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본 연구에서는 청색 레이저 조사에 의해 50~300K 온도 범위에서 YBCO(YBa₂Cu₃O₆₉₆) 세라믹에서 나타나는 놀라운 광전 효과를 보고합니다. 이 효과는 YBCO의 초전도성과 YBCO-금속 전극 계면과 직접적인 관련이 있습니다. YBCO가 초전도 상태에서 비전도 상태로 전이될 때 개방 회로 전압(Voc)과 단락 전류(Isc)의 극성이 반전됩니다. 초전도체와 정상 금속 계면에 전기적 전위가 존재하며, 이 전위가 광유도 전자-정공 쌍을 분리하는 힘을 제공한다는 것을 보여줍니다. 이 계면 전위는 YBCO가 초전도 상태일 때는 YBCO에서 금속 전극 방향으로 흐르고, YBCO가 비초전도 상태가 되면 반대 방향으로 바뀝니다. 이러한 전위차의 원인은 YBCO가 초전도 상태일 때 금속-초전도체 계면에서의 근접 효과와 밀접하게 관련되어 있으며, 50K에서 502mW/cm2의 레이저 강도 하에 그 값은 약 10⁻⁸mV로 추정됩니다. 정상 상태의 p형 물질인 YBCO와 n형 물질인 은 페이스트의 조합은 준 pn 접합을 형성하며, 이는 고온에서 YBCO 세라믹의 광전 효과를 유발하는 원인입니다. 본 연구 결과는 광전자 소자의 새로운 응용 분야를 개척하고 초전도체-금속 계면에서의 근접 효과에 대한 이해를 더욱 심화시킬 수 있을 것입니다.
고온 초전도체에서 광유도 전압은 1990년대 초에 보고된 이후 광범위하게 연구되어 왔지만, 그 본질과 메커니즘은 여전히 완전히 규명되지 않았습니다.1,2,3,4,5 특히 YBa2Cu3O7-δ(YBCO) 박막6,7,8은 조절 가능한 에너지 갭9,10,11,12,13 때문에 태양광(PV) 셀 형태로 집중적으로 연구되어 왔습니다. 그러나 기판의 높은 저항은 항상 소자의 변환 효율을 낮추고 YBCO의 주요 PV 특성을 가리는 결과를 초래합니다.8 본 연구에서는 50~300K(Tc ~ 90K) 범위에서 청색 레이저(λ = 450nm) 조사에 의해 유도되는 YBa2Cu3O6.96(YBCO) 세라믹의 놀라운 광전 효과를 보고합니다. 우리는 이 PV 효과가 YBCO의 초전도성과 YBCO-금속 전극 계면의 특성과 직접적으로 관련되어 있음을 보여줍니다. YBCO가 초전도 상태에서 비전도 상태로 전이될 때 개방 회로 전압 Voc와 단락 회로 전류 Isc의 극성이 반전됩니다. 이는 초전도체와 정상 금속 계면에 전기적 전위가 존재하여 광유도 전자-정공 쌍을 분리하는 힘을 제공하기 때문으로 추정됩니다. 이 계면 전위는 YBCO가 초전도 상태일 때는 YBCO에서 금속 전극 방향으로 흐르고, 시료가 비초전도 상태가 되면 반대 방향으로 바뀝니다. 이 전위의 원인은 YBCO가 초전도 상태일 때 금속-초전도체 계면에서 발생하는 근접 효과¹⁴,¹⁵,¹⁶,¹⁷와 관련이 있으며, 50K에서 레이저 강도 502mW/cm²일 때 그 값은 약 10⁻⁸mV로 추정됩니다. 정상 상태의 p형 물질인 YBCO와 n형 물질인 Ag 페이스트의 조합은 고온에서 YBCO 세라믹의 광전 효과를 유발하는 준 pn 접합을 형성하는 것으로 보입니다. 본 연구 결과는 고온 초전도 YBCO 세라믹에서 나타나는 광전 효과의 기원을 더욱 명확히 밝혀주며, 고속 수동 광 검출기 등과 같은 광전자 장치에 적용할 수 있는 가능성을 제시합니다.
그림 1a~c는 50K에서 YBCO 세라믹 시료의 IV 특성을 보여줍니다. 빛이 조사되지 않은 상태에서는 전류가 변하더라도 시료 양단의 전압은 0으로 유지되는데, 이는 초전도 물질에서 예상되는 특성입니다. 레이저 빔을 음극에 조사하면 명확한 광전 효과가 나타납니다(그림 1a). I축에 평행한 IV 곡선은 레이저 강도가 증가함에 따라 아래쪽으로 이동합니다. 전류가 흐르지 않는 상태에서도 음의 광유도 전압(일반적으로 개방 회로 전압 Voc라고 함)이 존재함을 알 수 있습니다. IV 곡선의 기울기가 0이라는 것은 레이저 조사 하에서도 시료가 여전히 초전도 상태임을 나타냅니다.
(a–c) 및 300 K (e–g). V(I) 값은 진공 상태에서 전류를 -10 mA에서 +10 mA까지 스위핑하여 얻었습니다. 명확성을 위해 실험 데이터의 일부만 제시했습니다. a, 레이저 빔을 음극(i)에 위치시켜 측정한 YBCO의 전류-전압 특성. 모든 IV 곡선은 수평 직선으로, 레이저 조사 중에도 시료가 여전히 초전도 상태임을 나타냅니다. 레이저 강도가 증가함에 따라 곡선이 아래로 이동하는데, 이는 전류가 0일 때에도 두 전압 리드 사이에 음의 전위(Voc)가 존재함을 나타냅니다. 레이저를 50 K(b) 또는 300 K(f)에서 시료 중앙에 조사했을 때 IV 곡선은 변하지 않습니다. 양극에 빛을 비추면 수평선이 위로 이동합니다(c). 50 K에서의 금속-초전도체 접합의 개략적인 모델이 d에 나와 있습니다. 레이저 빔을 음극과 양극에 각각 조사하여 측정한 300 K에서의 정상 상태 YBCO의 전류-전압 특성은 각각 e와 g에 나타나 있습니다. 50K에서의 결과와는 대조적으로, 직선의 기울기가 0이 아닌 것은 YBCO가 정상 상태임을 나타냅니다. Voc 값은 빛의 강도에 따라 반대 방향으로 변화하며, 이는 다른 전하 분리 메커니즘을 시사합니다. 300K에서의 가능한 계면 구조는 그림 hj에 나타낸 바와 같이 리드가 있는 시료의 실제 사진으로 표현됩니다.
산소가 풍부한 초전도 상태의 YBCO는 매우 작은 에너지 갭(Eg)9,10으로 인해 태양광의 거의 전체 스펙트럼을 흡수하여 전자-정공 쌍(e-h)을 생성할 수 있습니다. 광자 흡수에 의해 개방 회로 전압(Voc)을 생성하려면 재결합이 발생하기 전에 광생성된 e-h 쌍을 공간적으로 분리해야 합니다18. 그림 1i에서 음극과 양극에 대해 음의 Voc가 나타나는 것은 금속-초전도체 계면에 전기적 전위가 존재하여 전자를 양극으로, 정공을 음극으로 이동시킨다는 것을 시사합니다. 만약 그렇다면, 초전도체에서 양극의 금속 전극 방향으로도 전위가 존재해야 합니다. 따라서 양극 근처의 시료 영역에 빛을 비추면 양의 Voc가 얻어질 것입니다. 또한, 레이저 빔이 전극에서 멀리 떨어진 영역을 향할 때는 광유도 전압이 발생하지 않아야 합니다. 그림 1b,c1에서 볼 수 있듯이 이는 분명합니다.
레이저 광점이 음극 전극에서 시료 중앙(계면에서 약 1.25mm 떨어진 지점)으로 이동할 때, 레이저 강도를 최대값까지 증가시켜도 IV 곡선의 변화나 Voc는 관찰되지 않습니다(그림 1b). 이는 광유도 전하 운반체의 수명이 제한적이고 시료 내 분리력이 부족하기 때문입니다. 시료에 빛이 조사될 때마다 전자-정공 쌍이 생성되지만, 레이저 광점이 전극에서 멀리 떨어진 영역에 조사될 경우 대부분의 전자-정공 쌍이 소멸되어 광전 효과가 관찰되지 않습니다. 레이저 광점을 양극 전극으로 이동시키면, I축에 평행한 IV 곡선이 레이저 강도 증가에 따라 위쪽으로 이동합니다(그림 1c). 양극의 금속-초전도체 접합부에도 유사한 내부 전기장이 존재합니다. 다만, 이번에는 금속 전극이 시험 시스템의 양극 리드에 연결되어 있습니다. 레이저에 의해 생성된 정공이 양극 리드로 밀려나므로 양의 Voc가 관찰됩니다. 본 연구 결과는 초전도체에서 금속 전극으로 향하는 계면 전위가 실제로 존재한다는 강력한 증거를 제시합니다.
그림 1e~g는 300K에서 YBa2Cu3O6.96 세라믹의 광전 효과를 보여줍니다. 빛이 없을 때 시료의 IV 곡선은 원점을 지나는 직선입니다. 이 직선은 음극 단자에 조사되는 레이저 강도가 증가함에 따라 원래 곡선과 평행하게 위쪽으로 이동합니다(그림 1e). 광전 소자에는 두 가지 극한 경우가 있습니다. 첫 번째는 V = 0일 때 발생하는 단락 조건입니다. 이 경우의 전류를 단락 전류(Isc)라고 합니다. 두 번째 극한은 R→∞ 또는 전류가 0일 때 발생하는 개방 회로 조건(Voc)입니다. 그림 1e는 50K에서 얻은 결과와는 달리 Voc가 양수이며 빛의 강도가 증가함에 따라 증가하는 것을 분명히 보여줍니다. 반면 Isc는 음의 값을 가지며 빛이 조사됨에 따라 크기가 증가하는 것이 관찰되는데, 이는 일반적인 태양 전지의 전형적인 동작입니다.
마찬가지로, 레이저 빔이 전극에서 멀리 떨어진 영역을 향할 때 V(I) 곡선은 레이저 강도와 무관하며 광전 효과가 나타나지 않습니다(그림 1f). 50K에서의 측정과 유사하게, 양극 전극에 레이저를 조사하면 IV 곡선은 반대 방향으로 이동합니다(그림 1g). 300K에서 YBCO-Ag 페이스트 시스템에 대해 시료의 여러 위치에 레이저를 조사하여 얻은 이러한 모든 결과는 50K에서 관찰된 것과 반대되는 계면 전위를 나타낸다는 점과 일치합니다.
초전도체 YBCO에서는 전이 온도 Tc 이하에서 대부분의 전자가 쿠퍼 쌍으로 응축됩니다. 반면 금속 전극에서는 모든 전자가 단일 전자 형태로 존재합니다. 금속-초전도체 계면 부근에는 단일 전자와 쿠퍼 쌍 모두에 대해 큰 밀도 기울기가 존재합니다. 금속 물질에서 다수 캐리어인 단일 전자는 초전도체 영역으로 확산되는 반면, YBCO 영역에서 다수 캐리어인 쿠퍼 쌍은 금속 영역으로 확산됩니다. 단일 전자보다 더 많은 전하를 운반하고 이동도가 더 큰 쿠퍼 쌍이 YBCO에서 금속 영역으로 확산됨에 따라 양전하를 띤 원자가 남게 되어 공간 전하 영역에 전기장이 발생합니다. 이 전기장의 방향은 그림 1d의 개략도에 나타나 있습니다. 공간 전하 영역 근처에 입사하는 광자는 분리되어 제거되는 쿠퍼 쌍을 생성하고 역방향 바이어스 방향으로 광전류를 발생시킵니다. 전자가 내장된 전기장을 벗어나자마자 쌍으로 응축되어 저항 없이 다른 전극으로 흐릅니다. 이 경우 Voc는 미리 설정된 극성과 반대이며 레이저 빔이 음극 주변 영역을 향할 때 음의 값을 나타냅니다. Voc 값으로부터 계면의 전위를 추정할 수 있습니다. 두 전압 리드 사이의 거리 d는 약 5 × 10⁻³ m이고, 금속-초전도체 계면의 두께 di는 YBCO 초전도체의 결맞음 길이(~1 nm)¹⁹,²⁰와 같은 크기여야 합니다. Voc = 0.03 mV로 가정하면, 레이저 강도 502 mW/cm²에서 50 K일 때 금속-초전도체 계면의 전위 Vms는 다음 식을 사용하여 약 10⁻¹¹ V로 계산됩니다.
여기서 강조하고 싶은 점은 광유도 전압이 광열 효과로는 설명될 수 없다는 것입니다. 초전도체 YBCO의 제벡 계수는 실험적으로 Ss = 0.21로 확인되었습니다. 구리 리드선의 제벡 계수는 SCu = 0.34–1.15 μV/K³ 범위에 있습니다. 최대 레이저 강도가 50K일 때 레이저 조사 지점의 구리선 온도는 0.06K만큼만 상승할 수 있습니다. 이로 인해 6.9 × 10⁻⁸ V의 열전위가 발생할 수 있는데, 이는 그림 1(a)에서 얻은 Voc보다 세 자릿수나 작습니다. 따라서 열전 효과는 실험 결과를 설명하기에는 너무 작다는 것이 분명합니다. 실제로 레이저 조사로 인한 온도 변화는 1분 이내에 사라지므로 열 효과의 기여는 안전하게 무시할 수 있습니다.
상온에서 YBCO의 이러한 광전 효과는 다른 전하 분리 메커니즘이 관여함을 보여줍니다. 정상 상태의 초전도체 YBCO는 정공을 전하 운반체로 하는 p형 물질인 반면, 금속 Ag 페이스트는 n형 물질의 특성을 나타냅니다. pn 접합과 유사하게, 은 페이스트 내 전자의 확산과 YBCO 세라믹 내 정공의 확산은 계면에서 YBCO 세라믹을 향하는 내부 전기장을 형성합니다(그림 1h). 바로 이 내부 전기장이 분리력을 제공하여 그림 1e에서 볼 수 있듯이 상온에서 YBCO-Ag 페이스트 시스템에 대해 양의 Voc와 음의 Isc를 유발합니다. 또는, Ag-YBCO는 p형 쇼트키 접합을 형성할 수도 있으며, 이 또한 위에서 제시된 모델과 동일한 극성을 가진 계면 전위를 생성합니다.24
YBCO의 초전도 전이 과정 동안 광전 특성의 상세한 진화 과정을 조사하기 위해, 80K에서 시료의 IV 곡선을 음극 전극에 조사되는 레이저 강도를 달리하여 측정하였다(그림 2). 레이저를 조사하지 않았을 때, 전류와 관계없이 시료 양단의 전압은 0으로 유지되는데, 이는 80K에서 시료가 초전도 상태임을 나타낸다(그림 2a). 50K에서 얻은 데이터와 유사하게, I축에 평행한 IV 곡선은 레이저 강도가 증가함에 따라 임계값 Pc에 도달할 때까지 아래쪽으로 이동한다. 이 임계 레이저 강도(Pc) 이상에서는 초전도체가 초전도 상태에서 저항 상태로 전이되며, 초전도체에 저항이 발생함에 따라 전압이 전류에 따라 증가하기 시작한다. 결과적으로 IV 곡선은 I축 및 V축과 교차하기 시작하며, 처음에는 음의 Voc와 양의 Isc를 나타낸다. 이 시점에서 시료는 Voc와 Isc의 극성이 빛의 강도에 매우 민감한 특수한 상태에 있는 것으로 보인다. 광 강도가 아주 조금만 증가해도 Isc는 양수에서 음수로, Voc는 음수에서 양수로 변환되며 원점을 통과합니다(특히 Isc 값과 같은 광전 특성의 광 조사에 대한 높은 민감도는 그림 2b에서 더욱 명확하게 확인할 수 있습니다). 사용 가능한 최대 레이저 강도에서 IV 곡선은 서로 평행을 이루며, 이는 YBCO 시료의 정상 상태를 나타냅니다.
레이저 스팟 중심은 음극 전극 주변에 위치합니다(그림 1i 참조). a, 다양한 레이저 강도로 조사된 YBCO의 IV 곡선. b(상단), 개방 회로 전압 Voc 및 단락 회로 전류 Isc의 레이저 강도 의존성. 시료가 초전도 상태일 때 IV 곡선이 I축에 평행하기 때문에 낮은 광 강도( < 110 mW/cm2)에서는 Isc 값을 얻을 수 없습니다. b(하단), 레이저 강도에 따른 미분 저항.
80K에서 Voc와 Isc의 레이저 강도 의존성은 그림 2b(상단)에 나타나 있다. 광전 특성은 세 가지 광 강도 영역으로 나누어 논의할 수 있다. 첫 번째 영역은 0에서 Pc 사이로, YBCO가 초전도 상태이며 Voc는 음의 값을 갖고 광 강도가 증가함에 따라 감소(절댓값은 증가)하다가 Pc에서 최소값을 갖는다. 두 번째 영역은 Pc에서 또 다른 임계 강도 P0까지로, 광 강도가 증가함에 따라 Voc는 증가하고 Isc는 감소하며 둘 다 P0에서 0이 된다. 세 번째 영역은 P0 이상에서 YBCO의 정상 상태에 도달할 때까지이다. Voc와 Isc는 두 번째 영역과 마찬가지로 광 강도에 따라 변화하지만, 임계 강도 P0 이상에서는 극성이 반대가 된다. P0의 중요성은 이 지점에서 광전 효과가 사라지고 전하 분리 메커니즘이 질적으로 변화한다는 데 있다. 이 광 강도 범위에서 YBCO 시료는 초전도 상태가 아니지만 정상 상태에는 아직 도달하지 않았다.
이 시스템의 광전 특성은 YBCO의 초전도성과 초전도 전이와 밀접한 관련이 있습니다. 그림 2b(하단)는 레이저 강도에 따른 YBCO의 미분 저항(dV/dI)을 보여줍니다. 앞서 언급했듯이, 쿠퍼 쌍 확산으로 인해 초전도체에서 금속으로 계면에 내부 전위가 발생합니다. 50K에서 관찰된 것과 유사하게, 레이저 강도가 0에서 Pc까지 증가함에 따라 광전 효과가 향상됩니다. 레이저 강도가 Pc보다 약간 높은 값에 도달하면 IV 곡선이 기울어지기 시작하고 시료의 저항이 나타나기 시작하지만, 계면 전위의 극성은 아직 변하지 않습니다. 초전도성에 대한 광 여기의 영향은 가시광선 또는 근적외선 영역에서 조사되었습니다. 기본적인 과정은 쿠퍼 쌍을 파괴하여 초전도성을 소멸시키는 것이지만25,26, 어떤 경우에는 초전도 전이가 향상될 수 있고27,28,29, 심지어 새로운 초전도상이 유도될 수도 있습니다30. Pc에서 초전도성이 나타나지 않는 것은 광유도 쿠퍼 쌍 파괴 때문입니다. P0 지점에서 계면을 가로지르는 전위가 0이 되는데, 이는 특정 광 조사 강도에서 계면 양쪽의 전하 밀도가 동일한 수준에 도달함을 나타냅니다. 레이저 강도가 더 증가하면 더 많은 쿠퍼 쌍이 파괴되고 YBCO는 점차 p형 물질로 되돌아갑니다. 전자와 쿠퍼 쌍의 확산 대신, 이제 계면의 특징은 전자와 정공의 확산에 의해 결정되며, 이는 계면에서 전기장의 극성 반전을 초래하고 결과적으로 양의 Voc를 나타냅니다(그림 1d,h 참조). 레이저 강도가 매우 높을 때, YBCO의 미분 저항은 정상 상태에 해당하는 값으로 포화되고, Voc와 Isc 모두 레이저 강도에 따라 선형적으로 변화하는 경향을 보인다(그림 2b). 이러한 관찰 결과는 정상 상태의 YBCO에 레이저를 조사해도 저항률과 초전도체-금속 계면의 특성은 더 이상 변하지 않고 전자-정공 쌍의 농도만 증가한다는 것을 보여준다.
온도 변화가 광전 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 금속-초전도체 시스템의 음극에 502 mW/cm² 강도의 청색 레이저를 조사했습니다. 50K에서 300K 사이의 특정 온도에서 얻은 IV 곡선은 그림 3a에 나타냈습니다. 이 IV 곡선으로부터 개방 회로 전압 Voc, 단락 회로 전류 Isc 및 미분 저항을 구할 수 있으며, 그 결과는 그림 3b에 제시되어 있습니다. 빛을 조사하지 않은 경우, 예상대로 모든 온도에서 측정된 IV 곡선은 원점을 지납니다(그림 3a의 삽입 그림). 비교적 강한 레이저 빔(502 mW/cm²)으로 시스템을 조사하면 IV 특성은 온도가 증가함에 따라 급격하게 변화합니다. 저온에서 IV 곡선은 I축에 평행한 직선이며 Voc 값은 음수입니다. 이 곡선은 온도가 증가함에 따라 위쪽으로 이동하고 임계 온도 Tcp에서 점차 0이 아닌 기울기를 갖는 직선으로 변합니다(그림 3a(상단)). 모든 IV 특성 곡선은 제3사분면의 한 점을 중심으로 회전하는 것으로 보입니다. Voc는 음수에서 양수로 증가하고 Isc는 양수에서 음수로 감소합니다. YBCO의 원래 초전도 전이 온도 Tc 이상에서는 IV 곡선이 온도에 따라 상당히 다르게 변화합니다(그림 3a 하단). 첫째, IV 곡선의 회전 중심이 제1사분면으로 이동합니다. 둘째, Voc는 온도가 증가함에 따라 계속 감소하고 Isc는 증가합니다(그림 3b 상단). 셋째, IV 곡선의 기울기가 온도에 따라 선형적으로 증가하여 YBCO의 저항 온도 계수가 양수가 됩니다(그림 3b 하단).
502 mW/cm2 레이저 조사 조건에서 YBCO-Ag 페이스트 시스템의 광전 특성의 온도 의존성.
레이저 빔 중심은 음극 전극 주변에 위치합니다(그림 1i 참조). a, 50~90K(위) 및 100~300K(아래) 범위에서 각각 5K 및 20K 간격으로 측정한 IV 곡선. 삽입 그림 a는 암전류 상태에서 여러 온도에서의 IV 특성을 보여줍니다. 모든 곡선은 원점을 통과합니다. b, YBCO의 개방 회로 전압 Voc 및 단락 회로 전류 Isc(위)와 미분 저항 dV/dI(아래)를 온도의 함수로 나타낸 그래프. 영저항 초전도 전이 온도 Tcp는 Tc0에 매우 가깝기 때문에 표시하지 않았습니다.
그림 3b에서 세 가지 임계 온도를 확인할 수 있습니다. Tcp는 YBCO가 비초전도 상태가 되는 온도이고, Tc0는 Voc와 Isc가 모두 0이 되는 온도이며, Tc는 레이저 조사 없이 YBCO가 초전도 전이를 시작하는 온도입니다. Tcp ~ 55 K 이하에서 레이저 조사된 YBCO는 비교적 높은 농도의 쿠퍼 쌍을 가진 초전도 상태를 유지합니다. 레이저 조사의 효과는 광전압과 전류를 발생시키는 것 외에도 쿠퍼 쌍 농도를 감소시켜 영저항 초전도 전이 온도를 89 K에서 약 55 K로 낮추는 것입니다(그림 3b 하단). 온도가 상승하면 쿠퍼 쌍이 파괴되어 계면 전위가 낮아집니다. 결과적으로 동일한 레이저 조사 강도를 적용하더라도 Voc의 절댓값은 작아집니다. 계면 전위는 온도가 더 상승함에 따라 점점 작아져 Tc0에서 0이 됩니다. 이 특정한 지점에서는 광유도 전자-정공 쌍을 분리할 내부장이 없기 때문에 광전 효과가 나타나지 않습니다. 임계 온도 이상에서는 Ag 페이스트의 자유 전하 밀도가 YBCO의 자유 전하 밀도보다 크기 때문에 전위의 극성 반전이 발생하며, 이는 YBCO가 점차 p형 물질로 되돌아가기 때문입니다. 여기서 강조하고 싶은 점은 Voc와 Isc의 극성 반전이 초전도 저항이 0이 된 직후, 즉 초전도의 원인과 관계없이 즉시 발생한다는 것입니다. 이 관찰은 초전도 현상과 금속-초전도체 계면 전위와 관련된 광전 효과 사이의 상관관계를 처음으로 명확하게 보여줍니다. 초전도체-정상 금속 계면을 가로지르는 이 전위의 특성은 지난 수십 년 동안 연구의 초점이었지만, 여전히 많은 의문점이 남아 있습니다. 광전 효과 측정은 이 중요한 전위의 세부 사항(예: 세기 및 극성 등)을 규명하고 고온 초전도 근접 효과를 밝히는 데 효과적인 방법이 될 수 있습니다.
온도가 Tc0에서 Tc로 더 증가하면 쿠퍼 쌍의 농도가 감소하고 계면 전위가 증가하여 결과적으로 Voc가 커집니다. Tc에서 쿠퍼 쌍 농도는 0이 되고 계면의 내부 전위는 최대가 되어 Voc는 최대가 되고 Isc는 최소가 됩니다. 이 온도 범위에서 Voc와 Isc(절댓값)의 급격한 증가는 초전도 전이에 해당하며, 502 mW/cm2 강도의 레이저 조사에 의해 ΔT ~ 3 K에서 ~ 34 K로 넓어집니다(그림 3b). Tc 이상의 정상 상태에서는 개방 회로 전압 Voc가 온도에 따라 감소하는데(그림 3b 상단), 이는 pn 접합 기반의 일반 태양 전지에서 Voc가 보이는 선형적인 거동과 유사합니다.31,32,33 레이저 강도에 크게 의존하는 개방회로 전압(Voc)의 온도 변화율(−dVoc/dT)은 일반 태양전지에 비해 훨씬 작지만, YBCO-Ag 접합의 Voc 온도 계수는 태양전지와 비슷한 크기를 갖습니다. 일반 태양전지 소자의 pn 접합 누설 전류는 온도가 증가함에 따라 증가하므로, 온도가 증가함에 따라 Voc는 감소합니다. 이 Ag-초전도체 시스템에서 관찰되는 선형 IV 곡선은 첫째로 매우 작은 계면 전위와 둘째로 두 이종 접합의 역방향 연결로 인해 누설 전류를 정확하게 측정하기 어렵게 만듭니다. 그럼에도 불구하고, 누설 전류의 온도 의존성이 본 실험에서 관찰된 Voc 거동의 원인일 가능성이 매우 높습니다. 정의에 따르면, Isc는 전체 전압이 0이 되도록 Voc를 보상하는 음의 전압을 생성하는 데 필요한 전류입니다. 온도가 증가함에 따라 Voc가 작아지므로 음의 전압을 생성하는 데 필요한 전류가 줄어듭니다. 또한 YBCO의 저항은 Tc 이상에서 온도에 따라 선형적으로 증가하며(그림 3b 하단), 이는 고온에서 Isc의 절대값이 더 작아지는 데에도 기여합니다.
그림 2와 3에 나타난 결과는 음극 전극 주변 영역에 레이저를 조사하여 얻은 것임을 유의하십시오. 레이저 빔을 양극에 위치시켜 동일한 측정을 반복한 결과, Voc와 Isc의 극성이 반전된 것을 제외하고는 유사한 IV 특성과 광전 효과가 관찰되었습니다. 이러한 모든 데이터는 초전도체-금속 계면과 밀접하게 관련된 광전 효과 메커니즘을 뒷받침합니다.
요약하자면, 레이저 조사된 초전도 YBCO-Ag 페이스트 시스템의 IV 특성을 온도 및 레이저 강도의 함수로 측정하였다. 50~300 K 온도 범위에서 현저한 광전 효과가 관찰되었다. 광전 특성은 YBCO 세라믹의 초전도성과 강한 상관관계를 보이는 것으로 나타났다. 광유도 초전도에서 비초전도로의 전이 직후 Voc와 Isc의 극성이 반전되었다. 고정된 레이저 강도에서 측정된 Voc와 Isc의 온도 의존성은 시료가 저항성을 띠게 되는 임계 온도에서 뚜렷한 극성 반전을 나타냈다. 레이저 스팟을 시료의 다른 위치에 조사함으로써, 계면을 가로지르는 전기적 전위가 존재하며, 이 전위가 광유도 전자-정공 쌍의 분리력을 제공한다는 것을 보여주었다. 이 계면 전위는 YBCO가 초전도 상태일 때는 YBCO에서 금속 전극 방향으로 향하고, 시료가 비초전도 상태가 되면 반대 방향으로 전환된다. 이러한 전위차의 원인은 YBCO가 초전도 상태일 때 금속-초전도체 계면에서의 근접 효과와 자연스럽게 연관될 수 있으며, 50K에서 502mW/cm2의 레이저 강도에서 약 10⁻⁸mV로 추정됩니다. 정상 상태의 p형 물질인 YBCO와 n형 물질인 은 페이스트가 접촉하면 준 pn 접합이 형성되며, 이는 고온에서 YBCO 세라믹의 광전 효과를 유발하는 원인입니다. 위의 관찰 결과는 고온 초전도 YBCO 세라믹의 광전 효과에 대한 이해를 높이고 고속 수동 광 검출기 및 단일 광자 검출기와 같은 광전자 장치 분야에서 새로운 응용 가능성을 제시합니다.
두께 0.52 mm, 크기 8.64 × 2.26 mm²의 직사각형 YBCO 세라믹 시료에 대해 광전 효과 실험을 수행했으며, 레이저 빔 반경 1.25 mm의 연속파 청색 레이저(λ = 450 nm)를 조사했습니다. 박막 시료가 아닌 벌크 시료를 사용함으로써 기판의 복잡한 영향을 고려하지 않고 초전도체의 광전 특성을 연구할 수 있었습니다.6,7 또한, 벌크 재료는 간단한 제조 공정과 비교적 저렴한 비용으로 실험에 활용할 수 있습니다. 구리 리드선은 은 페이스트를 사용하여 YBCO 시료에 접착시켜 직경 약 1 mm의 원형 전극 4개를 형성했습니다. 두 전압 전극 사이의 거리는 약 5 mm입니다. 시료의 IV 특성은 석영 결정 창이 있는 진동 시료 자력계(VersaLab, Quantum Design)를 사용하여 측정했습니다. IV 곡선은 표준 4선식 측정법을 이용하여 얻었습니다. 전극과 레이저 빔의 상대적 위치는 그림 1i에 나타냈습니다.
이 논문을 인용하는 방법: Yang, F. et al. 초전도 YBa2Cu3O6.96 세라믹의 광전 효과의 기원. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
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본 연구는 중국 국가자연과학기금(과제번호 60571063)과 중국 허난성 기초연구사업(과제번호 122300410231)의 지원을 받아 수행되었습니다.
FY는 논문의 본문을 작성했고, MYH는 YBCO 세라믹 시료를 준비했습니다. FY와 MYH는 실험을 수행하고 결과를 분석했습니다. FGC는 프로젝트를 주도하고 데이터에 대한 과학적 해석을 담당했습니다. 모든 저자는 원고를 검토했습니다.
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Yang, F., Han, M. & Chang, F. 초전도 YBa2Cu3O6.96 세라믹에서 광전 효과의 기원. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
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게시 시간: 2020년 4월 22일