nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз CSS қолдауы шектеулі браузер нұсқасын пайдаланып жатырсыз. Ең жақсы тәжірибе алу үшін сізге жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильдерсіз және JavaScriptсіз көрсетіп жатырмыз.
Біз YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикасында 50 және 300 К аралығында көк лазерлік жарықтандыру арқылы индукцияланған тамаша фотоэлектрлік әсер туралы хабарлаймыз, бұл YBCO мен YBCO-металл электрод интерфейсінің асқын өткізгіштігіне тікелей байланысты. YBCO асқын өткізгіштіктен кедергілік күйге өткен кезде ашық тізбек кернеуі Voc және қысқа тұйықталу тогы Isc үшін полярлықтың өзгеруі байқалады. Біз фотоиндукцияланған электрон-тесік жұптары үшін бөлу күшін қамтамасыз ететін асқын өткізгіш-қалыпты металл интерфейсінде электрлік потенциал бар екенін көрсетеміз. Бұл интерфейстік потенциал YBCO асқын өткізгіштік кезінде YBCO-дан металл электродқа бағытталады және YBCO асқын өткізгіштіктен айырылған кезде қарама-қарсы бағытқа ауысады. Потенциалдың шығу тегі YBCO асқын өткізгіштік кезінде металл-асқын өткізгіш интерфейсіндегі жақындық әсерімен оңай байланысты болуы мүмкін және оның мәні 502 мВт/см2 лазерлік қарқындылықпен 50 К температурада ~10–8 мВ деп бағаланады. Қалыпты күйдегі p-типті YBCO материалының n-типті Ag-паста материалымен үйлесуі квази-pn түйінін түзеді, бұл жоғары температурада YBCO керамикасының фотоэлектрлік әрекетіне жауап береді. Біздің зерттеу нәтижелеріміз фотон-электрондық құрылғылардың жаңа қолданылуына жол ашып, асқын өткізгіш-металл интерфейсіндегі жақындық әсеріне қосымша жарық түсіруі мүмкін.
Жоғары температуралы асқын өткізгіштердегі фотоиндукцияланған кернеу 1990 жылдардың басында хабарланған және содан бері кеңінен зерттеліп келеді, бірақ оның табиғаты мен механизмі әлі күнге дейін анықталмаған1,2,3,4,5. Атап айтқанда, YBa2Cu3O7-δ (YBCO) жұқа қабықшалары6,7,8 реттелетін энергия саңылауына байланысты фотоэлектрлік (PV) элемент түрінде қарқынды зерттеледі9,10,11,12,13. Дегенмен, негіздің жоғары кедергісі әрқашан құрылғының төмен түрлендіру тиімділігіне әкеледі және YBCO8 бастапқы PV қасиеттерін жасырады. Мұнда біз 50 және 300 К (Tc ~ 90 К) аралығындағы YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикасында көк лазерлік (λ = 450 нм) жарықтандырудан туындаған тамаша фотоэлектрлік әсерді көрсетеміз. Біз PV әсері YBCO асқын өткізгіштігімен және YBCO-металл электрод интерфейсінің сипатымен тікелей байланысты екенін көрсетеміз. YBCO асқын өткізгіш фазадан кедергі күйіне өткен кезде ашық тізбек кернеуі Voc және қысқа тұйықталу тогы Isc үшін полярлықтың өзгеруі байқалады. Фотоиндукцияланған электрон-тесік жұптары үшін бөлу күшін қамтамасыз ететін асқын өткізгіш-қалыпты металл интерфейсінде электрлік потенциал бар деп болжануда. Бұл интерфейстік потенциал YBCO асқын өткізгіш болған кезде YBCO-дан металл электродқа бағытталады және үлгі асқын өткізгіш емес болған кезде қарама-қарсы бағытқа ауысады. Потенциалдың шығу тегі YBCO асқын өткізгіш болған кезде металл-асқын өткізгіш интерфейсіндегі жақындық эффектісімен14,15,16,17 табиғи түрде байланысты болуы мүмкін және оның мәні 502 мВт/см2 лазерлік қарқындылығымен 50 К температурада ~10−8 мВ деп бағаланады. Қалыпты күйдегі p-типті YBCO материалының n-типті Ag-паста материалымен үйлесуі, ең алдымен, жоғары температурада YBCO керамикасының PV мінез-құлқына жауап беретін квази-pn түйінін құрайды. Біздің бақылауларымыз жоғары температуралы асқын өткізгіш YBCO керамикасындағы фотоэлектронды эффектінің пайда болуын одан әрі анықтап, оны жылдам пассивті жарық детекторы сияқты оптоэлектронды құрылғыларда қолдануға жол ашады.
1a–c суретінде YBCO керамикалық үлгісінің 50 К температурадағы IV сипаттамалары көрсетілген. Жарық сәулеленуінсіз үлгідегі кернеу ток өзгерген кезде нөлге тең болады, бұл асқын өткізгіш материалдан күтілетіндей. Лазер сәулесі катодқа бағытталған кезде айқын фотоэлектрлік әсер пайда болады (1a сурет): I осіне параллель IV қисықтары лазер қарқындылығының артуымен төмен қарай жылжиды. Ток болмаса да (көбінесе ашық тізбек кернеуі Voc деп аталады) теріс фотоиндукцияланған кернеу бар екені анық. IV қисығының нөлдік көлбеуі лазер сәулеленуі кезінде үлгінің әлі де асқын өткізгіш екенін көрсетеді.
(a–c) және 300 K (e–g). V(I) мәндері вакуумда −10 мА-дан +10 мА-ға дейінгі токты айналдыру арқылы алынды. Анықтық үшін эксперименттік деректердің тек бір бөлігі ғана ұсынылған. a, Катодта (i) орналасқан лазерлік нүктемен өлшенген YBCO ток-кернеу сипаттамалары. Барлық IV қисықтары лазерлік сәулелендіру кезінде үлгінің әлі де асқын өткізгіш екенін көрсететін көлденең түзу сызықтар. Қисық лазер қарқындылығының артуымен төмен қарай жылжиды, бұл нөлдік ток болған кезде де екі кернеу сымының арасында теріс потенциал (Voc) бар екенін көрсетеді. Лазер үлгінің орталығына 50 K (b) немесе 300 K (f) эфирінде бағытталған кезде IV қисықтары өзгеріссіз қалады. Анод жарықтандырылған кезде көлденең сызық жоғары қарай жылжиды (c). 50 K температурадағы металл-асқын өткізгіш түйіспесінің схемалық моделі d-де көрсетілген. Катодқа және анодқа бағытталған лазер сәулесімен өлшенген 300 K температурадағы қалыпты күйдегі YBCO ток-кернеу сипаттамалары сәйкесінше e және g-де берілген. 50 К температурадағы нәтижелерден айырмашылығы, түзу сызықтардың нөлдік емес көлбеуі YBCO қалыпты күйде екенін көрсетеді; Voc мәндері жарық қарқындылығымен қарама-қарсы бағытта өзгереді, бұл зарядты бөлудің басқа механизмін көрсетеді. 300 К температурадағы мүмкін интерфейс құрылымы hj түрінде көрсетілген. Сымдары бар үлгінің нақты көрінісі.
Аса өткізгіш күйдегі оттегіге бай YBCO өте аз энергия саңылауына (Eg)9,10 байланысты күн сәулесінің толық спектрін сіңіре алады, осылайша электрон-тесік жұптарын (e–h) жасайды. Фотондарды жұту арқылы ашық тізбек кернеуін Voc алу үшін рекомбинация орын алмас бұрын фотогенерацияланған eh жұптарын кеңістіктік бөлу қажет18. 1i-суретте көрсетілгендей, катод пен анодқа қатысты теріс Voc металл-аса өткізгіш интерфейсінде электрондарды анодқа, ал тесіктерді катодқа өткізетін электрлік потенциал бар екенін көрсетеді. Егер бұлай болса, анодтағы аса өткізгіштен металл электродқа бағытталған потенциал да болуы керек. Демек, анодтың жанындағы үлгі аймағы жарықтандырылса, оң Voc алынады. Сонымен қатар, лазерлік нүкте электродтардан алыс аймақтарға бағытталған кезде фотоиндукцияланған кернеулер болмауы керек. 1b,c суреттерінен көрініп тұрғандай, бұл сөзсіз.
Жарық дақтары катод электродынан үлгінің ортасына қарай жылжығанда (беткейлерден шамамен 1,25 мм қашықтықта), лазер қарқындылығының қолжетімді максималды мәнге дейін артуымен IV қисықтарының және Voc-тың ешқандай өзгерісі байқалмайды (1b-сурет). Әрине, бұл нәтижені фотоиндукцияланған тасымалдаушылардың шектеулі қызмет ету мерзімімен және үлгідегі бөлу күшінің болмауымен байланыстыруға болады. Үлгі жарықтандырылған кезде электронды тесіктер жұптары жасалуы мүмкін, бірақ лазер дақтары кез келген электродтан алыс жерлерге түссе, e-h жұптарының көпшілігі жойылады және фотоэлектрлік әсер байқалмайды. Лазер дақтарын анод электродтарына жылжытқанда, I осіне параллель IV қисықтары лазер қарқындылығының артуымен жоғары қарай жылжиды (1c-сурет). Анодтағы металл-асқын өткізгіш түйіспесінде ұқсас кіріктірілген электр өрісі бар. Дегенмен, бұл жолы металл электрод сынақ жүйесінің оң өткізгішіне қосылады. Лазер шығарған тесіктер анод өткізгішіне итеріледі және осылайша оң Voc байқалады. Мұнда келтірілген нәтижелер асқын өткізгіштен металл электродқа бағытталған интерфейстік потенциалдың бар екендігінің айқын дәлелі болып табылады.
YBa2Cu3O6.96 керамикасындағы 300 К температурадағы фотоэлектрлік эффект 1e–g суреттерінде көрсетілген. Жарық сәулеленуінсіз үлгінің IV қисығы бастапқы нүктеден өтетін түзу сызық болып табылады. Бұл түзу сызық катодтық өткізгіштерде сәулеленудің артуымен бастапқы сызыққа параллель жоғары қарай жылжиды (1e сурет). Фотоэлектрлік құрылғы үшін екі шектеуші жағдай бар. Қысқа тұйықталу шарты V = 0 болғанда пайда болады. Бұл жағдайда ток күші қысқа тұйықталу тогы (Isc) деп аталады. Екінші шектеуші жағдай - R→∞ немесе ток күші нөлге тең болғанда пайда болатын ашық тұйықталу шарты (Voc). 1e суретте Voc оң болатыны және 50 К температурада алынған нәтижемен салыстырғанда жарық қарқындылығының артуымен артатыны анық көрсетілген; ал теріс Isc жарық сәулеленуімен шамасының артуы байқалады, бұл қалыпты күн батареяларына тән мінез-құлық.
Сол сияқты, лазер сәулесі электродтардан алыс жерлерге бағытталған кезде, V(I) қисығы лазер қарқындылығына тәуелсіз болады және фотоэлектрлік әсер пайда болмайды (1f-сурет). 50 К температурадағы өлшеуге ұқсас, анод электроды сәулелендірілген кезде IV қисықтары қарама-қарсы бағытқа жылжиды (1g-сурет). Үлгінің әртүрлі позицияларында лазер сәулелендірілген 300 К температурадағы осы YBCO-Ag паста жүйесі үшін алынған барлық осы нәтижелер 50 К температурада байқалғанға қарама-қарсы интерфейстік потенциалға сәйкес келеді.
Электрондардың көпшілігі асқын өткізгіш YBCO-да оның өтпелі температурасы Tc-ден төмен Купер жұптарында конденсацияланады. Металл электродында болған кезде барлық электрондар сингулярлық күйінде қалады. Металл-асқын өткізгіш интерфейсінің маңында сингулярлық электрондар мен Купер жұптары үшін үлкен тығыздық градиенті бар. Металл материалындағы көпшілік тасымалдаушы сингулярлық электрондар асқын өткізгіш аймағына диффузияланады, ал YBCO аймағындағы көпшілік тасымалдаушы Купер жұптары металл аймағына диффузияланады. Сингулярлық электрондарға қарағанда көбірек зарядтарды тасымалдайтын және үлкен қозғалғыштыққа ие Купер жұптары YBCO-дан металл аймағына диффузияланатындықтан, оң зарядталған атомдар қалады, бұл кеңістіктік заряд аймағында электр өрісінің пайда болуына әкеледі. Бұл электр өрісінің бағыты 1d-суреттегі схемалық диаграммада көрсетілген. Кеңістіктік заряд аймағына жақын жердегі фотондық жарықтандыру бөлініп, сыртқа шығарылатын eh жұптарын тудыруы мүмкін, бұл кері бағытта фототок тудырады. Электрондар кіріктірілген электр өрісінен шыққаннан кейін, олар жұптарға конденсацияланып, кедергісіз басқа электродқа ағады. Бұл жағдайда Voc алдын ала орнатылған полярлыққа қарама-қарсы болады және лазер сәулесі теріс электродтың айналасындағы аймаққа бағытталған кезде теріс мәнді көрсетеді. Voc мәнінен интерфейстегі потенциалды бағалауға болады: екі кернеу сымының арасындағы қашықтық d ~5 × 10−3 м, металл-асқын өткізгіш интерфейсінің қалыңдығы, di, YBCO асқын өткізгішінің когеренттілік ұзындығымен (~1 нм)19,20 бірдей болуы керек, Voc мәнін = 0,03 мВ деп қабылдаймыз, металл-асқын өткізгіш интерфейсіндегі потенциал Vms 50 К температурада 502 мВт/см2 лазерлік қарқындылықпен ~10−11 В деп бағаланады, келесі теңдеуді қолдана отырып,
Мұнда фотоиндукцияланған кернеуді фототермиялық эффектімен түсіндіруге болмайтынын атап өткіміз келеді. Асқын өткізгіш YBCO-ның Зеебек коэффициенті Ss = 021 екені эксперименталды түрде анықталды. Мыс қорғасын сымдары үшін Зеебек коэффициенті SCu = 0,34–1,15 мкВ/К3 диапазонында. Лазер нүктесіндегі мыс сымның температурасын 50 К температурада максималды лазерлік қарқындылықпен 0,06 К-ге аздап көтеруге болады. Бұл 1-суретте (а) алынған Voc-тан үш рет кіші 6,9 × 10−8 В термоэлектрлік потенциалды тудыруы мүмкін. Термоэлектрлік эффект эксперименттік нәтижелерді түсіндіру үшін тым аз екені анық. Шын мәнінде, лазерлік сәулеленуден туындайтын температураның өзгеруі бір минуттан аз уақыт ішінде жоғалып кетеді, сондықтан жылулық эффектінің үлесін қауіпсіз түрде елемеуге болады.
Бөлме температурасында YBCO-ның фотоэлектрлік әсері мұнда зарядты бөлудің басқа механизмі қатысатынын көрсетеді. Қалыпты күйдегі аса өткізгіш YBCO заряд тасымалдаушысы ретінде тесіктері бар p-типті материал болып табылады22,23, ал металл Ag-пастасы n-типті материалдың сипаттамаларына ие. pn түйіспелеріне ұқсас, YBCO керамикасындағы күміс пастасындағы электрондар мен тесіктердің диффузиясы YBCO керамикасына бағытталған ішкі электр өрісін түзеді (1h сурет). Дәл осы ішкі өріс бөлу күшін қамтамасыз етеді және 1e суретте көрсетілгендей, бөлме температурасында YBCO-Ag паста жүйесі үшін оң Voc және теріс Isc-ге әкеледі. Балама ретінде, Ag-YBCO жоғарыда көрсетілген модельдегідей полярлығы бар интерфейстік потенциалға әкелетін p-типті Шоттки түйіспесін түзе алады24.
YBCO асқын өткізгіштік ауысуы кезіндегі фотоэлектрлік қасиеттердің егжей-тегжейлі эволюция процесін зерттеу үшін 80 К температурадағы үлгінің IV қисықтары катод электродында жарықтандырылған таңдалған лазерлік қарқындылықпен өлшенді (2-сурет). Лазерлік сәулелендірусіз үлгідегі кернеу ток күшіне қарамастан нөлге тең болады, бұл үлгінің 80 К температурадағы асқын өткізгіштік күйін көрсетеді (2a-сурет). 50 К температурада алынған деректерге ұқсас, I осіне параллель IV қисықтары лазерлік қарқындылықтың артуымен Pc сыни мәніне жеткенше төмен қарай жылжиды. Осы сыни лазерлік қарқындылықтан (Pc) жоғары өткізгіш асқын өткізгіш фазадан резистивті фазаға ауысады; асқын өткізгіште кедергінің пайда болуына байланысты кернеу токпен бірге арта бастайды. Нәтижесінде, IV қисығы I осі мен V осі арқылы қиылыса бастайды, бұл алдымен теріс Voc және оң Isc пайда болады. Енді үлгі Voc және Isc полярлығы жарық қарқындылығына өте сезімтал болатын ерекше күйде болып көрінеді; Жарық қарқындылығының өте аз өсуімен Isc оң мәннен теріс мәнге, ал Voc теріс мәннен оң мәнге айналады, бастапқы нүктеден өтеді (фотоэлектрлік қасиеттердің, әсіресе Isc мәнін жарық сәулеленуіне жоғары сезімталдығы 2b-суретте айқынырақ көрінеді). Қолжетімді ең жоғары лазерлік қарқындылықта IV қисықтары бір-біріне параллель болуға тырысады, бұл YBCO үлгісінің қалыпты күйін білдіреді.
Лазер нүктесінің орталығы катод электродтарының айналасында орналасқан (1i суретті қараңыз). a, әртүрлі лазерлік қарқындылықпен сәулелендірілген YBCO IV қисықтары. b (жоғарғы), Лазерлік қарқындылықтың ашық тізбек кернеуінің Voc және қысқа тұйықталу тогының тәуелділігі Isc. Isc мәндерін төмен жарық қарқындылығында (<110 мВт/см2) алу мүмкін емес, себебі үлгі асқын өткізгіштік күйде болған кезде IV қисықтары I осіне параллель болады. b (төменгі), лазерлік қарқындылықтың функциясы ретіндегі дифференциалды кедергі.
80 К температурадағы Voc және Isc лазерлік қарқындылығына тәуелділігі 2b-суретте (жоғарғы жағы) көрсетілген. Фотоэлектрлік қасиеттерді жарық қарқындылығының үш аймағында талқылауға болады. Бірінші аймақ 0 мен Pc аралығында, мұнда YBCO асқын өткізгіш, Voc теріс мәнге ие және жарық қарқындылығымен төмендейді (абсолютті мән артады) және Pc кезінде минимумға жетеді. Екінші аймақ Pc-ден басқа критикалық қарқындылық P0-ға дейін, мұнда Voc артады, ал Isc жарық қарқындылығының артуымен төмендейді және екеуі де P0 кезінде нөлге жетеді. Үшінші аймақ YBCO қалыпты күйіне жеткенше P0-ден жоғары болады. Voc та, Isc та 2-аймақтағыдай жарық қарқындылығымен өзгерсе де, олардың критикалық қарқындылық P0-ден жоғары қарама-қарсы полярлығы бар. P0-ның маңыздылығы фотоэлектрлік әсердің болмауында және зарядты бөлу механизмі осы нақты нүктеде сапалы түрде өзгеретіндігінде. YBCO үлгісі жарық қарқындылығының осы диапазонында асқын өткізгіш емес болады, бірақ әлі қалыпты күйге жете алмайды.
Әрине, жүйенің фотоэлектрлік сипаттамалары YBCO асқын өткізгіштігімен және оның асқын өткізгіштік ауысуымен тығыз байланысты. YBCO дифференциалды кедергісі, dV/dI, 2b-суретте (төменде) лазер қарқындылығының функциясы ретінде көрсетілген. Бұрын айтылғандай, асқын өткізгіштен металлға дейінгі Купер жұбының диффузиялық нүктелеріне байланысты интерфейстегі электрлік потенциалдың пайда болуы. 50 К температурада байқалғанға ұқсас, фотоэлектрлік әсер лазер қарқындылығының 0-ден Pc-ге дейін артуымен күшейеді. Лазер қарқындылығы Pc-ден сәл жоғары мәнге жеткенде, IV қисығы еңкейе бастайды және үлгінің кедергісі пайда бола бастайды, бірақ интерфейс потенциалының полярлығы әлі өзгерген жоқ. Оптикалық қоздырудың асқын өткізгіштікке әсері көрінетін немесе жақын инфрақызыл аймақта зерттелген. Негізгі процесс Купер жұптарын бөлшектеу және асқын өткізгіштікті жою болса25,26, кейбір жағдайларда асқын өткізгіштік ауысуын күшейтуге27,28,29, тіпті асқын өткізгіштіктің жаңа фазаларын индукциялауға болады30. Pc-де асқын өткізгіштіктің болмауы фотоиндукцияланған жұптың үзілуімен байланыстырылуы мүмкін. P0 нүктесінде интерфейс арқылы потенциал нөлге тең болады, бұл интерфейстің екі жағындағы заряд тығыздығы жарық сәулеленуінің осы қарқындылығы кезінде бірдей деңгейге жететінін көрсетеді. Лазер қарқындылығының одан әрі артуы Купер жұптарының көбірек жойылуына әкеледі және YBCO біртіндеп p-типті материалға айналады. Электрон мен Купер жұбының диффузиясының орнына интерфейстің ерекшелігі енді электрон мен тесік диффузиясымен анықталады, бұл интерфейстегі электр өрісінің полярлығының өзгеруіне және нәтижесінде оң Voc-қа әкеледі (1d, h суреттерін салыстырыңыз). Өте жоғары лазерлік қарқындылықта YBCO дифференциалды кедергісі қалыпты күйге сәйкес келетін мәнге дейін қанығады және Voc та, Isc те лазер қарқындылығымен сызықтық түрде өзгереді (2b сурет). Бұл бақылау қалыпты күйдегі YBCO-ға лазерлік сәулелендіру енді оның кедергісін және асқын өткізгіш-металл интерфейсінің ерекшелігін өзгертпейтінін, тек электрон-тесік жұптарының концентрациясын арттыратынын көрсетеді.
Фотоэлектрлік қасиеттерге температураның әсерін зерттеу үшін металл-аса өткізгіш жүйе катодта 502 мВт/см2 қарқындылықтағы көк лазермен сәулелендірілген. 50 және 300 К аралығындағы таңдалған температураларда алынған IV қисықтары 3a суретте келтірілген. Ашық тізбек кернеуі Voc, қысқа тұйықталу тогы Isc және дифференциалды кедергі осы IV қисықтарынан алынуы мүмкін және 3b суретте көрсетілген. Жарық сәулеленуінсіз әртүрлі температурада өлшенген барлық IV қисықтары күтілгендей бастапқы нүктеден өтеді (3a суреттің кірістірілген нұсқасы). Жүйе салыстырмалы түрде күшті лазер сәулесімен (502 мВт/см2) жарықтандырылған кезде IV сипаттамалары температураның жоғарылауымен күрт өзгереді. Төмен температурада IV қисықтары Voc теріс мәндері бар I осіне параллель түзу сызықтар болып табылады. Бұл қисық температураның жоғарылауымен жоғары қарай жылжиды және біртіндеп сыни температура Tcp кезінде нөлден тыс көлбеу сызыққа айналады (3a сурет (жоғарғы жағы)). Барлық IV сипаттамалық қисықтары үшінші квадранттағы нүктенің айналасында айналатын сияқты. Voc теріс мәннен оң мәнге дейін артады, ал Isc оң мәннен теріс мәнге дейін төмендейді. YBCO бастапқы асқын өткізгіштік өтпелі температурасы Tc үстінде IV қисығы температураға байланысты әртүрлі өзгереді (3a-суреттің төменгі жағы). Біріншіден, IV қисықтарының айналу орталығы бірінші квадрантқа жылжиды. Екіншіден, температураның жоғарылауымен Voc төмендей береді, ал Isc артады (3b-суреттің жоғарғы жағы). Үшіншіден, IV қисықтарының көлбеуі температурамен сызықтық түрде артады, бұл YBCO үшін кедергінің оң температуралық коэффициентіне әкеледі (3b-суреттің төменгі жағы).
502 мВт/см2 лазерлік жарықтандыру кезінде YBCO-Ag паста жүйесі үшін фотоэлектрлік сипаттамалардың температураға тәуелділігі.
Лазерлік нүктелік орталық катод электродтарының айналасында орналасқан (1i суретті қараңыз). a, 50-ден 90 К-ге дейін (жоғарғы) және 100-ден 300 К-ге дейін (төменгі) температураның сәйкесінше 5 К және 20 К өсуімен алынған IV қисықтары. a қосымшасында қараңғыда бірнеше температурада IV сипаттамалары көрсетілген. Барлық қисықтар бастапқы нүктені кесіп өтеді. b, ашық тізбек кернеуі Voc және қысқа тұйықталу тогы Isc (жоғарғы) және YBCO дифференциалды кедергісі, dV/dI, температураға байланысты. Нөлдік кедергі асқын өткізгіштік өтпелі температура Tcp берілмеген, себебі ол Tc0-ға тым жақын.
3b-суреттен үш маңызды температураны анықтауға болады: Tcp, одан жоғары YBCO асқын өткізгіштікке айналған; Tc0, онда Voc және Isc екеуі де нөлге айналады және Tc, лазерлік сәулеленудісіз YBCO-ның бастапқы асқын өткізгіштік өтпелі температурасы. Tcp ~ 55 K төмен, лазерлік сәулелендірілген YBCO Купер жұптарының салыстырмалы түрде жоғары концентрациясы бар асқын өткізгіштік күйде болады. Лазерлік сәулеленудің әсері фотоэлектрлік кернеу мен токты өндірумен қатар Купер жұбының концентрациясын төмендету арқылы нөлдік кедергі асқын өткізгіштік өтпелі температураны 89 K-ден ~55 K-ге дейін төмендету болып табылады. Температураның жоғарылауы Купер жұптарын да ыдыратады, бұл интерфейстегі потенциалдың төмендеуіне әкеледі. Демек, Voc абсолютті мәні кішірейеді, дегенмен лазерлік жарықтандырудың бірдей қарқындылығы қолданылады. Интерфейстік потенциал температураның одан әрі жоғарылауымен кішірейіп, Tc0 кезінде нөлге жетеді. Бұл арнайы нүктеде фотоэлектрлік әсер жоқ, себебі фотоиндукцияланған электронды тесік жұптарын бөлетін ішкі өріс жоқ. Потенциалдың полярлығының өзгеруі осы критикалық температурадан жоғары болады, себебі Ag пастасында бос заряд тығыздығы біртіндеп p-типті материалға қайта оралатын YBCO-дағыдан жоғары. Мұнда біз Voc және Isc полярлығының өзгеруі нөлдік кедергісі бар асқын өткізгіштік ауысудан кейін бірден, ауысу себебіне қарамастан, орын алатынын атап өткіміз келеді. Бұл бақылау алғаш рет металл-асқын өткізгіштік интерфейсінің потенциалымен байланысты асқын өткізгіштік пен фотоэлектрлік әсерлер арасындағы корреляцияны анық көрсетеді. Асқын өткізгіш-қалыпты металл интерфейсіндегі бұл потенциалдың табиғаты соңғы бірнеше онжылдықтарда зерттеудің басты назарында болды, бірақ әлі де жауап күтіп тұрған көптеген сұрақтар бар. Фотоэлектрлік әсерді өлшеу осы маңызды потенциалдың бөлшектерін (мысалы, оның күші мен полярлығы және т.б.) зерттеудің тиімді әдісі болып шығуы мүмкін және осылайша жоғары температуралы асқын өткізгіштік жақындық әсеріне жарық түсіреді.
Температураның Tc0-дан Tc-ға дейін одан әрі жоғарылауы Купер жұптарының концентрациясының төмендеуіне және интерфейс потенциалының жоғарылауына, демек, Voc-тың ұлғаюына әкеледі. Tc кезінде Купер жұбының концентрациясы нөлге тең болады және интерфейстегі жинақталған потенциал максимумға жетеді, нәтижесінде максимум Voc және минималды Isc пайда болады. Бұл температура диапазонындағы Voc және Isc-тің тез өсуі (абсолютті мән) 502 мВт/см2 қарқындылықтағы лазерлік сәулелендіру арқылы ΔT ~ 3 K-тан ~34 K-қа дейін кеңейтілетін асқын өткізгіштік ауысуға сәйкес келеді (3b-сурет). Tc-ден жоғары қалыпты күйлерде ашық тізбек кернеуі Voc температурамен бірге төмендейді (3b-суреттің жоғарғы жағы), бұл pn түйіспелеріне негізделген қалыпты күн батареялары үшін Voc-тың сызықтық мінез-құлқына ұқсас31,32,33. Лазер қарқындылығына қатты тәуелді Voc-тың температурамен өзгеру жылдамдығы (−dVoc/dT) қалыпты күн батареяларына қарағанда әлдеқайда аз болса да, YBCO-Ag түйісуі үшін Voc-тың температуралық коэффициенті күн батареяларымен бірдей дәрежеде. Қалыпты күн батареясы құрылғысының pn түйіспесінің ағып кету тогы температураның жоғарылауымен артады, бұл температураның жоғарылауымен Voc-тың төмендеуіне әкеледі. Бұл Ag-асқын өткізгіш жүйесі үшін байқалған сызықтық IV қисықтары, біріншіден, интерфейс потенциалының өте кішкентай болуына және екіншіден, екі гетероөткізгіштің кері байланысына байланысты, ағып кету тогын анықтауды қиындатады. Дегенмен, ағып кету тогының температураға тәуелділігі біздің экспериментімізде байқалған Voc мінез-құлқына жауап береді деген болжам бар. Анықтамаға сәйкес, Isc - жалпы кернеу нөлге тең болуы үшін Voc-ты өтеу үшін теріс кернеуді тудыру үшін қажетті ток. Температура жоғарылаған сайын Voc кішірейеді, сондықтан теріс кернеуді тудыру үшін аз ток қажет болады. Сонымен қатар, YBCO кедергісі Tc-ден жоғары температурамен сызықтық түрде артады (3b-суреттің төменгі жағы), бұл да жоғары температурада Isc абсолютті мәнінің кішіреюіне ықпал етеді.
2,3-суреттерде келтірілген нәтижелер катод электродтарының айналасындағы аймаққа лазерлік сәулелендіру арқылы алынғанын ескеріңіз. Өлшеулер анодта орналасқан лазерлік нүктемен де қайталанды және ұқсас IV сипаттамалары мен фотоэлектрлік қасиеттер байқалды, тек бұл жағдайда Voc және Isc полярлығы керісінше болды. Осы деректердің барлығы фотоэлектрлік әсердің механизміне әкеледі, ол асқын өткізгіш-металл интерфейсімен тығыз байланысты.
Қорытындылай келе, лазермен сәулелендірілген аса өткізгіш YBCO-Ag паста жүйесінің IV сипаттамалары температура мен лазер қарқындылығының функциялары ретінде өлшенді. 50-ден 300 К-ге дейінгі температура диапазонында фотоэлектрлік әсердің таңғажайып әсері байқалды. Фотоэлектрлік қасиеттердің YBCO керамикасының аса өткізгіштігімен тығыз байланысты екені анықталды. Voc және Isc полярлығының өзгеруі фотоиндукцияланған аса өткізгіштіктен аса өткізгіш емеске ауысқаннан кейін бірден пайда болады. Белгіленген лазер қарқындылығында өлшенген Voc және Isc температураға тәуелділігі сонымен қатар үлгі кедергіге айналатын критикалық температурада айқын полярлықтың өзгеруін көрсетеді. Лазерлік дақтарды үлгінің басқа бөлігіне орналастыру арқылы біз фотоиндукцияланған электрон-тесік жұптары үшін бөлу күшін қамтамасыз ететін интерфейсте электрлік потенциал бар екенін көрсетеміз. Бұл интерфейстік потенциал YBCO аса өткізгіш болған кезде YBCO-дан металл электродқа бағытталады және үлгі аса өткізгіш емес болған кезде кері бағытқа ауысады. Потенциалдың шығу тегі YBCO асқын өткізгіш болған кезде металл-асқын өткізгіш интерфейсіндегі жақындық әсерімен табиғи түрде байланысты болуы мүмкін және 502 мВт/см2 лазерлік қарқындылығымен 50 К температурада ~10−8 мВ деп бағаланады. Қалыпты күйдегі p-типті YBCO материалының n-типті материалмен жанасуы Ag-пастасы квази-pn түйінін түзеді, бұл жоғары температурада YBCO керамикасының фотоэлектрлік мінез-құлқына жауап береді. Жоғарыда келтірілген бақылаулар жоғары температуралы асқын өткізгіш YBCO керамикасындағы фотоэлектрлік әсерге жарық түсіреді және жылдам пассивті жарық детекторы және бір фотонды детектор сияқты оптоэлектрондық құрылғыларда жаңа қолданбаларға жол ашады.
Фотоэлектрлік әсер эксперименттері қалыңдығы 0,52 мм және 8,64 × 2,26 мм2 тікбұрышты пішінді және радиусы 1,25 мм лазерлік дақ өлшемі бар үздіксіз толқынды көк-лазермен (λ = 450 нм) жарықтандырылған YBCO керамикалық үлгісінде жүргізілді. Жұқа пленка үлгісінің орнына көлемді пайдалану бізге асқын өткізгіштің фотоэлектрлік қасиеттерін субстраттың күрделі әсеріне ұшырамай зерттеуге мүмкіндік береді6,7. Сонымен қатар, көлемді материал оны дайындаудың қарапайым процедурасы мен салыстырмалы түрде төмен құны үшін қолайлы болуы мүмкін. Мыс қорғасын сымдар YBCO үлгісінде диаметрі шамамен 1 мм болатын төрт дөңгелек электрод түзетін күміс пастасымен біріктірілген. Екі кернеу электроды арасындағы қашықтық шамамен 5 мм. Үлгінің IV сипаттамалары кварц кристалды терезесі бар діріл үлгісі магнитометрін (VersaLab, Quantum Design) пайдаланып өлшенді. IV қисықтарын алу үшін стандартты төрт сымды әдіс қолданылды. Электродтар мен лазерлік дақтардың салыстырмалы орналасуы 1i-суретте көрсетілген.
Бұл мақаланы қалай дәйексөз ретінде келтіруге болады: Yang, F. және т.б. Асқын өткізгіш YBa2Cu3O6.96 керамикасындағы фотоэлектрлік әсердің шығу тегі. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR YBa2Cu3O7 ішіндегі симметрияға тыйым салынған лазерлік индукцияланған кернеулер. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O-дағы аномальды фотоэлектрлік сигналдың шығу тегі. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Аса өткізгіш Bi-Sr-Ca-Cu-O лазермен индукцияланған кернеулерді өлшеу. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Тейт, КЛ және т.б. YBa2Cu3O7-x бөлме температурасындағы пленкалардағы өтпелі лазерлік кернеулер. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7 ішіндегі аномальды фотоэлектрлік реакция. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Мураока, Ю., Мурамацу, Т., Ямаура, Дж. және Хирои, З. Оксидтік гетероқұрылымдағы YBa2Cu3O7−x-ке фотогенерацияланған тесік тасымалдаушысын енгізу. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Асакура, Д. және т.б. Жарық сәулесі астындағы YBa2Cu3Oy жұқа қабықшаларының фотоэмиссиялық зерттеуі. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Ян, Ф. және т.б. Әртүрлі оттегі парциалды қысымында күйдірілген YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb гетероөткізгішінің фотоэлектрлік әсері. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Аминов, Б.А. және т.б. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x монокристалдарындағы екі саңылаулы құрылым. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Кабанов, В.В., Демсар, Дж., Подобник, Б. және Михайлович, Д. Әртүрлі саңылау құрылымдары бар асқын өткізгіштердегі квазибөлшектердің релаксация динамикасы: YBa2Cu3O7-δ бойынша теория және тәжірибелер. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb гетероөткізгішінің түзеткіш қасиеттері. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Камарас, К., Портер, К.Д., Досс, М.Г., Херр, С.Л. және Таннер, Д.Б. YBa2Cu3O7-δ-дағы экситондық сіңіру және асқын өткізгіштік. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3 жартылай өткізгіш монокристалдарындағы өтпелі фотоиндукцияланған өткізгіштік: фотоиндукцияланған металл күйін және фотоиндукцияланған асқын өткізгіштікті іздеу. Қатты күйлер қауымдастығы. 72, 345–349 (1989).
Макмиллан, В.Л. Аса өткізгіштік жақындық әсерінің туннельдік моделі. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Герон, С. және т.б. Мезоскопиялық ұзындық шкаласында зерттелген асқын өткізгіштік жақындық әсері. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Аннунциата, Г. және Манске, Д. Центросимметриялық емес асқын өткізгіштермен жақындық әсері. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM және т.б. Pb-Bi2Te3 гибридті құрылымдарындағы күшті асқын өткізгіштік жақындық әсері. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Күн радиациясын электр қуатына түрлендіруге арналған жаңа кремний pn түйіспелі фотоэлементі. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Томимото, К. Zn- немесе Ni-легирленген YBa2Cu3O6.9 монокристалдарындағы асқын өткізгіштік когеренттілік ұзындығына қоспаның әсері. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Қоспаланбаған YBa2Cu3Oy монокристалдарының кең ауқымды легирлеудегі магниторезистенті: когеренттік ұзындығының аномальды тесік-легирлеу тәуелділігі. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Обертелли, СД және Купер, Дж.Р. Жоғары ТТ оксидтерінің термоэлектрлік қуатындағы систематика. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Сугай, С. және т.б. p-типті жоғары Tc өткізгіштеріндегі когерентті шыңның және LO фонондық режимінің тасымалдаушы тығыздығына тәуелді импульстік ығысуы. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Ноджима, Т. және т.б. Электрохимиялық әдісті қолдана отырып, YBa2Cu3Oy жұқа қабықшаларындағы тесіктерді қалпына келтіру және электрондардың жиналуы: n-типті металл күйінің дәлелдері. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Тунг, РТ Шоттки тосқауылының биіктігінің физикасы мен химиясы. Қолданбалы физика. Lett. 1, 011304 (2014).
Сай-Халас, Г.А., Чи, К.К., Дененштейн, А. және Лангенберг, Д.Н. Аса өткізгіш қабықшалардағы динамикалық сыртқы жұп үзілісінің әсері. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Ниева, Г. және т.б. Асқын өткізгіштіктің фотоиндукцияланған күшеюі. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Кудинов, В.И. және т.б. YBa2Cu3O6+x пленкаларындағы тұрақты фотоөткізгіштік металл және аса өткізгіш фазаларға фотолегирлеу әдісі ретінде. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Манковский, Р. және т.б. YBa2Cu3O6.5-тегі асқын өткізгіштіктің жоғарылауының негізі ретінде сызықтық емес тор динамикасы. Nature 516, 71–74 (2014).
Фаусти, Д. және т.б. Жолақты кубраттағы жарықтан туындаған асқын өткізгіштік. Science 331, 189–191 (2011).
Эль-Адави, МК және Әл-Нуайм, IA Күн батареясы үшін ұшқыш органикалық қосылыстардың (ҰОО) оның тиімділігіне қатысты температуралық функционалдық тәуелділігі. Тұзсыздандыру 209, 91–96 (2007).
Вернон, С.М. және Андерсон, Вашингтон. Шоттки тосқауылынан жасалған кремнийлі күн батареяларындағы температуралық әсерлер. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Жұмыс жағдайындағы полимер-фуллерен күн батареяларының фотоэлектрлік құрылғы параметрлерінің температураға тәуелділігі. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Бұл жұмыс Қытайдың Ұлттық жаратылыстану ғылымдары қорымен (грант № 60571063), Қытайдың Хэнань провинциясының іргелі зерттеу жобаларымен (грант № 122300410231) қолдау тапты.
FY мақаланың мәтінін жазды, ал MYH YBCO керамикалық үлгісін дайындады. FY мен MYH эксперимент жүргізіп, нәтижелерін талдады. FGC жобаны және деректерді ғылыми түсіндіруді басқарды. Барлық авторлар қолжазбаны қарап шықты.
Бұл жұмыс Creative Commons Attribution 4.0 халықаралық лицензиясы бойынша лицензияланған. Осы мақаладағы суреттер немесе басқа үшінші тарап материалдары, егер авторлық құқық жолында басқаша көрсетілмесе, мақаланың Creative Commons лицензиясына кіреді; егер материал Creative Commons лицензиясына кірмесе, пайдаланушылар материалды көшіру үшін лицензия иесінен рұқсат алуы керек. Осы лицензияның көшірмесін көру үшін http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ сайтына кіріңіз.
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Асқын өткізгіш YBa2Cu3O6.96 керамикасындағы фотоэлектрлік әсердің шығу тегі. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Пікір қалдыру арқылы сіз біздің Шарттарымыз бен Қауымдастық нұсқауларымызды сақтауға келісесіз. Егер сіз біздің шарттарымызға немесе нұсқауларымызға сәйкес келмейтін немесе қорлайтын нәрсе тапсаңыз, оны орынсыз деп белгілеңіз.
Жарияланған уақыты: 2020 жылғы 22 сәуір