תודה שביקרתם באתר nature.com. אתם משתמשים בגרסת דפדפן עם תמיכה מוגבלת ב-CSS. כדי לקבל את החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן יותר (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
אנו מדווחים על אפקט פוטו-וולטאי יוצא דופן בקרמיקה YBa2Cu3O6.96 (YBCO) בין 50 ל-300 קלווין המושרה על ידי תאורת לייזר כחול, הקשור ישירות למוליכות-העל של YBCO ולממשק האלקטרודה המתכתית YBCO. ישנה היפוך קוטביות עבור מתח המעגל הפתוח Voc וזרם קצר חשמלי Isc כאשר YBCO עובר מעבר ממצב מוליך-על למצב התנגדותי. אנו מראים שקיים פוטנציאל חשמלי על פני ממשק המוליך-מתכת הנורמלית, המספק את כוח ההפרדה לזוגות האלקטרונים-חור המושרים על ידי הפוטו. פוטנציאל ממשק זה מופנה מ-YBCO לאלקטרודת המתכת כאשר YBCO מוליך-על ועובר לכיוון ההפוך כאשר YBCO הופך ללא מוליך-על. מקור הפוטנציאל עשוי להיות קשור בקלות לאפקט הקרבה בממשק מתכת-מוליך-על כאשר YBCO מוליך-על וערכה מוערך כ-10-8 mV ב-50 קלווין עם עוצמת לייזר של 502 mW/cm2. שילוב של חומר מסוג p YBCO במצב רגיל עם משחת Ag מסוג n יוצר צומת קוואזי-pn האחראית על ההתנהגות הפוטו-וולטאית של קרמיקת YBCO בטמפרטורות גבוהות. ממצאינו עשויים לסלול את הדרך ליישומים חדשים של התקנים פוטונים-אלקטרוניים ולשפוך אור נוסף על אפקט הקרבה בממשק מוליך-מתכת.
מתח מושרה על ידי אור במוליכי-על בטמפרטורה גבוהה דווח בתחילת שנות ה-90 ונחקר בהרחבה מאז, אך טבעו ומנגנון הפעולה שלו נותרו בלתי ברורים1,2,3,4,5. שכבות דקות YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 בפרט, נחקרו באופן אינטנסיבי בצורת תא פוטו-וולטאי (PV) בשל פער האנרגיה המתכוונן שלו9,10,11,12,13. עם זאת, התנגדות גבוהה של המצע תמיד מובילה ליעילות המרה נמוכה של המכשיר ומסתירה את תכונות ה-PV העיקריות של YBCO8. כאן אנו מדווחים על אפקט פוטו-וולטאי יוצא דופן המושרה על ידי תאורת לייזר כחול (λ = 450 ננומטר) בקרמיקה YBa2Cu3O6.96 (YBCO) בין 50 ל-300 K (Tc ~ 90 K). אנו מראים כי אפקט ה-PV קשור ישירות למוליכות-העל של YBCO ולאופי ממשק האלקטרודה YBCO-מתכתית. ישנו היפוך קוטביות עבור מתח המעגל הפתוח Voc וזרם הקצר Isc כאשר YBCO עובר מעבר מפאזה מוליכה-על למצב התנגדותי. מוצע שקיים פוטנציאל חשמלי על פני הממשק בין מוליך-העל למתכת הנורמלית, המספק את כוח ההפרדה לזוגות האלקטרונים-חור המושרים על ידי הפוטו. פוטנציאל ממשק זה מופנה מ-YBCO לאלקטרודת המתכת כאשר YBCO מוליך-על ועובר לכיוון ההפוך כאשר הדגימה הופכת ללא מוליכה-על. מקור הפוטנציאל עשוי להיות קשור באופן טבעי לאפקט הקרבה14,15,16,17 בממשק מתכת-מוליך-על כאשר YBCO מוליך-על וערכה מוערך כ-10⁻⁶ mV ב-50K עם עוצמת לייזר של 502 mW/cm2. שילוב של חומר מסוג p YBCO במצב נורמלי עם משחת Ag מסוג n יוצר, ככל הנראה, צומת קוואזי-pn האחראית להתנהגות הפוטו-וולטאית של קרמיקת YBCO בטמפרטורות גבוהות. התצפיות שלנו שופכות אור נוסף על מקור אפקט ה-PV בקרמיקה של YBCO מוליכה-על בטמפרטורה גבוהה וסוללות את הדרך ליישומה במכשירים אופטואלקטרוניים כגון גלאי אור פסיבי מהיר וכו'.
איור 1א'-ג' מראה את מאפייני ה-IV של דגימת קרמיקה YBCO ב-50K. ללא תאורת אור, המתח על פני הדגימה נשאר אפס עם שינוי הזרם, כפי שניתן לצפות מחומר מוליך-על. אפקט פוטו-וולטאי ברור מופיע כאשר קרן הלייזר מופנית לקתודה (איור 1א'): עקומות ה-IV המקבילות לציר ה-I נעות כלפי מטה עם עוצמת הלייזר הולכת וגוברת. ניכר כי קיים מתח שלילי המושרה על ידי פוטו גם ללא זרם (הנקרא לעתים קרובות מתח במעגל פתוח Voc). שיפוע האפס של עקומת ה-IV מצביע על כך שהדגימה עדיין מוליכה-על תחת תאורת לייזר.
(a-c) ו-300K (e-g). ערכי V(I) התקבלו על ידי הטיית הזרם מ-10 mA- ל-10 mA+ בוואקום. רק חלק מנתוני הניסוי מוצגים לשם הבהירות. א, מאפייני זרם-מתח של YBCO שנמדדו עם נקודת לייזר הממוקמת בקתודה (i). כל עקומות IV הן קווים ישרים אופקיים המצביעים על כך שהדגימה עדיין מוליכה-על עם קרינת לייזר. העקומה יורדת עם עוצמת הלייזר הולכת וגוברת, דבר המצביע על כך שקיים פוטנציאל שלילי (Voc) בין שני מוליכי המתח גם עם זרם אפס. עקומות IV נשארות ללא שינוי כאשר הלייזר מכוון למרכז הדגימה ב-50K (b) או 300K (f). הקו האופקי נע מעלה כאשר האנודה מוארת (c). מודל סכמטי של צומת מתכת-מוליך-על ב-50K מוצג ב-d. מאפייני זרם-מתח של YBCO במצב רגיל ב-300K שנמדד עם קרן לייזר המכוונת לקתודה ולאנודה ניתנים ב-e ו-g בהתאמה. בניגוד לתוצאות ב-50 קלווין, שיפוע שאינו אפס של הקווים הישרים מצביע על כך ש-YBCO נמצא במצב תקין; ערכי Voc משתנים עם עוצמת האור בכיוון הפוך, דבר המצביע על מנגנון הפרדת מטען שונה. מבנה ממשק אפשרי ב-300 קלווין מתואר ב-hj. התמונה האמיתית של הדגימה עם מוליכים.
YBCO עשיר בחמצן במצב מוליך-על יכול לספוג כמעט ספקטרום מלא של אור שמש בשל פער האנרגיה הקטן מאוד שלו (Eg)9,10, ובכך ליצור זוגות אלקטרון-חור (e-h). כדי לייצר מתח מעגל פתוח Voc על ידי בליעת פוטונים, יש צורך להפריד מרחבית את זוגות ה-eh שנוצרו על ידי הפוטון לפני שמתרחשת רקומבינציה18. ה-Voc השלילי, יחסית לקתודה ולאנודה כפי שמצוין באיור 1i, מצביע על כך שקיים פוטנציאל חשמלי על פני ממשק המתכת-מוליך-על, אשר סוחף את האלקטרונים לאנודה ואת החורים לקתודה. אם זה המצב, אמור להיות גם פוטנציאל המכוון מהמוליך-על לאלקטרודת המתכת באנודה. כתוצאה מכך, יתקבל Voc חיובי אם אזור הדגימה ליד האנודה מואר. יתר על כן, לא אמורים להיות מתחים המושרים על ידי הפוטו כאשר נקודת הלייזר מכוונת לאזורים הרחוקים מהאלקטרודות. זה בהחלט המקרה כפי שניתן לראות באיור 1b,c!.
כאשר נקודת האור נעה מאלקטרודת הקתודה למרכז הדגימה (במרחק של כ-1.25 מ"מ מהממשקים), לא ניתן לראות שינוי בעקומות IV ולא ניתן לראות Voc עם עלייה בעוצמת הלייזר לערך המקסימלי הזמין (איור 1b). באופן טבעי, ניתן לייחס תוצאה זו למשך החיים המוגבל של נושאי הגליל המושרים על ידי אור ולהיעדר כוח הפרדה בדגימה. זוגות אלקטרונים-חור יכולים להיווצר בכל פעם שהדגימה מוארת, אך רוב זוגות e-h יושמדו ולא נצפית אפקט פוטו-וולטאי אם נקודת הלייזר נופלת על אזורים מרוחקים מכל אחת מהאלקטרודות. העברת נקודת הלייזר לאלקטרודות האנודה, עקומות IV המקבילות לציר I נעות כלפי מעלה עם עלייה בעוצמת הלייזר (איור 1c). שדה חשמלי מובנה דומה קיים בצומת מתכת-מוליך-על באנודה. עם זאת, האלקטרודה המתכתית מתחברת הפעם למוליך החיובי של מערכת הבדיקה. החורים המיוצרים על ידי הלייזר נדחפים למוליך האנודה וכך נצפה Voc חיובי. התוצאות המוצגות כאן מספקות ראיות חזקות לכך שאכן קיים פוטנציאל ממשק המצביע מהמוליך-על לאלקטרודה המתכתית.
אפקט פוטו-וולטאי בקרמיקה YBa2Cu3O6.96 בטמפרטורה של 300 קלווין מוצג באיור 1e-g. ללא תאורת אור, עקומת IV של הדגימה היא קו ישר שחוצה את ראשית הזרימה. קו ישר זה נע כלפי מעלה במקביל למקור עם עוצמת לייזר גוברת המוקרן על חוטי הקתודה (איור 1e). ישנם שני מקרים מגבילים מעניינים עבור מכשיר פוטו-וולטאי. מצב קצר חשמלי מתרחש כאשר V = 0. הזרם במקרה זה מכונה זרם קצר חשמלי (Isc). מקרה המגבלה השני הוא מצב מעגל פתוח (Voc) המתרחש כאשר R→∞ או שהזרם הוא אפס. איור 1e מראה בבירור ש-Voc חיובי ועולה עם עליית עוצמת האור, בניגוד לתוצאה המתקבלת ב-50 קלווין; בעוד ש-Isc שלילי נצפה כעוולה בעוצמתו עם תאורת אור, התנהגות אופיינית של תאים סולאריים רגילים.
באופן דומה, כאשר קרן הלייזר מכוונת לאזורים מרוחקים מהאלקטרודות, עקומת V(I) אינה תלויה בעוצמת הלייזר ולא מופיעה אפקט פוטו-וולטאי (איור 1f). בדומה למדידה ב-50K, עקומות IV נעות לכיוון ההפוך כאשר אלקטרודת האנודה מוקרנת (איור 1g). כל התוצאות שהתקבלו עבור מערכת משחת YBCO-Ag זו ב-300K עם לייזר המוקרן במיקומים שונים של הדגימה עולות בקנה אחד עם פוטנציאל ממשק הפוך לזה שנצפה ב-50K.
רוב האלקטרונים מתעבים בזוגות קופר ב-YBCO מוליך-על מתחת לטמפרטורת המעבר שלו, Tc. בזמן שהם נמצאים באלקטרודת המתכת, כל האלקטרונים נשארים בצורה סינגולרית. ישנו גרדיאנט צפיפות גדול הן עבור אלקטרונים סינגולריים והן עבור זוגות קופר בסביבת ממשק המתכת-מוליך-על. אלקטרונים סינגולריים של רוב נושאי האלקטרונים בחומר מתכתי יתפזרו לאזור מוליך-העל, בעוד שזוגות קופר של רוב נושאי האלקטרונים באזור YBCO יתפזרו לאזור המתכת. כאשר זוגות קופר הנושאים יותר מטענים ובעלי ניידות גדולה יותר מאלקטרונים סינגולריים מתפזרים מ-YBCO לאזור המתכתי, אטומים טעונים חיובית נותרים מאחור, וכתוצאה מכך נוצר שדה חשמלי באזור מטען החלל. כיוון השדה החשמלי מוצג בתרשים הסכמטי איור 1d. תאורת פוטון פוגעת ליד אזור מטען החלל יכולה ליצור זוגות eh שיופרדו וייסחפו החוצה ויוצרים זרם פוטו בכיוון ההטיה ההפוך. ברגע שהאלקטרונים יוצאים מהשדה החשמלי המובנה, הם מתעבים לזוגות וזורמים לאלקטרודה השנייה ללא התנגדות. במקרה זה, ה-Voc מנוגד לקוטביות שנקבעה מראש ומציג ערך שלילי כאשר קרן הלייזר מכוונת לאזור סביב האלקטרודה השלילית. מערך ה-Voc ניתן להעריך את הפוטנציאל על פני הממשק: המרחק בין שני מובילי המתח d הוא ~5 × 10⁻³ מ', עובי ממשק המתכת-מוליך-העל, di, צריך להיות באותו סדר גודל כמו אורך הקוהרנטיות של מוליך-העל YBCO (~1 ננומטר)19,20, ניקח את הערך של Voc = 0.03 mV, הפוטנציאל Vms בממשק המתכת-מוליך-העל מוערך כ-~10⁻¹11 וולט ב-50 קלווין עם עוצמת לייזר של 502 mW/cm2, באמצעות המשוואה,
אנו רוצים להדגיש כאן כי לא ניתן להסביר את המתח המושרה על ידי הפוטו-תרמי. נקבע בניסוי כי מקדם סיבק של מוליך-על YBCO הוא Ss = 021. מקדם סיבק עבור חוטי נחושת הוא בטווח של SCu = 0.34–1.15 μV/K3. ניתן להעלות את טמפרטורת חוט הנחושת בנקודת הלייזר בכמות קטנה של 0.06 K כאשר עוצמת הלייזר המקסימלית זמינה ב-50 K. זה יכול לייצר פוטנציאל תרמו-אלקטרי של 6.9 × 10⁻⁶ V, שהוא קטן בשלושה סדרי גודל מה-Voc שהתקבל באיור 1 (א). ניכר כי האפקט התרמו-אלקטרי קטן מדי מכדי להסביר את תוצאות הניסוי. למעשה, שינוי הטמפרטורה עקב קרינת לייזר ייעלם תוך פחות מדקה, כך שניתן להתעלם בבטחה מתרומת האפקט התרמי.
אפקט פוטו-וולטאי זה של YBCO בטמפרטורת החדר מגלה שמעורב כאן מנגנון הפרדת מטען שונה. YBCO מוליך-על במצב רגיל הוא חומר מסוג p עם חורים כנושאי מטען 22,23, בעוד שלמשחת כסף מתכתית יש מאפיינים של חומר מסוג n. בדומה לצמתים pn, דיפוזיה של אלקטרונים במשחת הכסף והחורים בקרמיקה של YBCO תיצור שדה חשמלי פנימי המכוון אל קרמיקת YBCO בממשק (איור 1h). שדה פנימי זה הוא שמספק את כוח ההפרדה ומוביל ל-Voc חיובי ול-Isc שלילי עבור מערכת משחת YBCO-Ag בטמפרטורת החדר, כפי שמוצג באיור 1e. לחלופין, Ag-YBCO יכול ליצור צומת שוטקי מסוג p שמוביל גם הוא לפוטנציאל ממשק עם אותה קוטביות כמו במודל המוצג לעיל 24.
כדי לחקור את תהליך האבולוציה המפורט של התכונות הפוטו-וולטאיות במהלך המעבר של YBCO למצב מוליך-על, נמדדו עקומות IV של הדגימה ב-80 קלווין עם עוצמות לייזר נבחרות שאיירו על אלקטרודת הקתודה (איור 2). ללא קרינת לייזר, המתח על פני הדגימה נשאר אפס ללא קשר לזרם, דבר המצביע על מצב מוליך-על של הדגימה ב-80 קלווין (איור 2א). בדומה לנתונים שהתקבלו ב-50 קלווין, עקומות IV המקבילות לציר I נעות כלפי מטה עם עוצמת הלייזר הולכת וגוברת עד להגעה לערך קריטי Pc. מעל עוצמת לייזר קריטית זו (Pc), מוליך-העל עובר מעבר מפאזה מוליכה-על לפאזה התנגדותית; המתח מתחיל לעלות עם הזרם עקב הופעת התנגדות במוליך-העל. כתוצאה מכך, עקומת IV מתחילה להצטלב עם ציר I וציר V, מה שמוביל בתחילה ל-Voc שלילי ול-Isc חיובי. כעת נראה שהדגימה נמצאת במצב מיוחד שבו הקוטביות של Voc ו-Isc רגישה ביותר לעוצמת האור; עם עלייה קטנה מאוד בעוצמת האור, Isc מומר מערך חיובי לשלילי ו-Voc מערך שלילי לחיובי, ועובר את מקור האור (ניתן לראות את הרגישות הגבוהה של תכונות פוטו-וולטאיות, ובמיוחד הערך של Isc, לתאורת אור בצורה ברורה יותר באיור 2b). בעוצמת הלייזר הגבוהה ביותר הזמינה, עקומות IV מתכוונות להיות מקבילות זו לזו, מה שמסמל את המצב הנורמלי של דגימת YBCO.
מרכז נקודת הלייזר ממוקם סביב אלקטרודות הקתודה (ראה איור 1i). א, עקומות IV של YBCO המוקרן בעוצמות לייזר שונות. ב (למעלה), תלות עוצמת הלייזר במתח המעגל הפתוח Voc וזרם קצר חשמלי Isc. לא ניתן לקבל את ערכי Isc בעוצמת אור נמוכה (< 110 mW/cm2) מכיוון שעקומות IV מקבילות לציר I כאשר הדגימה נמצאת במצב מוליך-על. ב (למטה), התנגדות דיפרנציאלית כפונקציה של עוצמת הלייזר.
התלות בעוצמת הלייזר של Voc ו-Isc ב-80K מוצגת באיור 2b (למעלה). ניתן לדון בתכונות הפוטו-וולטאיות בשלושה אזורים של עוצמת אור. האזור הראשון נמצא בין 0 ל-Pc, שבו YBCO מוליך-על, Voc שלילי ויורד (הערך המוחלט עולה) עם עוצמת האור ומגיע למינימום ב-Pc. האזור השני נמצא מ-Pc לעוצמה קריטית אחרת P0, שבה Voc עולה בעוד Isc יורד עם עליית עוצמת האור ושניהם מגיעים לאפס ב-P0. האזור השלישי נמצא מעל P0 עד שמגיעים למצב נורמלי של YBCO. למרות שגם Voc וגם Isc משתנים עם עוצמת האור באותו אופן כמו באזור 2, יש להם קוטביות הפוכה מעל העוצמה הקריטית P0. המשמעות של P0 טמונה בכך שאין אפקט פוטו-וולטאי ומנגנון הפרדת המטען משתנה באופן איכותי בנקודה מסוימת זו. דגימת YBCO הופכת ללא מוליכה-על בטווח עוצמת אור זה, אך המצב הנורמלי טרם הושג.
ברור שמאפייני הפוטו-וולטאיים של המערכת קשורים קשר הדוק למוליכות-העל של YBCO ולמעבר המוליך-על שלו. ההתנגדות הדיפרנציאלית, dV/dI, של YBCO מוצגת באיור 2b (בתחתית) כפונקציה של עוצמת הלייזר. כפי שצוין קודם לכן, הפוטנציאל החשמלי המובנה בממשק עקב נקודות דיפוזיה של זוג קופר מהמוליך-על למתכת. בדומה לזה שנצפה ב-50K, האפקט הפוטו-וולטאי משתפר עם עליית עוצמת הלייזר מ-0 ל-Pc. כאשר עוצמת הלייזר מגיעה לערך מעט מעל Pc, עקומת IV מתחילה לנטות וההתנגדות של הדגימה מתחילה להופיע, אך הקוטביות של פוטנציאל הממשק עדיין לא משתנה. ההשפעה של עירור אופטי על מוליכות-העל נחקרה באזור הנראה או הקרוב לאינפרא אדום. בעוד שהתהליך הבסיסי הוא לפרק את זוגות קופר ולהרוס את מוליכות-העל 25,26, במקרים מסוימים ניתן לשפר את מעבר המוליכות-על 27,28,29, ואף ניתן לגרום לפאזות חדשות של מוליכות-על 30. ניתן לייחס את היעדר מוליכות-העל ב-Pc לשבירת הזוגות המושרה על ידי האור. בנקודה P0, הפוטנציאל על פני הממשק הופך לאפס, דבר המצביע על כך שצפיפות המטען בשני צידי הממשק מגיעה לאותה רמה תחת עוצמת אור מסוימת זו. עלייה נוספת בעוצמת הלייזר גורמת להרס של זוגות קופר נוספים ו-YBCO הופך בהדרגה בחזרה לחומר מסוג p. במקום דיפוזיה של אלקטרונים וזוגות קופר, תכונת הממשק נקבעת כעת על ידי דיפוזיה של אלקטרונים וחורים, מה שמוביל להיפוך קוטביות של השדה החשמלי בממשק וכתוצאה מכך ל-Voc חיובי (השווה איור 1ד',ח'). בעוצמת לייזר גבוהה מאוד, ההתנגדות הדיפרנציאלית של YBCO רוויה לערך התואם למצב הנורמלי, ו-Voc וגם Isc נוטים להשתנות באופן ליניארי עם עוצמת הלייזר (איור 2ב'). תצפית זו מגלה כי הקרנת לייזר על YBCO במצב הנורמלי לא תשנה עוד את ההתנגדות שלו ואת תכונת הממשק בין מוליך-מתכת, אלא רק תגדיל את ריכוז זוגות האלקטרון-חור.
כדי לחקור את השפעת הטמפרטורה על התכונות הפוטו-וולטאיות, מערכת המתכת-מוליך-על הוקרנה בקתודה בלייזר כחול בעוצמה של 502 mW/cm2. עקומות IV שהתקבלו בטמפרטורות נבחרות בין 50 ל-300 K מוצגות באיור 3a. ניתן לקבל את מתח המעגל הפתוח Voc, זרם הקצר Isc וההתנגדות הדיפרנציאלית מעקומות IV אלו, והן מוצגות באיור 3b. ללא תאורת אור, כל עקומות ה-IV שנמדדו בטמפרטורות שונות עוברות את ראשית המסלול כצפוי (תמונה מוקטנת של איור 3a). מאפייני ה-IV משתנים באופן דרסטי עם עליית הטמפרטורה כאשר המערכת מוארת על ידי קרן לייזר חזקה יחסית (502 mW/cm2). בטמפרטורות נמוכות, עקומות ה-IV הן קווים ישרים המקבילים לציר I עם ערכים שליליים של Voc. עקומה זו נעה כלפי מעלה עם עליית הטמפרטורה והופכת בהדרגה לקו עם שיפוע שאינו אפס בטמפרטורה קריטית Tcp (איור 3a (למעלה)). נראה שכל עקומות האופייניות של ה-IV מסתובבות סביב נקודה ברביע השלישי. Voc עולה מערך שלילי לחיובי בעוד ש-Isc יורד מערך חיובי לשלילי. מעל טמפרטורת המעבר Tc המקורית של מוליך-על של YBCO, עקומת IV משתנה בצורה שונה למדי עם הטמפרטורה (תחתית איור 3א'). ראשית, מרכז הסיבוב של עקומות IV נע לרביע הראשון. שנית, Voc ממשיך לרדת ו-Isc עולה עם עליית הטמפרטורה (חלק העליון של איור 3ב'). שלישית, שיפוע עקומות IV עולה באופן ליניארי עם הטמפרטורה, וכתוצאה מכך מקדם טמפרטורה חיובי של ההתנגדות עבור YBCO (תחתית איור 3ב').
תלות בטמפרטורה של מאפיינים פוטו-וולטאיים עבור מערכת משחה YBCO-Ag תחת תאורת לייזר של 502 mW/cm2.
מרכז נקודת הלייזר ממוקם סביב אלקטרודות הקתודה (ראה איור 1i). א, עקומות IV שהתקבלו מ-50 עד 90 קלווין (למעלה) ומ-100 עד 300 קלווין (למטה) עם תוספת טמפרטורה של 5 קלווין ו-20 קלווין, בהתאמה. איור א' מציג מאפייני IV במספר טמפרטורות בחושך. כל העקומות חוצות את נקודת המוצא. ב, מתח מעגל פתוח Voc וזרם קצר חשמלי Isc (למעלה) וההתנגדות הדיפרנציאלית, dV/dI, של YBCO (למטה) כפונקציה של הטמפרטורה. טמפרטורת המעבר Tcp של מוליך-על עם התנגדות אפס אינה ניתנת מכיוון שהיא קרובה מדי ל-Tc0.
ניתן לזהות שלוש טמפרטורות קריטיות באיור 3b: Tcp, שמעליה YBCO הופך ללא מוליך-על; Tc0, שבו גם Voc וגם Isc הופכים לאפס ו-Tc, טמפרטורת המעבר המוליך-על ההתחלתית המקורית של YBCO ללא קרינת לייזר. מתחת ל-Tcp ~ 55K, YBCO המוקרן בלייזר נמצא במצב מוליך-על עם ריכוז גבוה יחסית של זוגות קופר. השפעת קרינת הלייזר היא להפחית את טמפרטורת המעבר המוליך-על בעלת התנגדות אפס מ-89K ל-~55K (בתחתית איור 3b) על ידי הפחתת ריכוז זוג הקופר בנוסף לייצור מתח וזרם פוטו-וולטאיים. עליית הטמפרטורה גם מפרקת את זוגות הקופר, מה שמוביל לפוטנציאל נמוך יותר בממשק. כתוצאה מכך, הערך המוחלט של Voc יקטן, למרות שמופעל אותה עוצמת תאורת לייזר. פוטנציאל הממשק יקטן ויגדל עם עלייה נוספת בטמפרטורה ויגיע לאפס ב-Tc0. אין אפקט פוטו-וולטאי בנקודה מיוחדת זו מכיוון שאין שדה פנימי המפריד בין זוגות האלקטרון-חור המושרה על ידי הפוטו. היפוך קוטביות של הפוטנציאל מתרחש מעל טמפרטורה קריטית זו, מכיוון שצפיפות המטען החופשי במשחת Ag גדולה מזו שב-YBCO, אשר מועברת בהדרגה חזרה לחומר מסוג p. כאן ברצוננו להדגיש כי היפוך הקוטביות של Voc ו-Isc מתרחש מיד לאחר המעבר המוליך-על ללא התנגדות, ללא קשר לסיבת המעבר. תצפית זו חושפת בבירור, לראשונה, את המתאם בין מוליכות-על לבין ההשפעות הפוטו-וולטאיות הקשורות לפוטנציאל הממשק בין מתכת למוליך-על. אופיו של פוטנציאל זה על פני הממשק בין מוליך-על למתכת רגילה היה מוקד מחקר במשך מספר עשורים, אך עדיין ישנן שאלות רבות הממתינות למענה. מדידת האפקט הפוטו-וולטאי עשויה להתגלות כשיטה יעילה לחקר הפרטים (כגון חוזקו וקוטביותו וכו') של פוטנציאל חשוב זה, ולכן לשפוך אור על אפקט הקרבה של מוליך-על בטמפרטורה גבוהה.
עלייה נוספת בטמפרטורה מ-Tc0 ל-Tc מובילה לריכוז קטן יותר של זוגות קופר ולשיפור בפוטנציאל הממשק וכתוצאה מכך ל-Voc גדול יותר. ב-Tc ריכוז זוג הקופר הופך לאפס והפוטנציאל המובנה בממשק מגיע למקסימום, וכתוצאה מכך Voc מקסימלי ו-Isc מינימלי. העלייה המהירה של Voc ו-Isc (ערך מוחלט) בטווח טמפרטורות זה תואמת את המעבר המוליך-על אשר מורחב מ-ΔT ~ 3K ל-~34K על ידי הקרנת לייזר בעוצמה של 502 mW/cm2 (איור 3b). במצבים רגילים מעל Tc, מתח המעגל הפתוח Voc יורד עם הטמפרטורה (ראש איור 3b), בדומה להתנהגות הליניארית של Voc עבור תאים סולאריים רגילים המבוססים על צמתים pn . למרות שקצב השינוי של Voc עם הטמפרטורה (-dVoc/dT), התלוי מאוד בעוצמת הלייזר, קטן בהרבה מזה של תאים סולאריים רגילים, מקדם הטמפרטורה של Voc עבור צומת YBCO-Ag הוא באותו סדר גודל כמו זה של תאים סולאריים. זרם הדליפה מצומת pn עבור התקן תא סולארי רגיל עולה עם עליית הטמפרטורה, מה שמוביל לירידה ב-Voc ככל שהטמפרטורה עולה. עקומות IV הליניאריות שנצפו עבור מערכת מוליך-על Ag זו, ראשית בשל פוטנציאל הממשק הקטן מאוד ושנית בשל החיבור גב אל גב של שני ההטרוצומתים, מקשות על קביעת זרם הדליפה. עם זאת, נראה סביר מאוד שאותה תלות בטמפרטורה של זרם הדליפה אחראית להתנהגות Voc שנצפתה בניסוי שלנו. על פי ההגדרה, Isc הוא הזרם הדרוש לייצור מתח שלילי כדי לפצות על Voc כך שהמתח הכולל יהיה אפס. ככל שהטמפרטורה עולה, Voc קטן יותר כך שנדרש פחות זרם כדי לייצר את המתח השלילי. יתר על כן, ההתנגדות של YBCO עולה באופן ליניארי עם הטמפרטורה מעל Tc (תחתית איור 3b), מה שתורם גם לערך המוחלט הקטן יותר של Isc בטמפרטורות גבוהות.
שימו לב שהתוצאות המוצגות באיורים 2 ו-3 התקבלו על ידי הקרנת לייזר באזור סביב אלקטרודות הקתודה. מדידות חזרו גם על עצמן עם נקודת לייזר הממוקמת באנודה ונצפו מאפייני IV ותכונות פוטו-וולטאיות דומים, למעט הקוטביות של Voc ו-Isc התהפכה במקרה זה. כל הנתונים הללו מובילים למנגנון לאפקט הפוטו-וולטאי, הקשור קשר הדוק לממשק בין מוליך-מתכת.
לסיכום, מאפייני IV של מערכת משחת YBCO-Ag מוליך-על שעברה קרינת לייזר נמדדו כפונקציות של טמפרטורה ועוצמת לייזר. נצפתה השפעה פוטו-וולטאית יוצאת דופן בטווח הטמפרטורות שבין 50 ל-300 קלווין. נמצא כי התכונות הפוטו-וולטאיות מתואמות מאוד למוליכות-העל של קרמיקת YBCO. היפוך קוטביות של Voc ו-Isc מתרחש מיד לאחר המעבר ממוליך-על המושרה על ידי צילום ללא-מוליך-על. תלות הטמפרטורה של Voc ו-Isc הנמדדת בעוצמת לייזר קבועה מראה גם היפוך קוטביות מובהק בטמפרטורה קריטית שמעליה הדגימה הופכת להתנגדותית. על ידי מיקום נקודת הלייזר בחלק אחר של הדגימה, אנו מראים שקיים פוטנציאל חשמלי על פני הממשק, המספק את כוח ההפרדה לזוגות האלקטרון-חור המושרה על ידי צילום. פוטנציאל ממשק זה מכוון מ-YBCO לאלקטרודת המתכת כאשר YBCO מוליך-על ועובר לכיוון ההפוך כאשר הדגימה הופכת ללא מוליכת-על. מקור הפוטנציאל עשוי להיות קשור באופן טבעי לאפקט הקרבה בממשק מתכת-מוליך-על כאשר YBCO הוא מוליך-על, והוא מוערך כ-10⁻⁶ mV ב-50 קלווין עם עוצמת לייזר של 502 mW/cm2. מגע של חומר מסוג p YBCO במצב רגיל עם חומר מסוג n מסוג Ag-paste יוצר צומת קוואזי-pn, האחראי להתנהגות הפוטו-וולטאית של קרמיקת YBCO בטמפרטורות גבוהות. התצפיות לעיל שופכות אור על אפקט ה-PV בקרמיקת YBCO מוליכת-על בטמפרטורה גבוהה וסוללות את הדרך ליישומים חדשים בהתקנים אופטו-אלקטרוניים כגון גלאי אור פסיבי מהיר וגלאי פוטון יחיד.
ניסויי האפקט הפוטו-וולטאי בוצעו על מדגם קרמי YBCO בעובי 0.52 מ"מ ובצורה מלבנית של 8.64 × 2.26 מ"מ רבועה, והוארה על ידי לייזר כחול גל רציף (λ = 450 ננומטר) עם גודל נקודת לייזר ברדיוס של 1.25 מ"מ. שימוש בדגימה בתפזורת ולא בדגימה דקה מאפשר לנו לחקור את התכונות הפוטו-וולטאיות של מוליך-העל מבלי להתמודד עם ההשפעה המורכבת של המצע6,7. יתר על כן, החומר בתפזורת יכול להיות תורם להליך ההכנה הפשוט שלו ועלותו הנמוכה יחסית. חוטי הנחושת מחוברים לדגימת YBCO עם משחת כסף ויוצרים ארבע אלקטרודות מעגליות בקוטר של כ-1 מ"מ. המרחק בין שתי אלקטרודות המתח הוא כ-5 מ"מ. מאפייני IV של הדגימה נמדדו באמצעות מגנטומטר רטט (VersaLab, Quantum Design) עם חלון גביש קוורץ. שיטת ארבעה חוטים סטנדרטית שימשה להשגת עקומות IV. המיקומים היחסיים של האלקטרודות ונקודת הלייזר מוצגים באיור 1i.
כיצד לצטט מאמר זה: Yang, F. et al. מקור האפקט הפוטו-וולטאי בקרמיקה מוליכה-על YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR מתחים המושרים על ידי לייזר אסורים בסימטריה ב-YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY מקור האות הפוטו-וולטאי האנומלי ב-Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW מדידת מתחים המושרים על ידי לייזר של Bi-Sr-Ca-Cu-O מוליך-על. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
טייט, ק.ל., ואחרים. מתחים חולפים המושרים על ידי לייזר בסרטים בטמפרטורת החדר של YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP תגובה פוטו-וולטאית אנומלית ב-YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. הזרקת נשא חורים פוטוגנרטיבית ל-YBa2Cu3O7−x במבנה הטרו-אוקסיד. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. מחקר פוטו-אמיסיה של שכבות דקות YBa2Cu3Oy תחת תאורת אור. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. אפקט פוטו-וולטאי של צומת הטרו YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb שעבר חישול בלחצים חלקיים של חמצן שונים. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA ואחרים. מבנה דו-פערי בגבישים יחידים מסוג Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. דינמיקת הרלקסציה של קוואזי-חלקיקים במוליכי-על עם מבני פער שונים: תיאוריה וניסויים על YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
סאן, ג'.ר., שיונג, סי.אם., ג'אנג, י.ז. ושן, ב.ג. תכונות יישור של הצומת ההטרו YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB ספיגה אקסיטונית ומוליכות-על ב-YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
יו, ג'., היגר, איי ג'יי וסטוקי, ג'. מוליכות פוטו-מושרה חולפת בגבישים יחידים מוליכים למחצה של YBa2Cu3O6.3: חיפוש אחר מצב מתכתי מושרה פוטו ומוליכות-על מושרה פוטו. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
מקמילן, מודל מנהור של אפקט הקרבה המוליך-על. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. אפקט הקרבה של מוליך-על נבדק בסולם אורך מזוסקופי. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
אנונציאטה, ג'. ומנסקה, ד. אפקט קרבה עם מוליכי-על לא צנטרוסימטריים. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM ואחרים. אפקט קרבה חזק של מוליכות-על במבנים היברידיים של Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL תא פוטואלקטרי חדש מסוג סיליקון בצומת pn להמרת קרינת שמש לאנרגיה חשמלית. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
טומימוטו, ק. השפעות טומאה על אורך הקוהרנטיות המוליך-על בגבישים יחידים של YBa2Cu3O6.9 מסוממים ב-Zn או Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. התנגדות מגנטורית של גבישים יחידים YBa2Cu3Oy לא תאומים בטווח רחב של סימום: תלות חריגה בסימום חורים של אורך הקוהרנטיות. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
אוברטלי, ס.ד. וקופר, ג'.ר. סיסטמטיקה בהספק התרמואלקטרי של תחמוצות בעלות T גבוה. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
סוגאי, ס. ואחרים. תנע תלוי צפיפות נושא של שיא קוהרנטי ומצב פונון LO במוליכי-על מסוג p בעלי Tc גבוה. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
נוג'ימה, ט. ואחרים. צמצום חורים וצבירת אלקטרונים בשכבות דקות של YBa2Cu3Oy באמצעות טכניקה אלקטרוכימית: עדויות למצב מתכתי מסוג n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
טונג, ר.ט. הפיזיקה והכימיה של גובה מחסום שוטקי. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
סאי-הלאש, ג'.א., צ'י, סי.סי., דננשטיין, א. ולנגנברג, ד.נ. השפעות של שבירת זוג חיצוני דינמית בשכבות מוליכות-על. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. הגברה פוטו-מושרית של מוליכות-על. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
קודינוב, וי.איי. ואחרים. מוליכות פוטוכימית מתמשכת בסרטי YBa2Cu3O6+x כשיטה לפוטודופינג לעבר פאזות מתכתיות ומוליכות-על. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. דינמיקת סריג לא לינארית כבסיס למוליכות-על משופרת ב-YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
פאוסטי, ד. ואחרים. מוליכות-על המושרה על ידי אור בקופרט מסודר לפי פסים. Science 331, 189–191 (2011).
אל-עדאווי, מ"ק ואל-נועים, איווה. התלות הפונקציונלית בטמפרטורה של תרכובות אורגניות נדיפות (VOC) עבור תא סולארי ביחס ליעילותו (גישה חדשה). התפלה 209, 91–96 (2007).
ורנון, ס.מ. ואנדרסון, וושינגטון, השפעות טמפרטורה בתאי שמש סיליקון בעלי מחסום שוטקי. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM תלות בטמפרטורה עבור פרמטרי התקן פוטו-וולטאי של תאי שמש פולימר-פולרן בתנאי הפעלה. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מענק מס' 60571063), ופרויקטי המחקר הבסיסיים של מחוז הנאן, סין (מענק מס' 122300410231).
FY כתב את טקסט המאמר ו-MYH הכין את דגימת הקרמיקה של YBCO. FY ו-MYH ביצעו את הניסוי וניתחו את התוצאות. FGC הובילה את הפרויקט ואת הפרשנות המדעית של הנתונים. כל המחברים סקרו את כתב היד.
עבודה זו מורשית תחת רישיון Creative Commons Attribution 4.0 International. התמונות או חומרים אחרים של צד שלישי במאמר זה כלולים ברישיון Creative Commons של המאמר, אלא אם כן צוין אחרת בקרדיט; אם החומר אינו כלול ברישיון Creative Commons, משתמשים יצטרכו לקבל אישור מבעל הרישיון לשכפל את החומר. כדי לצפות בעותק של רישיון זה, בקרו באתר http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. מקור האפקט הפוטו-וולטאי בקרמיקה מוליכת-על YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
על ידי שליחת תגובה הנך מסכים לציית לתנאים ולהנחיות הקהילה שלנו. אם אתה מוצא משהו פוגעני או שאינו תואם את התנאים או ההנחיות שלנו, אנא סמן אותו כבלתי הולם.
זמן פרסום: 22 באפריל 2020