gaps uppbygging í Yb(Y)Ba2Cu3O7-x einkristöllum. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Slökunardýnamík kvasisagna í ofurleiðurum með mismunandi bilsbyggingu: Kenning og tilraunir á YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Leiðréttingareiginleikar YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb tengipunktanna. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB. Örvunargleypni og ofurleiðni í YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Skammvinn ljósleiðni í hálfleiðandi einkristöllum af YBa2Cu3O6.3: leit að ljósleiðandi málmástandi og ljósleiðandi ofurleiðni. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Gönglíkan af ofurleiðandi nálægðaráhrifum. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. o.fl. Áhrif ofurleiðni á nálægð rannsökuð á mesóskopískum lengdarkvarða. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Nálægðaráhrif með ómiðlægum ofurleiðurum. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM o.fl. Sterk ofurleiðandi nálægðaráhrif í Pb-Bi2Te3 blendingsbyggingum. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Ný ljósnemi með kísil pn-tengingu til að umbreyta sólargeislun í rafmagn. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Áhrif óhreininda á lengd ofurleiðandi samfellingar í Zn- eða Ni-dópuðum YBa2Cu3O6.9 einkristöllum. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Segulmótstaða ótvöfaldraðra YBa2Cu3Oy einkristalla í breiðu sviði lyfjagjafar: óeðlileg holulyfjagjöf háð samfellingarlengdinni. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR. Kerfisfræðileg rannsókn á varmaorku oxíða með háu T₂-gildi. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. o.fl. Þéttleikabundin skriðþungafærsla samfellds tinds og LO fonónhamur í p-gerð há-Tc ofurleiðurum. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. o.fl. Holumyndun og rafeindasöfnun í YBa2Cu3Oy þunnum filmum með rafefnafræðilegri aðferð: Sönnun fyrir n-gerð málmástands. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Eðlisfræði og efnafræði Schottky-hindrunarhæðarinnar. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Áhrif rofs á breytilegum ytri para í ofurleiðandi filmum. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. o.fl. Ljósörvuð aukning á ofurleiðni. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI o.fl. Varanleg ljósleiðni í YBa2Cu3O6+x filmum sem aðferð til ljósdópunar í átt að málm- og ofurleiðandi fasa. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. o.fl. Ólínuleg grindarvirkni sem grundvöllur fyrir aukinni ofurleiðni í YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. o.fl. Ljósframkallað ofurleiðni í röndóttu kúprati. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Hitastigsvirkniháðni VOC fyrir sólarsellu í tengslum við skilvirkni hennar (ný nálgun). Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA. Áhrif hitastigs í Schottky-hindrunarsólfrumum úr kísil. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Hitastigstengd breytur sólarsellu úr fjölliðu-fúleren sólarsellum við rekstrarskilyrði. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Þessi vinna hefur hlotið styrk frá Náttúruvísindasjóði Kína (styrknúmer 60571063) og Grunnrannsóknarverkefnum Henan-héraðs í Kína (styrknúmer 122300410231).

FY skrifaði texta greinarinnar og MYH útbjó YBCO keramiksýnið. FY og MYH framkvæmdu tilraunina og greindu niðurstöðurnar. FGC leiddi verkefnið og vísindalega túlkun gagnanna. Allir höfundar fóru yfir handritið.

Þetta verk er leyfisveitt samkvæmt Creative Commons Attribution 4.0 alþjóðlegu leyfi. Myndirnar eða annað efni frá þriðja aðila í þessari grein er innifalið í Creative Commons leyfi greinarinnar, nema annað sé tekið fram í heimildarlínunni; ef efnið er ekki innifalið undir Creative Commons leyfinu þurfa notendur að fá leyfi frá leyfishafa til að afrita efnið. Til að skoða afrit af þessu leyfi, heimsækið http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Uppruni ljósvirkni í ofurleiðandi YBa2Cu3O6.96 keramik. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Með því að senda inn athugasemd samþykkir þú að fara eftir skilmálum okkar og reglum samfélagsins. Ef þú finnur eitthvað móðgandi eða sem er ekki í samræmi við skilmála okkar eða leiðbeiningar, vinsamlegast merktu það sem óviðeigandi.