Өтө өткөргүч YBa2Cu3O6.96 керамикасындагы фотоэлектрдик эффекттин келип чыгышы

nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз CSSти колдоосу чектелүү болгон браузердин версиясын колдонуп жатасыз. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, сизге жаңыраак браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүү). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтүп жатабыз.

Биз YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикасында 50 жана 300 К ортосундагы көк лазердик жарыктандыруу менен индукцияланган укмуштуудай фотоэлектрдик эффект жөнүндө кабарлайбыз, бул YBCOнун жана YBCO-металлдык электрод интерфейсинин өтө өткөргүчтүгү менен түздөн-түз байланыштуу. YBCO өтө өткөргүч абалдан каршылык көрсөтүү абалына өткөндө, ачык чынжыр чыңалуусунун Voc жана кыска туташуу тогу Isc үчүн полярдуулуктун өзгөрүшү болот. Биз өтө өткөргүч-нормалдуу металл интерфейсинде электрдик потенциал бар экенин көрсөтөбүз, ал фотоиндукцияланган электрондук-тешиги жуптары үчүн бөлүү күчүн камсыз кылат. Бул интерфейс потенциалы YBCO өтө өткөргүч болгондо YBCOдон металл электродго багытталат жана YBCO өтө өткөргүч эмес болгондо тескери багытка өтөт. Потенциалдын келип чыгышы YBCO өтө өткөргүч болгондо металл-өтө өткөргүч интерфейсиндеги жакындык эффектиси менен оңой байланыштырылышы мүмкүн жана анын мааниси 502 мВт/см2 лазердик интенсивдүүлүк менен 50 К температурада ~10–8 мВ деп бааланат. Кадимки абалдагы p-типтеги YBCO материалынын n-типтеги Ag-паста материалы менен айкалышы квази-pn өткөөлүн түзөт, ал YBCO керамикасынын жогорку температурадагы фотоэлектрдик жүрүм-турумуна жооптуу. Биздин ачылыштар фотон-электрондук түзүлүштөрдүн жаңы колдонмолоруна жол ачып, өтө өткөргүч-металл интерфейсиндеги жакындык эффектине дагы көбүрөөк жарык чачышы мүмкүн.

Жогорку температурадагы өткөргүчтөрдөгү фотоиндукцияланган чыңалуу 1990-жылдардын башында кабарланган жана ошондон бери кеңири изилденип келет, бирок анын мүнөзү жана механизми чечилбеген бойдон калууда1,2,3,4,5. Айрыкча YBa2Cu3O7-δ (YBCO) жука пленкалары6,7,8, жөнгө салынуучу энергия ажырымынан улам фотоэлектрдик (PV) элемент түрүндө интенсивдүү изилденет9,10,11,12,13. Бирок, субстраттын жогорку каршылыгы ар дайым түзмөктүн конверсия эффективдүүлүгүнүн төмөндүгүнө алып келет жана YBCO8дин баштапкы PV касиеттерин жашырат. Бул жерде биз 50 жана 300 К (Tc ~ 90 К) ортосундагы YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикасында көк лазердик (λ = 450 нм) жарыктандыруудан пайда болгон укмуштуудай фотоэлектрдик эффект жөнүндө айтып беребиз. Биз PV эффектиси YBCOнун өтө өткөргүчтүгү жана YBCO-металлдык электрод интерфейсинин мүнөзү менен түздөн-түз байланыштуу экенин көрсөтөбүз. YBCO өтө өткөргүч фазадан каршылык көрсөтүүчү абалга өткөндө, ачык чынжыр чыңалуусунун Voc жана кыска туташуу тогунун Isc үчүн полярдуулуктун өзгөрүшү болот. Өтө өткөргүч-нормалдуу металл интерфейсинде электрдик потенциал бар деп болжолдонууда, ал фотоиндукцияланган электрондук-тешиги жуптары үчүн бөлүү күчүн камсыз кылат. Бул интерфейс потенциалы YBCO өтө өткөргүч болгондо YBCOдон металл электродуна багытталат жана үлгү өтө өткөргүч болбой калганда тескери багытка өтөт. Потенциалдын келип чыгышы YBCO өтө өткөргүч болгондо металл-өтө өткөргүч интерфейсиндеги жакындык эффектиси менен табигый түрдө байланыштырылышы мүмкүн14,15,16,17 жана анын мааниси 502 мВт/см2 лазердик интенсивдүүлүк менен 50 К температурада ~10−8 мВ деп бааланат. Кадимки абалдагы p-типтеги YBCO материалынын n-типтеги Ag-паста материалы менен айкалышы, кыязы, жогорку температурада YBCO керамикасынын PV жүрүм-турумуна жооптуу болгон квази-pn өткөөлүн түзөт. Биздин байкоолорубуз жогорку температурадагы өтө өткөргүч YBCO керамикасындагы фотоэлектрондук эффекттин келип чыгышын дагы бир жолу ачып, аны тез пассивдүү жарык детектору сыяктуу оптоэлектрондук түзүлүштөрдө колдонууга жол ачат.

1a–c сүрөттөрүндө YBCO керамикалык үлгүсүнүн 50 К температурадагы IV мүнөздөмөлөрү көрсөтүлгөн. Жарыксыз, өтө өткөргүч материалдан күтүлгөндөй, үлгүдөгү чыңалуу өзгөрүп турган ток менен нөлдө калат. Лазер нуру катодго багытталганда ачык фотоэлектрдик эффект пайда болот (1a-сүрөт): I огуна параллель IV ийри сызыктары лазердин интенсивдүүлүгүнүн жогорулашы менен ылдый карай жылат. Эч кандай токсуз да терс фотоиндукцияланган чыңалуу бар экени айдан ачык (көбүнчө ачык чынжыр чыңалуу Voc деп аталат). IV ийри сызыгынын нөлдүк жантайыңкылыгы лазердик жарыктандыруу астында үлгүнүн дагы эле өтө өткөргүч экенин көрсөтүп турат.

(a–c) жана 300 K (e–g). V(I) маанилери вакуумда −10 мАдан +10 мАга чейинки токту сүрүп чыгаруу менен алынган. Түшүнүктүүлүк үчүн эксперименталдык маалыматтардын бир бөлүгү гана берилген. a, Катоддо (i) жайгашкан лазердик так менен өлчөнгөн YBCO токтун чыңалуу мүнөздөмөлөрү. Бардык IV ийри сызыктары лазердик нурлануу менен үлгү дагы эле өтө өткөргүч экенин көрсөткөн горизонталдуу түз сызыктар. Ийри сызык лазердин интенсивдүүлүгүнүн жогорулашы менен ылдый жылат, бул нөлдүк ток менен да эки чыңалуу зымынын ортосунда терс потенциал (Voc) бар экенин көрсөтөт. Лазер үлгүнүн борборуна 50 K (b) же 300 K (f) эфиринде багытталганда IV ийри сызыктары өзгөрүүсүз калат. Анод жарыктандырылганда горизонталдуу сызык өйдө жылат (c). 50 K температурадагы металл-өтө өткөргүч түйүнүнүн схемалык модели d сүрөтүндө көрсөтүлгөн. Катодго жана анодго багытталган лазер нуру менен өлчөнгөн 300 K температурадагы YBCO нормалдуу абалдагы токтун чыңалуу мүнөздөмөлөрү тиешелүү түрдө e жана g сүрөтүндө берилген. 50 К температурадагы жыйынтыктардан айырмаланып, түз сызыктардын нөлдөн айырмаланган эңкейиши YBCO нормалдуу абалда экенин көрсөтүп турат; Voc маанилери жарыктын интенсивдүүлүгүнө жараша карама-каршы багытта өзгөрүп турат, бул зарядды бөлүү механизминин башкача экенин көрсөтөт. 300 К температурадагы мүмкүн болгон интерфейс түзүлүшү hj форматында көрсөтүлгөн. Зымдары бар үлгүнүн чыныгы сүрөтү.

Кычкылтек менен бай YBCO өтө кичинекей энергия ажырымынан (Eg)9,10 улам күн нурунун дээрлик бардык спектрин сиңире алат, ошону менен электрондук-тешиги жуптарын (e–h) түзөт. Фотондорду сиңирүү аркылуу ачык чынжыр чыңалуусун (Voc) алуу үчүн, рекомбинация жүрө электе фотогенерацияланган eh жуптарын мейкиндикте бөлүү керек18. 1i-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, катодго жана анодго салыштырмалуу терс Voc металл-өткөргүч интерфейсинде электрдик потенциал бар экенин көрсөтүп турат, ал электрондорду анодго, ал эми тешиктерди катодго жылдырат. Эгер ушундай болсо, аноддогу өтө өткөргүчтөн металл электродго багытталган потенциал да болушу керек. Демек, аноддун жанындагы үлгү аймагы жарыктандырылса, оң Voc алынат. Андан тышкары, лазердик так электроддордон алыс жерлерге багытталганда фотоиндукцияланган чыңалуулар болбошу керек. 1b,c-сүрөттөрдөн көрүнүп тургандай, бул, албетте, ошондой.

Жарык тактары катод электродунан үлгүнүн борборуна жылганда (интерфейстерден болжол менен 1,25 мм аралыкта), лазердин интенсивдүүлүгүн максималдуу мааниге чейин жогорулатуу менен IV ийри сызыктарынын жана Voc эч кандай өзгөрүүсүн байкабайт (1b-сүрөт). Албетте, бул натыйжаны фотоиндукцияланган алып жүрүүчүлөрдүн чектелген иштөө мөөнөтү жана үлгүдө бөлүү күчүнүн жоктугу менен байланыштырууга болот. Үлгү жарыктандырылган сайын электрондук-тешиги жуптарын түзүүгө болот, бирок лазердик так электроддордун кайсынысынан болбосун алыс жайгашкан жерлерге түшсө, e-h жуптарынын көпчүлүгү жок кылынат жана фотоэлектрдик эффект байкалбайт. Лазердик такты аноддук электроддорго жылдырганда, I огуна параллель IV ийри сызыктары лазердин интенсивдүүлүгүнүн жогорулашы менен өйдө карай жылат (1c-сүрөт). Аноддогу металл-өтө өткөргүч түйүнүндө ушул сыяктуу орнотулган электр талаасы бар. Бирок, бул жолу металл электрод сыноо системасынын оң өткөргүчүнө туташат. Лазер тарабынан пайда болгон тешиктер аноддук өткөргүчкө түртүлөт жана ошентип оң Voc байкалат. Бул жерде келтирилген жыйынтыктар өтө өткөргүчтөн металл электродуна багытталган интерфейс потенциалы бар экендигинин күчтүү далилин берет.

YBa2Cu3O6.96 керамикасындагы 300 К температурадагы фотоэлектрдик эффект 1e–g сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. Жарык нурлануусу жок болсо, үлгүнүн IV ийри сызыгы баштапкы чекиттен өткөн түз сызык болуп саналат. Бул түз сызык катод өткөргүчтөрүндө нурлануунун лазердик интенсивдүүлүгүнүн жогорулашы менен баштапкыга параллель өйдө карай жылат (1e сүрөт). Фотоэлектрдик түзүлүш үчүн кызыктуу эки чектөөчү учур бар. Кыска туташуу шарты V = 0 болгондо пайда болот. Бул учурда ток күчү кыска туташуу тогу (Isc) деп аталат. Экинчи чектөөчү учур - бул R→∞ же ток күчү нөлгө барабар болгондо пайда болгон ачык туташуу шарты (Voc). 1e сүрөтүндө Voc оң экени жана 50 К температурада алынган натыйжадан айырмаланып, жарыктын интенсивдүүлүгүнүн жогорулашы менен көбөйөрү ачык көрсөтүлгөн; ал эми терс Isc жарыктын нурланышы менен чоңдугунун жогорулашы байкалат, бул кадимки күн батареяларынын типтүү жүрүм-туруму.

Ошо сыяктуу эле, лазер нуру электроддордон алыс жайгашкан жерлерге багытталганда, V(I) ийри сызыгы лазердин интенсивдүүлүгүнө көз карандысыз болот жана фотоэлектрдик эффект пайда болбойт (1f-сүрөт). 50 К температурадагы өлчөө сыяктуу эле, аноддук электрод нурландырылганда IV ийри сызыктары карама-каршы багытка жылышат (1g-сүрөт). Үлгүнүн ар кандай позицияларында лазер нурландырылган 300 К температурадагы бул YBCO-Ag паста системасы үчүн алынган бул жыйынтыктардын баары 50 К температурада байкалганга карама-каршы интерфейс потенциалына дал келет.

Көпчүлүк электрондор өтө өткөргүч YBCOдо анын өтүү температурасы Tc төмөн болгон Купер жуптарында конденсацияланат. Металл электроддо турганда, бардык электрондор сингулярдуу түрдө калат. Металл-өтө өткөргүч интерфейсинин жанында сингулярдуу электрондор жана Купер жуптары үчүн чоң тыгыздык градиенти бар. Металл материалындагы көпчүлүк алып жүрүүчү сингулярдуу электрондор өтө өткөргүч аймагына диффузияланат, ал эми YBCO аймагындагы көпчүлүк алып жүрүүчү Купер жуптары металл аймагына диффузияланат. Купер жуптары YBCOдон металл аймагына сингулярдуу электрондорго караганда көбүрөөк заряддарды көтөрүп жана чоңураак мобилдүүлүккө ээ болгондуктан, оң заряддуу атомдор калат, натыйжада мейкиндик заряд аймагында электр талаасы пайда болот. Бул электр талаасынын багыты схемалык диаграммада көрсөтүлгөн (1d-сүрөт). Мейкиндик заряд аймагына жакын жердеги фотон жарыгы бөлүнүп, сыртка чыгарыла турган eh жуптарын түзүп, тескери багыттагы фототокту пайда кылышы мүмкүн. Электрондор курулган электр талаасынан чыккандан кийин, алар жуптарга конденсацияланып, каршылыксыз башка электродго агып өтөт. Бул учурда, Voc алдын ала коюлган полярдуулукка карама-каршы келет жана лазер нуру терс электроддун айланасындагы аймакка багытталганда терс маанини көрсөтөт. Voc маанисинен интерфейстеги потенциалды болжолдоого болот: эки чыңалуу зымынын ортосундагы аралык d ~5 × 10−3 м, металл-өткөргүч интерфейсинин калыңдыгы, di, YBCO өтө өткөргүчүнүн когеренттүүлүк узундугуна (~1 нм)19,20 барабар болушу керек, Voc маанисин = 0,03 мВ деп кабыл алабыз, металл-өткөргүч интерфейсиндеги потенциал Vms 50 К температурада 502 мВт/см2 лазердик интенсивдүүлүктө ~10−11 В деп бааланат, төмөнкү теңдемени колдонуу менен:

Бул жерде фотоиндукцияланган чыңалууну фототермикалык эффект менен түшүндүрүүгө болбой турганын баса белгилегибиз келет. Өтө өткөргүч YBCOнун Зеебек коэффициенти Ss = 021 экени эксперименталдык түрдө аныкталган. Жез коргошун зымдары үчүн Зеебек коэффициенти SCu = 0,34–1,15 мкВ/К3 диапазонунда. Лазердик тактагы жез зымдын температурасын 50 К температурада максималдуу лазердик интенсивдүүлүк менен 0,06 Кге чейин көтөрүүгө болот. Бул 1-сүрөттө (а) алынган Vocдон үч даражага кичине болгон 6,9 × 10−8 В термоэлектрдик потенциалды пайда кылышы мүмкүн. Термоэлектрдик эффект эксперименталдык жыйынтыктарды түшүндүрүү үчүн өтө кичинекей экени айдан ачык. Чындыгында, лазердик нурлануунун натыйжасында температуранын өзгөрүшү бир мүнөттөн аз убакыттын ичинде жок болуп кетет, ошондуктан жылуулук эффектинин салымын коопсуз түрдө этибарга албай коюуга болот.

YBCOнун бөлмө температурасындагы бул фотоэлектрдик эффектиси бул жерде башка зарядды бөлүү механизми катышаарын көрсөтүп турат. Кадимки абалдагы өтө өткөргүч YBCO заряд алып жүрүүчү катары тешиктери бар p-типтеги материал22,23, ал эми металл Ag-пастасы n-типтеги материалдын мүнөздөмөлөрүнө ээ. pn өткөөлдөрүнө окшош, YBCO керамикасындагы күмүш пастасындагы электрондордун жана тешиктердин диффузиясы интерфейстеги YBCO керамикасына багытталган ички электр талаасын түзөт (1h-сүрөт). Дал ушул ички талаа бөлүү күчүн камсыз кылат жана 1e-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, бөлмө температурасында YBCO-Ag паста системасы үчүн оң Voc жана терс Iscге алып келет. Же болбосо, Ag-YBCO жогоруда көрсөтүлгөн моделдегидей эле полярдуулуктагы интерфейс потенциалына алып келүүчү p-типтеги Шоттки өткөөлүн түзө алат24.

YBCOнун өтө өткөргүч өтүүсүндөгү фотоэлектрдик касиеттердин деталдуу эволюция процессин изилдөө үчүн, 80 К температурадагы үлгүнүн IV ийри сызыктары катод электродунда жарыктандырылган тандалган лазердик интенсивдүүлүк менен өлчөнгөн (2-сүрөт). Лазердик нурлантуусуз, үлгүдөгү чыңалуу токко карабастан нөлдө турат, бул 80 К температурадагы үлгүнүн өтө өткөргүч абалын көрсөтөт (2а-сүрөт). 50 К температурада алынган маалыматтарга окшош, I огуна параллель IV ийри сызыктары лазердик интенсивдүүлүктүн жогорулашы менен ылдый карай жылып, критикалык мааниге Pc жеткенге чейин. Бул критикалык лазердик интенсивдүүлүктөн (Pc) жогору, өтө өткөргүч өтө өткөргүч фазадан каршылык фазасына өтүүнү башынан өткөрөт; өтө өткөргүчтө каршылыктын пайда болушунан улам чыңалуу ток менен жогорулай баштайт. Натыйжада, IV ийри сызыгы I огу жана V огу менен кесилише баштайт, бул башында терс Voc жана оң Isc пайда кылат. Эми үлгү Voc жана Isc полярдуулугу жарыктын интенсивдүүлүгүнө өтө сезгич болгон өзгөчө абалда окшойт; Жарыктын интенсивдүүлүгүнүн өтө аз өсүшү менен Isc оң мааниден терс мааниге, ал эми Voc терс мааниден оң мааниге айланып, баштапкы чекиттен өтөт (фотоэлектрдик касиеттердин, айрыкча Isc маанисинин жарыктын жарыгына жогорку сезгичтигин 2b-сүрөттөн даана көрүүгө болот). Лазердин эң жогорку интенсивдүүлүгүндө IV ийри сызыктары бири-бирине параллель болууга багытталган, бул YBCO үлгүсүнүн нормалдуу абалын билдирет.

Лазердик тактын борбору катоддук электроддордун айланасында жайгашкан (1i-сүрөттү караңыз). а, ар кандай лазердик интенсивдүүлүк менен нурландырылган YBCOнун IV ийри сызыктары. b (үстүнкү), Лазердик интенсивдүүлүктүн ачык чынжыр чыңалуусунун Voc жана кыска туташуу тогунун көз карандылыгы Isc. Isc маанилерин жарыктын төмөн интенсивдүүлүгүндө (< 110 мВт/см2) алууга болбойт, анткени үлгү өтө өткөргүч абалда болгондо IV ийри сызыктары I огуна параллель болот. b (түбүндө), лазердик интенсивдүүлүктүн функциясы катары дифференциалдык каршылык.

80 К температурадагы Voc жана Iscтин лазердик интенсивдүүлүгүнө көз карандылыгы 2b-сүрөттө (жогорку) көрсөтүлгөн. Фотоэлектрдик касиеттерди жарык интенсивдүүлүгүнүн үч аймагында талкуулоого болот. Биринчи аймак 0 жана Pc ортосунда, мында YBCO өтө өткөргүч, Voc терс мааниге ээ жана жарык интенсивдүүлүгү менен азаят (абсолюттук маани жогорулайт) жана Pcде минималдуу мааниге жетет. Экинчи аймак Pcден башка критикалык интенсивдүүлүк P0го чейин, мында Voc жогорулайт, ал эми Isc жарык интенсивдүүлүгүнүн жогорулашы менен азаят жана экөө тең P0до нөлгө жетет. Үчүнчү аймак YBCOнун кадимки абалына жеткенге чейин P0дон жогору болот. Voc да, Isc да 2-аймактагыдай эле жарык интенсивдүүлүгү менен өзгөрсө да, алардын критикалык интенсивдүүлүгү P0дон жогору карама-каршы полярдуулукка ээ. P0нун мааниси фотоэлектрдик эффект жок экендигинде жана зарядды бөлүү механизми ушул учурда сапаттык жактан өзгөрөт. YBCO үлгүсү жарык интенсивдүүлүгүнүн бул диапазонунда өтө өткөргүч эмес болуп калат, бирок али нормалдуу абалга жете элек.

Албетте, системанын фотоэлектрдик мүнөздөмөлөрү YBCOнун өтө өткөргүчтүгү жана анын өтө өткөргүчтүк өтүшү менен тыгыз байланышта. YBCOнун дифференциалдык каршылыгы, dV/dI, 2b-сүрөттө (төмөндө) лазердин интенсивдүүлүгүнүн функциясы катары көрсөтүлгөн. Жогоруда айтылгандай, өткөргүчтөн металлга чейинки Купер жубунун диффузиялык чекиттеринен улам интерфейстеги электрдик потенциалдын түзүлүшү. 50 К температурада байкалганга окшош, фотоэлектрдик эффект лазердин интенсивдүүлүгүн 0дөн Pcге чейин жогорулатуу менен күчөйт. Лазердин интенсивдүүлүгү Pcден бир аз жогору мааниге жеткенде, IV ийри сызыгы кыйшайып, үлгүнүн каршылыгы пайда боло баштайт, бирок интерфейс потенциалынын полярдуулугу азырынча өзгөргөн жок. Оптикалык козгоонун өтө өткөргүчтүккө тийгизген таасири көрүнгөн же жакын ИК аймагында изилденген. Негизги процесс Купер жуптарын бөлүп, өтө өткөргүчтүктү жок кылуу болсо25,26, кээ бир учурларда өтө өткөргүчтүк өтүүсүн күчөтүүгө27,28,29, өтө өткөргүчтүктүн жаңы фазаларын да индукциялоого болот30. Pcде өтө өткөргүчтүктүн жоктугун фотоиндукцияланган жуптун үзүлүшү менен байланыштырса болот. P0 чекитинде интерфейстеги потенциал нөлгө барабар болот, бул интерфейстин эки тарабындагы заряд тыгыздыгы жарыктын ушул өзгөчө интенсивдүүлүгү астында бирдей деңгээлге жеткенин көрсөтөт. Лазер интенсивдүүлүгүнүн андан ары жогорулашы көбүрөөк Купер жуптарынын жок болушуна алып келет жана YBCO акырындык менен p-типтеги материалга кайра айланат. Электрон жана Купер жуптарынын диффузиясынын ордуна, интерфейстин өзгөчөлүгү эми электрондук жана тешик диффузиясы менен аныкталат, бул интерфейстеги электр талаасынын полярдуулуктун өзгөрүшүнө жана натыйжада оң Vocке алып келет (1d, h-сүрөттөрдү салыштырыңыз). Лазердин өтө жогорку интенсивдүүлүгүндө YBCOнун дифференциалдык каршылыгы нормалдуу абалга туура келген мааниге чейин каныккан жана Voc жана Isc экөө тең лазердин интенсивдүүлүгүнө жараша сызыктуу өзгөрөт (2b-сүрөт). Бул байкоо кадимки абалдагы YBCOго лазердик нурлануу анын каршылыгын жана өтө өткөргүч-металл интерфейсинин өзгөчөлүгүн өзгөртпөйт, тескерисинче, электрондук-тешик жуптарынын концентрациясын гана жогорулатат.

Фотоэлектрдик касиеттерге температуранын таасирин изилдөө үчүн металл-өткөргүч системасы катоддо 502 мВт/см2 интенсивдүүлүктөгү көк лазер менен нурландырылган. 50 жана 300 К ортосундагы тандалган температураларда алынган IV ийри сызыктары 3a-сүрөттө келтирилген. Андан кийин ачык чынжыр чыңалуусун Voc, кыска туташуу тогун Isc жана дифференциалдык каршылыкты ушул IV ийри сызыктарынан алууга болот жана алар 3b-сүрөттө көрсөтүлгөн. Жарык нуру жок болсо, ар кандай температурада өлчөнгөн бардык IV ийри сызыктары күтүлгөндөй башталыш чекитинен өтөт (3a-сүрөттүн кошумча бөлүгү). Система салыштырмалуу күчтүү лазер нуру (502 мВт/см2) менен жарыктандырылганда, IV мүнөздөмөлөрү температуранын жогорулашы менен кескин өзгөрөт. Төмөнкү температураларда IV ийри сызыктары Voc терс маанилери бар I огуна параллель түз сызыктар болуп саналат. Бул ийри сызык температуранын жогорулашы менен өйдө карай жылат жана акырындык менен критикалык температура Tcpде нөлдөн айырмаланган эңкейиштүү сызыкка айланат (3a-сүрөт (жогорку бөлүгү)). Бардык IV мүнөздөмөлүү ийри сызыктары үчүнчү квадранттагы чекиттин айланасында айланат окшойт. Voc терс мааниден оң мааниге чейин жогорулайт, ал эми Isc оң мааниден терс мааниге чейин төмөндөйт. YBCOнун баштапкы өтө өткөргүч өткөөл температурасы Tc жогору болгондо, IV ийри сызыгы температура менен бир аз башкача өзгөрөт (3a-сүрөттүн түбү). Биринчиден, IV ийри сызыктарынын айлануу борбору биринчи квадрантка жылат. Экинчиден, Voc температуранын жогорулашы менен азайып, Isc жогорулай берет (3b-сүрөттүн түбү). Үчүнчүдөн, IV ийри сызыктарынын жантайыңкылыгы температура менен сызыктуу жогорулайт, бул YBCO үчүн каршылыктын оң температуралык коэффициентин пайда кылат (3b-сүрөттүн түбү).

502 мВт/см2 лазердик жарыктандыруу астында YBCO-Ag паста системасы үчүн фотоэлектрдик мүнөздөмөлөрдүн температурага көз карандылыгы.

Лазердик тактын борбору катоддук электроддордун айланасында жайгашкан (1i-сүрөттү караңыз). а, 50дөн 90 Кге чейин (үстүнкү) жана 100дөн 300 Кге чейин (түбүндө) алынган IV ийри сызыктары тиешелүүлүгүнө жараша 5 К жана 20 К температуранын өсүшү менен. а кошумчасында караңгыда бир нече температурада IV мүнөздөмөлөрү көрсөтүлгөн. Бардык ийри сызыктар баштапкы чекитти кесип өтөт. b, ачык чынжыр чыңалуу Voc жана кыска туташуу тогу Isc (үстүнкү) жана YBCOнун дифференциалдык каршылыгы, dV/dI, температуранын функциясы катары (түбүндө). Нөлдүк каршылыктын өтө өткөргүч өткөөл температурасы Tcp берилген эмес, анткени ал Tc0го өтө жакын.

3b-сүрөттөн үч критикалык температураны таанууга болот: Tcp, андан жогору YBCO өтө өткөргүч эмес болуп калат; Tc0, анда Voc жана Isc экөө тең нөлгө айланат жана Tc, лазердик нурлантуусуз YBCOнун баштапкы өтө өткөргүч өткөөл температурасы. Tcp ~ 55 K төмөн болгондо, лазер менен нурландырылган YBCO өтө өткөргүч абалда болот жана Купер жуптарынын салыштырмалуу жогорку концентрациясы бар. Лазердик нурлануунун таасири фотоэлектрдик чыңалууну жана токту өндүрүү менен бирге Купер жубунун концентрациясын азайтуу аркылуу нөлдүк каршылыктагы өтө өткөргүч өткөөл температурасын 89 Kден ~55 Kге чейин (3b-сүрөттүн төмөнкү бөлүгү) төмөндөтөт. Температуранын жогорулашы Купер жуптарын да бузат, бул интерфейстеги потенциалдын төмөндөшүнө алып келет. Натыйжада, Voc абсолюттук мааниси кичирейет, бирок лазердик жарыктандыруунун ошол эле интенсивдүүлүгү колдонулат. Interface потенциалы температуранын андан ары жогорулашы менен кичирейип, Tc0до нөлгө жетет. Бул өзгөчө чекитте фотоэлектрдик эффект жок, анткени фотоиндукцияланган электрондук тешик жуптарын бөлүүчү ички талаа жок. Бул критикалык температуранын жогору жагында потенциалдын полярдуулугу өзгөрүшү байкалат, анткени Ag пастасындагы эркин заряддын тыгыздыгы YBCOдогуга караганда жогору, ал акырындык менен p-типтеги материалга кайра өткөрүлөт. Бул жерде биз Voc жана Isc полярдуулугунун өзгөрүшү өтүүнүн себебине карабастан, нөлдүк каршылыктуу өтө өткөргүч өтүүдөн кийин дароо пайда болорун баса белгилегибиз келет. Бул байкоо металл-өтө өткөргүч интерфейсинин потенциалы менен байланышкан өтө өткөргүчтүк менен фотоэлектрдик эффекттердин ортосундагы корреляцияны биринчи жолу ачык көрсөтүп турат. Өтө өткөргүч-нормалдуу металл интерфейсиндеги бул потенциалдын мүнөзү акыркы бир нече ондогон жылдар бою изилдөөнүн чордонунда болуп келген, бирок дагы эле жооп күтүлүп жаткан көптөгөн суроолор бар. Фотоэлектрдик эффектти өлчөө бул маанилүү потенциалдын чоо-жайын (мисалы, анын күчү жана полярдуулугу ж.б.) изилдөөнүн натыйжалуу ыкмасы болуп чыгышы мүмкүн жана ошентип, жогорку температурадагы өтө өткөргүчтүк жакындык эффектине жарык чачат.

Температуранын Tc0дон Tcга чейин андан ары жогорулашы Купер жуптарынын концентрациясынын азайышына жана интерфейс потенциалынын жогорулашына, демек, Voc чоңоюшуна алып келет. Tcда Купер жуптарынын концентрациясы нөлгө барабар болот жана интерфейстеги курулма потенциал максимумга жетет, натыйжада максималдуу Voc жана минималдуу Isc пайда болот. Бул температура диапазонунда Voc жана Iscтин тез жогорулашы (абсолюттук маани) 502 мВт/см2 интенсивдүүлүктөгү лазердик нурлануу менен ΔT ~ 3 Kден ~34 Kге чейин кеңейген өтө өткөргүч өтүүгө туура келет (3b-сүрөт). Tc жогорудагы кадимки абалдарда, ачык чынжыр чыңалуу Voc температура менен азаят (3b-сүрөттүн башы), бул pn өткөөлдөрүнө негизделген кадимки күн батареялары үчүн Vocтун сызыктуу жүрүм-турумуна окшош31,32,33. Лазердик интенсивдүүлүккө катуу көз каранды болгон Vocтун температура менен өзгөрүү ылдамдыгы (−dVoc/dT) кадимки күн батареяларына караганда бир топ кичине болсо да, YBCO-Ag өткөөлү үчүн Vocтун температуралык коэффициенти күн батареяларыныкындай эле чоңдук тартибине ээ. Кадимки күн батареясынын түзүлүшү үчүн pn өткөөлүнүн агып кетүү тогу температуранын жогорулашы менен көбөйөт, бул температура жогорулаган сайын Voc азайышына алып келет. Бул Ag-өткөргүч системасы үчүн байкалган сызыктуу IV ийри сызыктары, биринчиден, өтө кичинекей интерфейс потенциалынан жана экинчиден, эки гетероөткөөлдүн бири-бирине туташуусунан улам, агып кетүү тогун аныктоону кыйындатат. Ошого карабастан, агып кетүү тогунун ошол эле температурага көз карандылыгы биздин экспериментте байкалган Voc жүрүм-турумуна жооптуу болушу мүмкүн. Аныктамага ылайык, Isc - бул жалпы чыңалуу нөлгө барабар болушу үчүн Vocту компенсациялоо үчүн терс чыңалуу пайда кылуу үчүн керектүү ток. Температура жогорулаган сайын, Voc кичирейип, терс чыңалуу пайда кылуу үчүн азыраак ток талап кылынат. Андан тышкары, YBCO каршылыгы Tc жогору температура менен сызыктуу жогорулайт (3b-сүрөттүн төмөнкү бөлүгү), бул да жогорку температурада Iscтин абсолюттук маанисинин кичирейишине өбөлгө түзөт.

2,3-сүрөттөрдө келтирилген жыйынтыктар катод электроддорунун айланасындагы аймакка лазердик нурлануу менен алынганына көңүл буруңуз. Өлчөөлөр аноддо жайгашкан лазердик так менен да кайталанган жана ушул сыяктуу IV мүнөздөмөлөрү жана фотоэлектрдик касиеттери байкалган, бирок бул учурда Voc жана Isc полярдуулугу тескерисинче болгон. Бул маалыматтардын баары өтө өткөргүч-металл интерфейси менен тыгыз байланышкан фотоэлектрдик эффекттин механизмине алып келет.

Кыскача айтканда, лазер менен нурландырылган өтө өткөргүч YBCO-Ag паста системасынын IV мүнөздөмөлөрү температуранын жана лазердин интенсивдүүлүгүнүн функциялары катары өлчөнгөн. 50дөн 300 Кге чейинки температура диапазонунда фотоэлектрдик эффект байкалган. Фотоэлектрдик касиеттер YBCO керамикасынын өтө өткөргүчтүгү менен тыгыз байланышта экени аныкталган. Voc жана Isc полярдуулуктун өзгөрүшү фотоиндукцияланган өтө өткөргүчтүктөн өтө өткөргүч эмеске өтүүдөн кийин дароо пайда болот. Белгиленген лазердик интенсивдүүлүктө өлчөнгөн Voc жана Isc температурага көз карандылыгы үлгү каршылык көрсөтүүчү болуп калган критикалык температурадан жогору болгон учурда да полярдуулуктун өзгөрүшүн көрсөтөт. Лазердик такты үлгүнүн ар кайсы бөлүгүнө жайгаштыруу менен, биз интерфейсте электрдик потенциал бар экенин көрсөтөбүз, ал фотоиндукцияланган электрондук-тешиги жуптары үчүн бөлүү күчүн камсыз кылат. Бул интерфейстик потенциал YBCO өтө өткөргүч болгондо YBCOдон металл электродго багытталат жана үлгү өтө өткөргүч эмес болгондо тескери багытка өтөт. Потенциалдын келип чыгышы YBCO өтө өткөргүч болгондо металл-өтө өткөргүч интерфейсиндеги жакындык эффектиси менен табигый түрдө байланыштуу болушу мүмкүн жана 50 К температурада ~10−8 мВ деп бааланат, ал эми лазердик интенсивдүүлүгү 502 мВт/см2. Кадимки абалдагы p-типтеги YBCO материалынын n-типтеги материал менен байланышы Ag-пастасы квази-pn өткөөлүн түзөт, ал YBCO керамикасынын жогорку температурадагы фотоэлектрдик жүрүм-турумуна жооп берет. Жогорудагы байкоолор жогорку температурадагы өтө өткөргүч YBCO керамикасындагы фотоэлектрдик эффектке жарык чачат жана тез пассивдүү жарык детектору жана бир фотон детектору сыяктуу оптоэлектрондук түзүлүштөрдө жаңы колдонмолорго жол ачат.

Фотоэлектрдик эффект боюнча эксперименттер калыңдыгы 0,52 мм жана өлчөмү 8,64 × 2,26 мм2 болгон тик бурчтуу формадагы жана радиусу 1,25 мм болгон лазердик тактын өлчөмү менен үзгүлтүксүз толкундуу көк лазер (λ = 450 нм) менен жарыктандырылган YBCO керамикалык үлгүсүндө жүргүзүлдү. Жука пленка үлгүсүнүн ордуна көлөмдүү материалды колдонуу бизге субстраттын татаал таасирине туш болбостон, өтө өткөргүчтүн фотоэлектрдик касиеттерин изилдөөгө мүмкүндүк берет6,7. Андан тышкары, көлөмдүү материал аны даярдоонун жөнөкөй процедурасы жана салыштырмалуу арзандыгы үчүн ыңгайлуу болушу мүмкүн. Жез коргошун зымдары YBCO үлгүсүндө диаметри болжол менен 1 мм болгон төрт тегерек электродду түзгөн күмүш пастасы менен бириктирилген. Эки чыңалуу электродунун ортосундагы аралык болжол менен 5 мм. Үлгүнүн IV мүнөздөмөлөрү кварц кристалл терезеси бар термелүү үлгү магнитометри (VersaLab, Quantum Design) аркылуу өлчөнгөн. IV ийри сызыктарын алуу үчүн стандарттуу төрт зымдуу ыкма колдонулган. Электроддордун жана лазердик тактын салыштырмалуу абалы 1i-сүрөттө көрсөтүлгөн.

Бул макаланы кантип шилтемелөө керек: Ян, Ф. жана башкалар. Өтө өткөргүч YBa2Cu3O6.96 керамикасындагы фотоэлектрдик эффекттин келип чыгышы. Илимий журнал 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Чанг, КЛ, Клейнхаммес, А., Моултон, ВГ жана Тестарди, ЛР YBa2Cu3O7деги симметрияга тыюу салынган лазер менен индукцияланган чыңалуулар. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Квок, ХС, Чжэн, ЖП жана Донг, СЫ Y-Ba-Cu-Oдогу аномалдык фотоэлектрдик сигналдын келип чыгышы. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Ашыкча өткөргүч Bi-Sr-Ca-Cu-O лазер менен индукцияланган чыңалуусун өлчөө. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Тейт, КЛ жана башкалар. YBa2Cu3O7-x бөлмө температурасындагы пленкаларындагы лазер менен индукцияланган өткөөл чыңалуулар. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7деги аномалдык фотоэлектрдик реакция. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Мураока, Ю., Мураматсу, Т., Ямаура, Ж. жана Хирои, З. Оксиддик гетероструктурадагы YBa2Cu3O7−xке фотогенерацияланган тешик ташуучуларды инъекциялоо. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Асакура, Д. жана башкалар. YBa2Cu3Oy жука пленкаларынын жарык астында фотоэмиссиясын изилдөө. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Янг, Ф. жана башкалар. Ар кандай кычкылтектин парциалдык басымында күйгүзүлгөн YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb гетероөткөөлүнүн фотоэлектрдик эффектиси. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Аминов, Б.А. жана башкалар. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x монокристалдарындагы эки боштуктуу түзүлүш. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Кабанов, В.В., Демсар, Ж., Подобник, Б. жана Михайлович, Д. Ар кандай аралык түзүлүштөгү өтө өткөргүчтөрдөгү квазибөлүкчөлөрдүн релаксация динамикасы: YBa2Cu3O7-δ боюнча теория жана эксперименттер. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

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

Камарас, К., Портер, К.Д., Досс, М.Г., Херр, С.Л. жана Таннер, Д.Б. YBa2Cu3O7-δдеги экситондук абсорбция жана өтө өткөргүчтүк. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Ю, Г., Хегер, А.Ж. жана Стаки, Г. YBa2Cu3O6.3 жарым өткөргүч монокристалдарындагы өткөөл фотоиндукцияланган өткөрүмдүүлүк: фотоиндукцияланган металлдык абалды жана фотоиндукцияланган өтө өткөрүмдүүлүктү издөө. Катуу абалдар жөнүндө маалымат. 72, 345–349 (1989).

Макмиллан, В.Л. Өтө өткөргүч жакындык эффектинин туннельдөө модели. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Герон, С. жана башкалар. Мезоскопиялык узундук шкаласында изилденген өтө өткөргүч жакындык эффектиси. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Аннунциата, Г. жана Манске, Д. Центросимметриялык эмес өткөргүчтөр менен жакындык эффектиси. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM жана башкалар. Pb-Bi2Te3 гибриддик структураларындагы күчтүү өтө өткөргүч жакындык эффектиси. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Чапин, ДМ, Фуллер, КС жана Пирсон, ГЛ Күн радиациясын электр энергиясына айландыруу үчүн жаңы кремний-pn өткөөл фотоэлементи. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Томимото, К. Zn же Ni менен легирленген YBa2Cu3O6.9 монокристалдарындагы өтө өткөргүч когеренттүүлүк узундугуна кошулманын таасири. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Андо, Ю. жана Сегава, К. Кошулбаган YBa2Cu3Oy монокристаллдарынын кеңири диапазондогу легирлөөдөгү магниторезистенциясы: когеренттүүлүк узундугунун аномалдык тешикчелерге легирлөөдөн көз карандылыгы. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Обертелли, СД жана Купер, ЖР. Жогорку Т-оксиддердин термоэлектрдик кубаттуулугундагы систематика. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Сугай, С. жана башкалар. p-типтеги жогорку Tc өткөргүчтөрүндөгү когеренттүү чокунун жана LO фонондук режиминин ташуучунун тыгыздыгына көз каранды импульс жылышы. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Ножима, Т. жана башкалар. Электрохимиялык ыкманы колдонуу менен YBa2Cu3Oy жука пленкаларында тешиктерди калыбына келтирүү жана электрондордун топтолушу: n-типтеги металлдык абалдын далилдери. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Тунг, РТ Шоттки тосмосунун бийиктигинин физикасы жана химиясы. Колдонмо физикасы боюнча Lett. 1, 011304 (2014).

Сай-Халас, Г.А., Чи, К.К., Дененштейн, А. жана Лангенберг, Д.Н. Өтө өткөргүч пленкалардагы динамикалык тышкы жуптардын үзүлүшүнүн таасири. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Ниева, Г. жана башкалар. Өтө өткөргүчтүктүн фотоиндукцияланган күчөтүлүшү. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Кудинов, В.И. жана башкалар. YBa2Cu3O6+x пленкаларындагы туруктуу фотоөткөргүчтүк металл жана өтө өткөргүч фазаларга фотолегирлөө ыкмасы катары. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Манковский, Р. жана башкалар. YBa2Cu3O6.5теги жогорку өткөрүмдүүлүктүн негизи катары сызыктуу эмес торчо динамикасы. Nature 516, 71–74 (2014).

Фаусти, Д. жана башкалар. Сызыктуу купраттагы жарыктан пайда болгон өтө өткөрүмдүүлүк. Science 331, 189–191 (2011).

Эль-Адави, МК жана Аль-Нуаим, IA Күн батареясы үчүн учуучу бирикмелердин температурага функционалдык көз карандылыгы анын натыйжалуулугуна байланыштуу жаңы ыкма. Тузсуздандыруу 209, 91–96 (2007).

Вернон, С.М. жана Андерсон, Вашингтон. Шоттки тосмосунан жасалган кремний күн батареяларындагы температуранын таасири. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Иштөө шарттарында полимер-фуллерен күн батареяларынын фотоэлектрдик түзүлүш параметрлеринин температурага көз карандылыгы. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Бул иш Кытайдын Улуттук жаратылыш таануу фонду (Грант № 60571063), Кытайдын Хэнань провинциясынын фундаменталдык изилдөө долбоорлору (Грант № 122300410231) тарабынан колдоого алынган.

FY макаланын текстин жазган, ал эми MYH YBCO керамикалык үлгүсүн даярдаган. FY жана MYH эксперимент жүргүзүп, жыйынтыктарын талдашкан. FGC долбоорду жана маалыматтарды илимий чечмелөөнү жетектеген. Бардык авторлор кол жазманы карап чыгышкан.

Бул чыгарма Creative Commons Attribution 4.0 эл аралык лицензиясынын алкагында лицензияланган. Бул макаладагы сүрөттөр же башка үчүнчү тараптын материалдары, эгерде автордук укуктун сызыгында башкача көрсөтүлбөсө, макаланын Creative Commons лицензиясына киргизилген; эгерде материал Creative Commons лицензиясынын алкагында камтылбаса, колдонуучулар материалды көчүрүп алуу үчүн лицензия ээсинен уруксат алышы керек. Бул лицензиянын көчүрмөсүн көрүү үчүн http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ дарегине кириңиз.

Ян, Ф., Хан, М. жана Чан, Ф. Өтө өткөргүч YBa2Cu3O6.96 керамикасындагы фотоэлектрдик эффекттин келип чыгышы. Илимий эмгек 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Комментарий калтыруу менен сиз биздин Шарттарыбызды жана Коомчулук көрсөтмөлөрүбүздү сактоого макул болосуз. Эгерде сиз биздин шарттарга же көрсөтмөлөрүбүзгө туура келбеген же кемсинтүүчү нерсени тапсаңыз, аны орунсуз деп белгилеңиз.