Dėkojame, kad apsilankėte nature.com. Naudojate naršyklės versiją, kurioje ribotas CSS palaikymas. Kad gautumėte geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti naujesnę naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu, siekdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodome be stilių ir „JavaScript“.
Aprašome žymų fotovoltinį efektą YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikoje 50–300 K temperatūroje, sukeltą mėlynojo lazerio apšvietimo. Šis efektas yra tiesiogiai susijęs su YBCO superlaidumu ir YBCO bei metalo elektrodo sąsaja. Kai YBCO pereina iš superlaidžios į varžinę būseną, atvirosios grandinės įtampa Voc ir trumpojo jungimo srovė Isc pasikeičia poliškumo atžvilgiu. Parodome, kad superlaidininko ir normalaus metalo sąsajoje egzistuoja elektrinis potencialas, kuris sukuria fotoindukuotų elektronų ir skylių porų atskyrimo jėgą. Šis sąsajos potencialas nukreipiamas iš YBCO į metalo elektrodą, kai YBCO yra superlaidus, ir persijungia į priešingą pusę, kai YBCO tampa nebelaidus. Potencialo kilmę galima lengvai susieti su artumo efektu metalo ir superlaidininko sąsajoje, kai YBCO yra superlaidus, o jo vertė, esant 50 K temperatūrai ir 502 mW/cm2 lazerio intensyvumui, yra maždaug 10–8 mV. Įprastos būsenos p tipo medžiagos YBCO ir n tipo medžiagos Ag-pasta derinys sudaro kvazi-pn sandūrą, kuri atsakinga už YBCO keramikos fotovoltines savybes aukštoje temperatūroje. Mūsų išvados gali atverti kelią naujiems fotoninių elektroninių prietaisų pritaikymams ir dar labiau išsklaidyti artumo efektą superlaidininko ir metalo sąsajoje.
Fotoindukuota įtampa aukštos temperatūros superlaidininkuose buvo aprašyta XX a. dešimtojo dešimtmečio pradžioje ir nuo to laiko plačiai tiriama, tačiau jos pobūdis ir mechanizmas lieka neaiškūs1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) plonos plėvelės6,7,8, ypač intensyviai tiriamos fotovoltinių (FV) elementų pavidalu dėl jų reguliuojamo energijos tarpo9,10,11,12,13. Tačiau didelė pagrindo varža visada lemia mažą įrenginio konversijos efektyvumą ir užmaskuoja pagrindines YBCO8 FV savybes. Čia aprašome nepaprastą fotovoltinį efektą, kurį sukelia mėlynojo lazerio (λ = 450 nm) apšvietimas YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikoje 50–300 K temperatūroje (Tc ~ 90 K). Parodome, kad FV efektas yra tiesiogiai susijęs su YBCO superlaidumu ir YBCO-metalinio elektrodo sąsajos pobūdžiu. Kai YBCO pereina iš superlaidžiosios fazės į varžinę būseną, atvirosios grandinės įtampa Voc ir trumpojo jungimo srovė Isc pasikeičia poliškumu. Teigiama, kad superlaidininko ir normalaus metalo sąsajoje egzistuoja elektrinis potencialas, kuris sukuria fotoindukuotų elektronų ir skylių porų atskyrimo jėgą. Šis sąsajos potencialas nukreipiamas iš YBCO į metalo elektrodą, kai YBCO yra superlaidus, ir persijungia į priešingą kryptį, kai mėginys tampa nebesuperlaidus. Potencialo kilmė gali būti natūraliai susijusi su artumo efektu14,15,16,17 metalo ir superlaidininko sąsajoje, kai YBCO yra superlaidus, o jo vertė, esant 50 K temperatūrai ir 502 mW/cm2 lazerio intensyvumui, yra įvertinta ~10−8 mV. P tipo medžiagos YBCO derinys normalioje būsenoje su n tipo medžiagos Ag pasta greičiausiai sudaro kvazi-pn sandūrą, kuri yra atsakinga už YBCO keramikos fotovoltinę elgseną aukštoje temperatūroje. Mūsų stebėjimai dar labiau nušviečia PV efekto kilmę aukštos temperatūros superlaidžioje YBCO keramikoje ir atveria kelią jo taikymui optoelektroniniuose įrenginiuose, tokiuose kaip greitas pasyvus šviesos detektorius ir kt.
1a–c paveiksluose parodytos YBCO keramikos bandinio IV charakteristikos esant 50 K temperatūrai. Be šviesos apšvietimo, įtampa bandinyje išlieka lygi nuliui, kintant srovei, kaip ir galima tikėtis iš superlaidžios medžiagos. Akivaizdus fotovoltinis efektas atsiranda, kai lazerio spindulys nukreipiamas į katodą (1a pav.): IV kreivės, lygiagrečios I ašiai, juda žemyn didėjant lazerio intensyvumui. Akivaizdu, kad net ir nesant srovės (dažnai vadinama atvirosios grandinės įtampa Voc), yra neigiama fotoindukuota įtampa. Nulinis IV kreivės nuolydis rodo, kad bandinys, apšviestas lazeriu, vis dar yra superlaidus.
(a–c) ir 300 K (e–g). V(I) vertės buvo gautos keičiant srovę vakuume nuo −10 mA iki +10 mA. Aiškumo dėlei pateikta tik dalis eksperimentinių duomenų. a, YBCO srovės ir įtampos charakteristikos, išmatuotos lazerio spinduliuotei esant katode (i). Visos IV kreivės yra horizontalios tiesios linijos, rodančios, kad mėginys vis dar yra superlaidus veikiant lazerio spinduliuotei. Kreivė juda žemyn didėjant lazerio intensyvumui, o tai rodo, kad tarp dviejų įtampos laidų yra neigiamas potencialas (Voc) net ir esant nulinei srovei. IV kreivės išlieka nepakitusios, kai lazeris nukreiptas į mėginio centrą esant 50 K (b) arba 300 K (f) temperatūrai. Horizontali linija juda aukštyn, kai apšviečiamas anodas (c). Metalo ir superlaidininko jungties scheminis modelis esant 50 K temperatūrai parodytas d paveikslėlyje. Normalios būsenos YBCO srovės ir įtampos charakteristikos esant 300 K temperatūrai, išmatuotos lazerio spinduliuotę nukreipus į katodą ir anodą, pateiktos atitinkamai e ir g paveikslėliuose. Priešingai nei rezultatai, gauti esant 50 K temperatūrai, nenulinis tiesių linijų nuolydis rodo, kad YBCO yra normalioje būsenoje; Voc vertės kinta priešinga kryptimi priklausomai nuo šviesos intensyvumo, o tai rodo skirtingą krūvio atskyrimo mechanizmą. Galima sąsajos struktūra esant 300 K temperatūrai pavaizduota hj. Tikrasis mėginio su išvadais vaizdas.
Deguonimi prisotintas YBCO superlaidžioje būsenoje dėl labai mažo energijos tarpo (Eg)9,10 gali sugerti beveik visą saulės šviesos spektrą, taip sukurdamas elektronų ir skylių poras (e–h). Norint gauti atvirosios grandinės įtampą Voc absorbuojant fotonus, prieš įvykstant rekombinacijai būtina erdvėje atskirti fotogeneruotas eh poras18. Neigiamas Voc, katodo ir anodo atžvilgiu, kaip parodyta 1i paveiksle, rodo, kad metalo ir superlaidininko sąsajoje egzistuoja elektrinis potencialas, kuris elektronus nukreipia į anodą, o skyles – į katodą. Jei taip yra, taip pat turėtų būti potencialas, nukreiptas nuo superlaidininko į metalinį elektrodą prie anodo. Todėl teigiamas Voc būtų gautas, jei apšviesta mėginio sritis šalia anodo. Be to, neturėtų būti jokių fotoindukuotų įtampų, kai lazerio taškas nukreiptas į sritis, esančias toli nuo elektrodų. Tai tikrai tiesa, kaip matyti iš 1b, c! paveikslų.
Kai šviesos taškas juda nuo katodo elektrodo iki mėginio centro (apie 1,25 mm atstumu nuo sąsajų), didėjant lazerio intensyvumui iki maksimalios įmanomos vertės, IV kreivių kitimo ir Voc nepastebėta (1b pav.). Natūralu, kad šį rezultatą galima priskirti ribotai fotoindukuotų krūvininkų gyvavimo trukmei ir atskyrimo jėgos trūkumui mėginyje. Elektronų ir skylių poros gali susidaryti, kai mėginys yra apšviestas, tačiau dauguma e–h porų bus sunaikintos ir fotovoltinis efektas nepastebėtas, jei lazerio taškas nukrenta ant sričių, esančių toli nuo bet kurio elektrodo. Lazerio tašką judinant link anodo elektrodų, IV kreivės, lygiagrečios I ašiai, juda aukštyn, didėjant lazerio intensyvumui (1c pav.). Panašus vidinis elektrinis laukas yra metalo ir superlaidininko jungtyje prie anodo. Tačiau šį kartą metalinis elektrodas jungiasi prie teigiamo bandymo sistemos išvado. Lazerio sukurtos skylės yra stumiamos prie anodo išvado, todėl stebimas teigiamas Voc. Čia pateikti rezultatai suteikia tvirtų įrodymų, kad iš tiesų egzistuoja sąsajos potencialas, nukreiptas nuo superlaidininko iki metalinio elektrodo.
Fotovoltinis efektas YBa2Cu3O6.96 keramikoje, esant 300 K temperatūrai, parodytas 1e–g paveiksluose. Be šviesos apšvietimo, mėginio IV kreivė yra tiesi linija, kertanti koordinačių pradžią. Ši tiesi linija juda aukštyn lygiagrečiai pradinei linijai, didėjant lazerio intensyvumui, apšvitintam katodo išvaduose (1e pav.). Fotovoltiniam įrenginiui yra du ribiniai atvejai, kurie yra įdomūs. Trumpojo jungimo sąlyga atsiranda, kai V = 0. Šiuo atveju srovė vadinama trumpojo jungimo srove (Isc). Antrasis ribinis atvejis yra atvirosios grandinės sąlyga (Voc), kuri atsiranda, kai R→∞ arba srovė lygi nuliui. 1e paveiksle aiškiai parodyta, kad Voc yra teigiama ir didėja didėjant šviesos intensyvumui, priešingai nei rezultatas, gautas esant 50 K temperatūrai; tuo tarpu neigiama Isc didėja didėjant šviesos apšvietimui, kas yra tipiškas įprastų saulės elementų elgesys.
Panašiai, kai lazerio spindulys nukreiptas į toli nuo elektrodų esančias sritis, V(I) kreivė nepriklauso nuo lazerio intensyvumo ir neatsiranda jokio fotovoltinio efekto (1f pav.). Panašiai kaip ir matuojant esant 50 K temperatūrai, IV kreivės juda priešinga kryptimi, kai apšvitinamas anodo elektrodas (1g pav.). Visi šie YBCO-Ag pastos sistemos rezultatai, gauti esant 300 K temperatūrai, lazeriu apšvitinant skirtingas mėginio vietas, atitinka priešingą sąsajos potencialą nei stebimas esant 50 K temperatūrai.
Dauguma elektronų superlaidiame YBCO kondensuojasi į Kuperio poras, kai žemesnė nei jo virsmo temperatūra Tc. Metalo elektrode visi elektronai išlieka singuliarinėje formoje. Metalo ir superlaidininko sąsajos aplinkoje tiek singuliariniams elektronams, tiek Kuperio poroms yra didelis tankio gradientas. Daugumos krūvininkų singuliariniai elektronai metalinėje medžiagoje difunduoja į superlaidininko sritį, o daugumos krūvininkų Kuperio poros YBCO srityje difunduoja į metalo sritį. Kai Kuperio poros, turinčios daugiau krūvių ir didesnį judrumą nei singuliariniai elektronai, difunduoja iš YBCO į metalo sritį, teigiamai įkrauti atomai lieka, todėl erdvinio krūvio srityje susidaro elektrinis laukas. Šio elektrinio lauko kryptis parodyta schemoje 1d pav. Krintantis fotonų apšvietimas šalia erdvinio krūvio srities gali sukurti eh poras, kurios bus atskirtos ir išsklaidytos, sukurdamos foto srovę atvirkštinio poslinkio kryptimi. Kai tik elektronai išeina iš įmontuoto elektrinio lauko, jie kondensuojasi į poras ir be varžos teka į kitą elektrodą. Šiuo atveju Voc yra priešingas iš anksto nustatytam poliškumui ir rodo neigiamą reikšmę, kai lazerio spindulys nukreiptas į sritį aplink neigiamą elektrodą. Pagal Voc reikšmę galima įvertinti potencialą sąsajoje: atstumas tarp dviejų įtampos laidininkų d yra ~5 × 10−3 m, metalo ir superlaidininko sąsajos storis di turėtų būti tokio pat dydžio kaip YBCO superlaidininko koherencijos ilgis (~1 nm)19,20, imant Voc reikšmę = 0,03 mV, potencialas Vms metalo ir superlaidininko sąsajoje esant 50 K temperatūrai ir 502 mW/cm2 lazerio intensyvumui įvertinamas kaip ~10−11 V, naudojant lygtį,
Norime pabrėžti, kad fotoindukuotos įtampos negalima paaiškinti fototerminiu efektu. Eksperimentiškai nustatyta, kad superlaidininko YBCO Seebecko koeficientas yra Ss = 021. Varinių švininių laidų Seebecko koeficientas yra SCu = 0,34–1,15 μV/K3 diapazone. Varinio laido temperatūra lazerio taške gali būti šiek tiek padidinta 0,06 K, o maksimalus lazerio intensyvumas pasiekiamas esant 50 K temperatūrai. Tai gali sukurti 6,9 × 10−8 V termoelektrinį potencialą, kuris yra trimis eilėmis mažesnis už 1 (a) paveiksle gautą Voc. Akivaizdu, kad termoelektrinis efektas yra per mažas, kad paaiškintų eksperimentinius rezultatus. Tiesą sakant, temperatūros pokytis dėl lazerio spinduliuotės išnyktų per mažiau nei vieną minutę, todėl terminio efekto įtaką galima saugiai ignoruoti.
Šis YBCO fotovoltinis efektas kambario temperatūroje rodo, kad čia veikia kitoks krūvio atskyrimo mechanizmas. Įprastos būsenos superlaidus YBCO yra p tipo medžiaga su skylėmis kaip krūvininkais22,23, o metalinė Ag pasta turi n tipo medžiagos savybių. Panašiai kaip pn sandūrose, elektronų difuzija sidabro pastoje ir skylėse YBCO keramikoje sudarys vidinį elektrinį lauką, nukreiptą į YBCO keramiką sąsajoje (1h pav.). Būtent šis vidinis laukas sukuria atskyrimo jėgą ir lemia teigiamą Voc ir neigiamą Isc YBCO-Ag pastos sistemoje kambario temperatūroje, kaip parodyta 1e pav. Arba Ag-YBCO galėtų sudaryti p tipo Schottky sandūrą, kuri taip pat sukurtų sąsajos potencialą su tokiu pačiu poliškumu, kaip ir aukščiau pateiktame modelyje24.
Siekiant išsamiai ištirti fotovoltinių savybių evoliucijos procesą YBCO superlaidumo virsmo metu, buvo išmatuotos mėginio IV kreivės 80 K temperatūroje, pasirinkus lazerio intensyvumo vertes, apšviečiančias katodo elektrodą (2 pav.). Be lazerio spinduliuotės, įtampa mėginyje išlieka lygi nuliui, nepriklausomai nuo srovės stiprumo, o tai rodo mėginio superlaidumo būseną 80 K temperatūroje (2a pav.). Panašiai kaip ir 50 K temperatūroje gauti duomenys, IV kreivės, lygiagrečios I ašiai, juda žemyn didėjant lazerio intensyvumui, kol pasiekiama kritinė vertė Pc. Virš šios kritinės vertės Pc superlaidininkas pereina iš superlaidumo fazės į varžinę fazę; įtampa pradeda didėti didėjant srovei dėl superlaidininkio varžos atsiradimo. Dėl to IV kreivė pradeda kirsti I ir V ašis, todėl iš pradžių susidaro neigiama Voc ir teigiama Isc. Dabar mėginys atrodo esąs ypatingoje būsenoje, kurioje Voc ir Isc poliškumas yra itin jautrus šviesos intensyvumui; Esant labai nedideliam šviesos intensyvumo padidėjimui, Isc vertė konvertuojama iš teigiamos į neigiamą, o Voc vertė – iš neigiamos į teigiamą, pereinant pradžios tašką (didelis fotovoltinių savybių, ypač Isc vertės, jautrumas šviesos apšvietimui aiškiau matomas 2b pav.). Esant didžiausiam įmanomu lazerio intensyvumui, IV kreivės yra lygiagrečios viena kitai, o tai rodo normalią YBCO mėginio būseną.
Lazerio taško centras yra aplink katodo elektrodus (žr. 1i pav.). a, YBCO, apšvitinto skirtingu lazerio intensyvumu, IV kreivės. b (viršuje), lazerio intensyvumo priklausomybė nuo atvirosios grandinės įtampos Voc ir trumpojo jungimo srovės Isc. Isc verčių negalima gauti esant mažam šviesos intensyvumui (< 110 mW/cm2), nes IV kreivės yra lygiagrečios I ašiai, kai bandinys yra superlaidžiojoje būsenoje. b (apačioje), diferencinė varža kaip lazerio intensyvumo funkcija.
Lazerio intensyvumo priklausomybė nuo Voc ir Isc esant 80 K temperatūrai parodyta 2b paveiksle (viršuje). Fotovoltines savybes galima aptarti trijuose šviesos intensyvumo regionuose. Pirmasis regionas yra tarp 0 ir Pc, kuriame YBCO yra superlaidus, Voc yra neigiamas ir mažėja (absoliuti vertė didėja) didėjant šviesos intensyvumui ir pasiekia minimumą ties Pc. Antrasis regionas yra nuo Pc iki kito kritinio intensyvumo P0, kuriame Voc didėja, o Isc mažėja didėjant šviesos intensyvumui, ir abu pasiekia nulį ties P0. Trečiasis regionas yra virš P0, kol pasiekiama normali YBCO būsena. Nors ir Voc, ir Isc kinta priklausomai nuo šviesos intensyvumo taip pat, kaip ir 2 regione, virš kritinio intensyvumo P0 jie turi priešingą poliškumą. P0 reikšmė yra ta, kad nėra fotovoltinio efekto ir krūvio atskyrimo mechanizmas šiame konkrečiame taške kokybiškai pasikeičia. YBCO mėginys tampa nebelaidus šiame šviesos intensyvumo diapazone, tačiau normali būsena dar nepasiekta.
Akivaizdu, kad sistemos fotovoltinės charakteristikos yra glaudžiai susijusios su YBCO superlaidumu ir jo superlaidumo perėjimu. YBCO diferencinė varža dV/dI parodyta 2b paveiksle (apačioje) kaip lazerio intensyvumo funkcija. Kaip minėta anksčiau, sąsajoje dėl Kuperio poros difuzijos taškų susidaręs elektrinis potencialas iš superlaidininko į metalą. Panašiai kaip ir stebint esant 50 K temperatūrai, fotovoltinis efektas stiprėja didėjant lazerio intensyvumui nuo 0 iki Pc. Kai lazerio intensyvumas pasiekia reikšmę, šiek tiek didesnę už Pc, IV kreivė pradeda krypti ir pradeda ryškėti mėginio varža, tačiau sąsajos potencialo poliškumas dar nepasikeičia. Optinio sužadinimo poveikis superlaidumui buvo tirtas matomoje arba artimojoje IR srityje. Nors pagrindinis procesas yra Kuperio porų suskaidymas ir superlaidumo sunaikinimas25,26, kai kuriais atvejais superlaidumo perėjimas gali būti sustiprintas27,28,29, netgi gali būti sukeltos naujos superlaidumo fazės30. Superlaidumo nebuvimą ties Pc galima priskirti fotoindukuotam porų nutrūkimui. Taške P0 potencialas visoje sąsajoje tampa nulinis, o tai rodo, kad krūvio tankis abiejose sąsajos pusėse pasiekia tą patį lygį esant tokiam konkrečiam šviesos apšvietimo intensyvumui. Tolesnis lazerio intensyvumo didinimas lemia daugiau Cooperio porų sunaikinimą ir YBCO palaipsniui grįžta į p tipo medžiagą. Vietoj elektronų ir Cooperio porų difuzijos sąsajos savybes dabar lemia elektronų ir skylių difuzija, dėl kurios sąsajos elektrinis laukas pasikeičia poliškumu ir dėl to susidaro teigiamas Voc (palyginkite 1d, h pav.). Esant labai dideliam lazerio intensyvumui, YBCO diferencinė varža padidėja iki vertės, atitinkančios normaliąją būseną, o tiek Voc, tiek Isc linkę tiesiškai kisti priklausomai nuo lazerio intensyvumo (2b pav.). Šis stebėjimas rodo, kad lazerio spinduliuotė normaliosios būsenos YBCO nebepakeis jo varžos ir superlaidininko ir metalo sąsajos savybių, o tik padidins elektronų ir skylių porų koncentraciją.
Siekiant ištirti temperatūros įtaką fotovoltinėms savybėms, metalo-superlaidininko sistema katode buvo apšvitinta mėlynuoju lazeriu, kurio intensyvumas 502 mW/cm2. IV kreivės, gautos pasirinktose temperatūrose nuo 50 iki 300 K, pateiktos 3a paveiksle. Iš šių IV kreivių galima gauti atvirosios grandinės įtampą Voc, trumpojo jungimo srovę Isc ir diferencinę varžą, kurios parodytos 3b paveiksle. Be apšvietimo, visos skirtingose temperatūrose išmatuotos IV kreivės, kaip ir tikėtasi, kerta pradžios tašką (3a paveikslo įdėklas). IV charakteristikos drastiškai keičiasi didėjant temperatūrai, kai sistema apšviečiama santykinai stipriu lazerio spinduliu (502 mW/cm2). Žemoje temperatūroje IV kreivės yra tiesios linijos, lygiagrečios I ašiai, su neigiamomis Voc reikšmėmis. Ši kreivė juda aukštyn didėjant temperatūrai ir palaipsniui virsta linija, kurios nuolydis nėra lygus nuliui, esant kritinei temperatūrai Tcp (3a pav. (viršuje)). Atrodo, kad visos IV charakteristikų kreivės sukasi aplink tašką trečiajame kvadrante. Voc didėja nuo neigiamos vertės iki teigiamos, o Isc mažėja nuo teigiamos iki neigiamos. Virš pradinės YBCO superlaidumo virsmo temperatūros Tc, IV kreivė kinta gana skirtingai priklausomai nuo temperatūros (3a pav. apačioje). Pirma, IV kreivių sukimosi centras pasislenka į pirmąjį kvadrantą. Antra, Voc mažėja, o Isc didėja didėjant temperatūrai (3b pav. viršuje). Trečia, IV kreivių nuolydis tiesiškai didėja kylant temperatūrai, todėl YBCO varžos temperatūros koeficientas yra teigiamas (3b pav. apačioje).
YBCO-Ag pastos sistemos fotovoltinių charakteristikų priklausomybė nuo temperatūros, veikiant 502 mW/cm2 lazerio apšvietimui.
Lazerio taško centras yra aplink katodo elektrodus (žr. 1i pav.). a, IV kreivės, gautos nuo 50 iki 90 K (viršuje) ir nuo 100 iki 300 K (apačioje), atitinkamai didinant temperatūrą 5 K ir 20 K. a intarpe parodytos IV charakteristikos tamsoje esant kelioms temperatūroms. Visos kreivės kerta pradžios tašką. b, atvirosios grandinės įtampa Voc ir trumpojo jungimo srovė Isc (viršuje) bei YBCO diferencinė varža dV/dI (apačioje) kaip temperatūros funkcija. Nulinės varžos superlaidumo perėjimo temperatūra Tcp nepateikta, nes ji yra per artima Tc0.
3b pav. galima atpažinti tris kritines temperatūras: Tcp, virš kurios YBCO tampa nebesuperlaidus; Tc0, kurioje ir Voc, ir Isc tampa lygūs nuliui, ir Tc – pradinė YBCO superlaidumo virsmo temperatūra be lazerio spinduliuotės. Žemiau Tcp ~55 K lazeriu apšvitintas YBCO yra superlaidžioje būsenoje su santykinai didele Kuperio porų koncentracija. Lazerio spinduliuotės poveikis yra sumažinti nulinės varžos superlaidumo virsmo temperatūrą nuo 89 K iki ~55 K (3b pav. apačioje), sumažinant Kuperio porų koncentraciją ir sukuriant fotovoltinę įtampą bei srovę. Didėjant temperatūrai, Kuperio poros taip pat suyra, todėl sumažėja sąsajos potencialas. Dėl to absoliuti Voc vertė mažės, net jei lazerio apšvietimo intensyvumas bus toks pat. Sąsajos potencialas mažės toliau didėjant temperatūrai ir pasieks nulį ties Tc0. Šiame konkrečiame taške nėra fotovoltinio efekto, nes nėra vidinio lauko, kuris atskirtų fotoindukuotas elektronų ir skylių poras. Virš šios kritinės temperatūros įvyksta potencialo poliškumo pasikeitimas, nes laisvojo krūvio tankis Ag pastoje yra didesnis nei YBCO, kuris palaipsniui grįžta į p tipo medžiagą. Čia norime pabrėžti, kad Voc ir Isc poliškumo pasikeitimas įvyksta iškart po nulinės varžos superlaidumo perėjimo, nepriklausomai nuo perėjimo priežasties. Šis stebėjimas pirmą kartą aiškiai atskleidžia superlaidumo ir fotovoltinių efektų, susijusių su metalo ir superlaidininko sąsajos potencialu, koreliaciją. Šio potencialo pobūdis superlaidininko ir normalaus metalo sąsajoje buvo tyrimų objektas pastaruosius kelis dešimtmečius, tačiau vis dar yra daug klausimų, į kuriuos reikia atsakyti. Fotovoltinio efekto matavimas gali pasirodyti esąs veiksmingas metodas šio svarbaus potencialo detalėms (pvz., jo stiprumui, poliškumui ir kt.) ištirti ir tokiu būdu išaiškinti aukštos temperatūros superlaidumo artumo efektą.
Tolesnis temperatūros padidėjimas nuo Tc0 iki Tc lemia mažesnę Kuperio porų koncentraciją ir padidėjusį sąsajos potencialą, taigi ir didesnį Voc. Esant Tc, Kuperio porų koncentracija tampa lygi nuliui, o susidaręs potencialas sąsajoje pasiekia maksimumą, todėl Voc yra didžiausias, o Isc – mažiausias. Spartus Voc ir Isc (absoliučios vertės) padidėjimas šiame temperatūros diapazone atitinka superlaidumo perėjimą, kuris išplečiamas nuo ΔT ~ 3 K iki ~ 34 K, veikiant 502 mW/cm2 intensyvumo lazerio spinduliuotei (3b pav.). Įprastose būsenose, viršijančiose Tc, atvirosios grandinės įtampa Voc mažėja kylant temperatūrai (3b pav. viršuje), panašiai kaip įprastų saulės elementų, pagrįstų pn sandūromis, Voc tiesinė elgsena31,32,33. Nors Voc kitimo greitis priklausomai nuo temperatūros (−dVoc/dT), kuris labai priklauso nuo lazerio intensyvumo, yra daug mažesnis nei įprastų saulės elementų, YBCO-Ag sandūros Voc temperatūros koeficientas yra tokio paties dydžio kaip ir saulės elementų. Įprasto saulės elemento pn sandūros nuotėkio srovė didėja didėjant temperatūrai, todėl kylant temperatūrai mažėja ir Voc. Šios Ag-superlaidininko sistemos tiesinės IV kreivės, pirma, dėl labai mažo sąsajos potencialo ir, antra, dėl dviejų heterosandūrų tiesioginio sujungimo, apsunkina nuotėkio srovės nustatymą. Nepaisant to, labai tikėtina, kad ta pati nuotėkio srovės priklausomybė nuo temperatūros lemia mūsų eksperimente stebėtą Voc elgseną. Pagal apibrėžimą, Isc yra srovė, reikalinga neigiamai įtampai sukurti, kad kompensuotų Voc taip, jog bendra įtampa būtų lygi nuliui. Didėjant temperatūrai, Voc mažėja, todėl neigiamai įtampai sukurti reikia mažiau srovės. Be to, YBCO varža tiesiškai didėja, kai temperatūra viršija Tc (3b pav. apačioje), o tai taip pat prisideda prie mažesnės absoliučios Isc vertės aukštoje temperatūroje.
Atkreipkite dėmesį, kad 2 ir 3 paveiksluose pateikti rezultatai gauti lazeriu apšvitinant sritį aplink katodo elektrodus. Matavimai taip pat buvo pakartoti su lazerio tašku, esančiu ties anodu, ir buvo pastebėtos panašios IV charakteristikos ir fotovoltinės savybės, išskyrus tai, kad šiuo atveju Voc ir Isc poliškumas buvo apverstas. Visi šie duomenys leidžia manyti, kad fotovoltinis efektas yra glaudžiai susijęs su superlaidininko ir metalo sąsaja.
Apibendrinant, lazeriu apšvitintos superlaidžios YBCO-Ag pastos sistemos IV charakteristikos buvo išmatuotos kaip temperatūros ir lazerio intensyvumo funkcijos. Pastebėtas ryškus fotovoltinis efektas temperatūros diapazone nuo 50 iki 300 K. Nustatyta, kad fotovoltinės savybės stipriai koreliuoja su YBCO keramikos superlaidumu. Voc ir Isc poliškumo pasikeitimas įvyksta iškart po fotoindukuoto superlaidumo perėjimo į nesuperlaidumo būseną. Voc ir Isc temperatūros priklausomybė, išmatuota esant fiksuotam lazerio intensyvumui, taip pat rodo aiškų poliškumo pasikeitimą kritinėje temperatūroje, virš kurios mėginys tampa varžinis. Nukreipdami lazerio tašką į kitą mėginio dalį, parodome, kad visoje sąsajoje egzistuoja elektrinis potencialas, kuris sukuria atskyrimo jėgą fotoindukuotoms elektronų ir skylių poroms. Šis sąsajos potencialas nukreipiamas iš YBCO į metalo elektrodą, kai YBCO yra superlaidus, ir persijungia į priešingą kryptį, kai mėginys tampa nebelaidus. Potencialo kilmė gali būti natūraliai susijusi su artumo efektu metalo ir superlaidininko sąsajoje, kai YBCO yra superlaidus, ir, apskaičiuota, yra ~10−8 mV esant 50 K temperatūrai ir 502 mW/cm2 lazerio intensyvumui. Normalios būsenos p tipo medžiagos YBCO sąlytis su n tipo medžiagos Ag pasta sudaro kvazi-pn sandūrą, kuri atsakinga už YBCO keramikos fotovoltines savybes aukštoje temperatūroje. Šie stebėjimai nušviečia FV efektą aukštos temperatūros superlaidžioje YBCO keramikoje ir atveria kelią naujoms taikymo sritims optoelektroniniuose įrenginiuose, tokiuose kaip greitas pasyvus šviesos detektorius ir pavienių fotonų detektorius.
Fotovoltinio efekto eksperimentai buvo atlikti su 0,52 mm storio ir 8,64 × 2,26 mm2 stačiakampio formos YBCO keraminiu bandiniu, apšviestu nuolatinės bangos mėlynuoju lazeriu (λ = 450 nm), kurio lazerio taško dydis yra 1,25 mm. Naudojant birią, o ne ploną plėvelę bandinį, galime tirti superlaidininko fotovoltines savybes, neatsižvelgiant į sudėtingą substrato įtaką6,7. Be to, biri medžiaga gali būti lengvai paruošiama ir kainuojama gana pigiai. Vario laidai ant YBCO bandinio sujungiami sidabro pasta, suformuojant keturis maždaug 1 mm skersmens apskritus elektrodus. Atstumas tarp dviejų įtampos elektrodų yra apie 5 mm. Bandinio IV charakteristikos buvo matuojamos vibracinio bandinio magnetometru („VersaLab“, „Quantum Design“) su kvarcinio kristalo langeliu. IV kreivėms gauti buvo naudojamas standartinis keturių laidų metodas. Elektrodų ir lazerio taško santykinės padėtys parodytos 1i pav.
Kaip cituoti šį straipsnį: Yang, F. ir kt. Fotovoltinio efekto kilmė superlaidžioje YBa2Cu3O6.96 keramikoje. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG ir Testardi, LR. Simetrijos draudžiamos lazerio sukeltos įtampos YBa2Cu3O7 junginyje. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP ir Dong, SY Anomalinio fotovoltinio signalo Y-Ba-Cu-O kilmė. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR ir Wang, GW. Lazeriu indukuotų superlaidžių Bi-Sr-Ca-Cu-O įtampų matavimas. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL ir kt. Trumpalaikės lazeriu indukuotos įtampos kambario temperatūros YBa2Cu3O7-x plėvelėse. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS ir Zheng, JP. Anomalinis fotovoltinis atsakas YBa2Cu3O7 sistemoje. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. ir Hiroi, Z. Fotogeneruotų skylių nešėjų injekcija į YBa2Cu3O7−x oksido heterostruktūroje. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. ir kt. YBa2Cu3Oy plonų plėvelių fotoemisijos tyrimas esant apšvietimui. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. ir kt. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterosandūros, atkaitintos skirtingame deguonies parcialiniame slėgyje, fotovoltinis efektas. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA ir kt. Dviejų tarpų struktūra Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristaluose. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. ir Mihailovic, D. Kvazidalelių relaksacijos dinamika superlaidininkuose su skirtingomis tarpo struktūromis: teorija ir eksperimentai su YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ ir Shen, BG. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterosandūros išlyginamosios savybės. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL ir Tanner, DB. Eksitoninė absorbcija ir superlaidumas YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ ir Stucky, G. Trumpalaikis fotoindukuotas laidumas puslaidininkiniuose YBa2Cu3O6.3 monokristaluose: fotoindukuotos metalinės būsenos ir fotoindukuoto superlaidumo paieška. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL. Tunelinis superlaidumo artumo efekto modelis. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. ir kt. Superlaidumo artumo efekto tyrimas mezoskopinėje ilgio skalėje. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. ir Manske, D. Artumo efektas su necentrosimetriniais superlaidininkais. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM ir kt. Stiprus superlaidumo artumo efektas Pb-Bi2Te3 hibridinėse struktūrose. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS ir Pearson, GL. Naujas silicio pn sandūros fotoelementas saulės spinduliuotei paversti elektros energija. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Priemaišų įtaka superlaidumo koherencijos ilgiui Zn arba Ni legiruotuose YBa2Cu3O6.9 monokristaluose. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. ir Segawa, K. Nesujungtų YBa2Cu3Oy monokristalų magnetinė varža plačiame legiravimo diapazone: anomalinė skylių legiravimo priklausomybė nuo koherencijos ilgio. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD ir Cooper, JR. Aukštos temperatūros oksidų termoelektrinės galios sistematika. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. ir kt. Nuo krūvininkų tankio priklausantis koherentinės smailės ir LO fononų modos momento poslinkis p tipo aukšto Tc superlaidininkuose. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. ir kt. Skylių redukcija ir elektronų kaupimas YBa2Cu3Oy plonose plėvelėse naudojant elektrocheminę techniką: n tipo metalinės būsenos įrodymai. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT. Šotkio barjero aukščio fizika ir chemija. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. ir Langenberg, DN. Dinaminio išorinio porų nutrūkimo efektai superlaidžiose plėvelėse. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. ir kt. Fotoindukuotas superlaidumo sustiprinimas. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI ir kt. Nuolatinis fotolaidumas YBa2Cu3O6+x plėvelėse kaip fotodipavimo metalinių ir superlaidžiųjų fazių link metodas. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. ir kt. Netiesinė gardelės dinamika kaip sustiprinto YBa2Cu3O6.5 superlaidumo pagrindas. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. ir kt. Šviesos indukuotas superlaidumas juostiniu būdu išdėstytame kuprate. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK ir Al-Nuaim, IA. Saulės elemento lakiųjų organinių junginių (LOJ) temperatūros funkcinė priklausomybė nuo jų efektyvumo, taikant naują metodą. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM ir Anderson, WA. Temperatūros poveikis Šotkio barjero silicio saulės elementuose. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. ir Tuladhar, SM. Polimerinių-fullereno saulės elementų fotovoltinių parametrų priklausomybė nuo temperatūros eksploatavimo sąlygomis. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Šį darbą rėmė Kinijos nacionalinis gamtos mokslų fondas (dotacijos Nr. 60571063) ir Henano provincijos (Kinija) fundamentiniai tyrimų projektai (dotacijos Nr. 122300410231).
FY parašė straipsnio tekstą, o MYH paruošė YBCO keramikos pavyzdį. FY ir MYH atliko eksperimentą ir išanalizavo rezultatus. FGC vadovavo projektui ir mokslinei duomenų interpretacijai. Visi autoriai peržiūrėjo rankraštį.
Šis darbas licencijuojamas pagal „Creative Commons Attribution 4.0“ tarptautinę licenciją. Šiame straipsnyje esantys vaizdai ar kita trečiųjų šalių medžiaga yra įtraukta į straipsnio „Creative Commons“ licenciją, nebent autoriaus nuorodoje nurodyta kitaip; jei medžiaga nėra įtraukta į „Creative Commons“ licenciją, vartotojai turės gauti licencijos turėtojo leidimą atgaminti medžiagą. Norėdami peržiūrėti šios licencijos kopiją, apsilankykite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. ir Chang, F. Fotovoltinio efekto kilmė superlaidžioje YBa2Cu3O6.96 keramikoje. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Pateikdami komentarą, jūs sutinkate laikytis mūsų sąlygų ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio arba neatitinkančio mūsų sąlygų ar gairių, pažymėkite tai kaip netinkamą.
Įrašo laikas: 2020 m. balandžio 22 d.