Paldies, ka apmeklējāt vietni nature.com. Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu. Lai iegūtu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot jaunāku pārlūkprogrammas versiju (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs vietni attēlojam bez stiliem un JavaScript.
Mēs ziņojam par ievērojamu fotoelektrisko efektu YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikā temperatūrā no 50 līdz 300 K, ko izraisa zilā lāzera apgaismojums, un tas ir tieši saistīts ar YBCO supravadītspēju un YBCO-metāla elektroda saskarni. Kad YBCO pāriet no supravadoša uz rezistīvo stāvokli, atklātās ķēdes spriegumam Voc un īsslēguma strāvai Isc ir polaritātes maiņa. Mēs parādām, ka visā supravadītāja-normāla metāla saskarnē pastāv elektriskais potenciāls, kas nodrošina atdalīšanas spēku fotoinducētajiem elektronu-caurumu pāriem. Šis saskarnes potenciāls virzās no YBCO uz metāla elektrodu, kad YBCO ir supravadošs, un pārslēdzas pretējā virzienā, kad YBCO kļūst par supravadošu. Potenciāla izcelsmi var viegli saistīt ar tuvuma efektu metāla-supravadītāja saskarnē, kad YBCO ir supravadošs, un tā vērtība tiek lēsta ~10–8 mV pie 50 K ar lāzera intensitāti 502 mW/cm2. P-tipa materiāla YBCO kombinācija normālā stāvoklī ar n-tipa materiālu Ag-pastu veido kvazi-pn pāreju, kas ir atbildīga par YBCO keramikas fotoelektrisko uzvedību augstās temperatūrās. Mūsu atklājumi varētu pavērt ceļu jauniem fotonu elektronisku ierīču pielietojumiem un sniegt papildu ieskatu tuvuma efektā supravadītāja un metāla saskarnē.
Fotoinducēts spriegums augstas temperatūras supravadītājos tika ziņots 20. gs. deviņdesmito gadu sākumā un kopš tā laika ir plaši pētīts, tomēr tā daba un mehānisms joprojām nav noskaidrots1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) plānās plēves6,7,8, jo īpaši, tiek intensīvi pētītas fotoelektrisko (FV) elementu veidā, pateicoties to regulējamajai enerģijas spraugai9,10,11,12,13. Tomēr substrāta augstā pretestība vienmēr noved pie ierīces zemas konversijas efektivitātes un maskē YBCO8 primārās FV īpašības. Šeit mēs ziņojam par ievērojamu fotoelektrisko efektu, ko inducē zilā lāzera (λ = 450 nm) apgaismojums YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikā no 50 līdz 300 K (Tc ~ 90 K). Mēs parādām, ka FV efekts ir tieši saistīts ar YBCO supravadītspēju un YBCO-metāla elektroda saskarnes raksturu. Kad YBCO pāriet no supravadošas fāzes uz rezistīvo stāvokli, notiek atvērtās ķēdes sprieguma Voc un īsslēguma strāvas Isc polaritātes maiņa. Tiek ierosināts, ka supravadītāja un normāla metāla saskarnē pastāv elektriskais potenciāls, kas nodrošina fotoinducēto elektronu-caurumu pāru atdalīšanas spēku. Šis saskarnes potenciāls virzās no YBCO uz metāla elektrodu, kad YBCO ir supravadošs, un pārslēdzas pretējā virzienā, kad paraugs kļūst nevadošs. Potenciāla izcelsme var būt dabiski saistīta ar tuvuma efektu14,15,16,17 metāla un supravadītāja saskarnē, kad YBCO ir supravadošs, un tā vērtība tiek lēsta ~10−8 mV pie 50 K ar lāzera intensitāti 502 mW/cm2. P-tipa materiāla YBCO kombinācija normālā stāvoklī ar n-tipa materiālu Ag-pastu, visticamāk, veido kvazi-pn pāreju, kas ir atbildīga par YBCO keramikas PV uzvedību augstās temperatūrās. Mūsu novērojumi sniedz vēl vairāk informācijas par PV efekta izcelsmi augstas temperatūras supravadošā YBCO keramikā un paver ceļu tā pielietojumam optoelektroniskās ierīcēs, piemēram, ātrās pasīvās gaismas detektorā utt.
1.a–c attēlā redzamas YBCO keramikas parauga IV raksturlielumi 50 K temperatūrā. Bez gaismas apgaismojuma spriegums uz parauga saglabājas nulle, mainoties strāvai, kā to var sagaidīt no supravadoša materiāla. Acīmredzams fotoelektriskais efekts parādās, kad lāzera stars ir vērsts uz katodu (1.a att.): IV līknes, kas ir paralēlas I asij, pārvietojas uz leju, palielinoties lāzera intensitātei. Ir skaidrs, ka pat bez strāvas pastāv negatīvs fotoinducēts spriegums (bieži saukts par atvērtās ķēdes spriegumu Voc). IV līknes nulles slīpums norāda, ka paraugs lāzera apgaismojuma ietekmē joprojām ir supravadošs.
(a–c) un 300 K (e–g). V(I) vērtības tika iegūtas, mainot strāvu vakuumā no −10 mA līdz +10 mA. Skaidrības labad ir sniegta tikai daļa no eksperimentālajiem datiem. a, YBCO strāvas-sprieguma raksturlīknes, kas izmērītas ar lāzera punktu, kas novietots uz katoda (i). Visas IV līknes ir horizontālas taisnes, kas norāda, ka paraugs joprojām ir supravadošs ar lāzera apstarošanu. Līkne virzās uz leju, palielinoties lāzera intensitātei, norādot, ka starp abiem sprieguma vadiem pastāv negatīvs potenciāls (Voc) pat pie nulles strāvas. IV līknes paliek nemainīgas, ja lāzers ir vērsts uz parauga centru ētera temperatūrā 50 K (b) vai 300 K (f). Horizontālā līnija virzās uz augšu, kad anods ir apgaismots (c). Metāla-supravadītāja savienojuma shematisks modelis 50 K temperatūrā ir parādīts d. Normālā stāvokļa YBCO strāvas-sprieguma raksturlīknes 300 K temperatūrā, kas izmērītas ar lāzera staru, kas vērsts uz katodu un anodu, ir parādītas attiecīgi e un g. Atšķirībā no rezultātiem 50 K temperatūrā, taisno līniju slīpums, kas nav nulle, norāda, ka YBCO ir normālā stāvoklī; Voc vērtības mainās atkarībā no gaismas intensitātes pretējā virzienā, norādot uz atšķirīgu lādiņa atdalīšanas mehānismu. Iespējamā saskarnes struktūra 300 K temperatūrā ir attēlota hj attēlā. Reālais parauga attēls ar vadiem.
Ar skābekli bagātināts YBCO supravadošā stāvoklī var absorbēt gandrīz pilnu saules gaismas spektru, pateicoties tā ļoti mazajai enerģijas spraugai (Eg)9,10, tādējādi radot elektronu-caurumu pārus (e–h). Lai radītu atvērtās ķēdes spriegumu Voc, absorbējot fotonus, pirms rekombinācijas18 ir nepieciešams telpiski atdalīt fotoģenerētos eh pārus. Negatīvais Voc attiecībā pret katodu un anodu, kā norādīts 1.i attēlā, liecina, ka metāla-supravadītāja saskarnē pastāv elektriskais potenciāls, kas elektronus pārvieto uz anodu un caurumus uz katodu. Ja tas tā ir, tad vajadzētu būt arī potenciālam, kas vērsts no supravadītāja uz metāla elektrodu pie anoda. Līdz ar to pozitīvs Voc tiktu iegūts, ja parauga laukums pie anoda būtu apgaismots. Turklāt nevajadzētu būt fotoinducētiem spriegumiem, ja lāzera punkts ir vērsts uz apgabaliem tālu no elektrodiem. Tas noteikti tā ir, kā redzams 1.b,c attēlā!.
Kad gaismas plankums pārvietojas no katoda elektroda uz parauga centru (apmēram 1,25 mm attālumā no saskarnēm), palielinot lāzera intensitāti līdz maksimālajai pieejamajai vērtībai, IV līkņu izmaiņas un Voc nav novērojamas (1.b att.). Protams, šo rezultātu var attiecināt uz fotoinducēto nesēju ierobežoto kalpošanas laiku un atdalīšanas spēka trūkumu paraugā. Elektronu-caurumu pāri var veidoties ikreiz, kad paraugs tiek apgaismots, bet lielākā daļa e-h pāru tiks iznīcināti, un fotoelektriskais efekts netiks novērots, ja lāzera plankums nokrīt uz zonām, kas atrodas tālu no jebkura no elektrodiem. Pārvietojot lāzera plankumu uz anoda elektrodiem, IV līknes, kas ir paralēlas I asij, pārvietojas uz augšu, palielinoties lāzera intensitātei (1.c att.). Līdzīgs iebūvēts elektriskais lauks pastāv metāla-supravadītāja savienojumā pie anoda. Tomēr šoreiz metāla elektrods savienojas ar testa sistēmas pozitīvo vadu. Lāzera radītie caurumi tiek piespiesti anoda vadam, un tādējādi tiek novērots pozitīvs Voc. Šeit sniegtie rezultāti sniedz pārliecinošus pierādījumus tam, ka patiešām pastāv saskarnes potenciāls, kas vērsts no supravadītāja uz metāla elektrodu.
Fotoelektriskais efekts YBa2Cu3O6.96 keramikā 300 K temperatūrā ir parādīts 1.e–g attēlā. Bez gaismas apgaismojuma parauga IV līkne ir taisna līnija, kas šķērso sākuma punktu. Šī taisne virzās uz augšu paralēli sākotnējai līnijai, palielinoties lāzera intensitātei, apstarojot katoda vadus (1.e attēls). Fotoelektriskajai ierīcei ir divi interesanti robežgadījumi. Īsslēguma stāvoklis rodas, ja V = 0. Šajā gadījumā strāvu sauc par īsslēguma strāvu (Isc). Otrais robežgadījums ir atvērtas ķēdes stāvoklis (Voc), kas rodas, ja R→∞ vai strāva ir nulle. 1.e attēlā skaidri parādīts, ka Voc ir pozitīvs un palielinās, palielinoties gaismas intensitātei, atšķirībā no rezultāta, kas iegūts 50 K temperatūrā; savukārt negatīva Isc vērtība palielinās, palielinoties gaismas apgaismojumam, kas ir tipiska normālu saules bateriju uzvedība.
Līdzīgi, kad lāzera stars ir vērsts uz apgabaliem, kas atrodas tālu no elektrodiem, V(I) līkne nav atkarīga no lāzera intensitātes un neparādās fotoelektriskais efekts (1.f att.). Līdzīgi kā mērījumā 50 K temperatūrā, IV līknes virzās pretējā virzienā, apstarojot anoda elektrodu (1.g att.). Visi šie rezultāti, kas iegūti šai YBCO-Ag pastas sistēmai 300 K temperatūrā ar lāzera apstarojumu dažādās parauga pozīcijās, atbilst saskarnes potenciālam, kas ir pretējs tam, kas novērots 50 K temperatūrā.
Lielākā daļa elektronu kondensējas Kūpera pāros supravadošā YBCO zem tā pārejas temperatūras Tc. Metāla elektrodā visi elektroni paliek singulārā formā. Gan singulārajiem elektroniem, gan Kūpera pāriem metāla-supravadītāja saskarnes tuvumā ir liels blīvuma gradients. Metāliskā materiālā vairākuma nesēju singulārie elektroni difundēs supravadītāja apgabalā, savukārt YBCO apgabalā vairākuma nesēju Kūpera pāri difundēs metāla apgabalā. Tā kā Kūpera pāri nes vairāk lādiņu un tiem ir lielāka mobilitāte nekā singulāriem elektroniem, tie atstāj pozitīvi lādētus atomus, kā rezultātā rodas elektriskais lauks telpas lādiņa apgabalā. Šī elektriskā lauka virziens ir parādīts shematiskajā diagrammā 1.d attēlā. Krītošs fotonu apgaismojums telpas lādiņa apgabala tuvumā var radīt eh pārus, kas tiks atdalīti un izslaucīti, radot fotostrāvu apgrieztā virzienā. Tiklīdz elektroni iziet no iebūvētā elektriskā lauka, tie tiek kondensēti pāros un bez pretestības plūst uz otru elektrodu. Šajā gadījumā Voc ir pretējs iepriekš iestatītajai polaritātei un parāda negatīvu vērtību, kad lāzera stars ir vērsts uz apgabalu ap negatīvo elektrodu. No Voc vērtības var novērtēt potenciālu uz saskarnes: attālums starp diviem sprieguma vadiem d ir ~5 × 10−3 m, metāla-supravadītāja saskarnes biezumam di jābūt tādā pašā lieluma kārtā kā YBCO supravadītāja koherences garumam (~1 nm)19,20, ņem Voc vērtību = 0,03 mV, potenciāls Vms uz metāla-supravadītāja saskarnes tiek novērtēts kā ~10−11 V pie 50 K ar lāzera intensitāti 502 mW/cm2, izmantojot vienādojumu,
Vēlamies uzsvērt, ka fotoinducēto spriegumu nevar izskaidrot ar fototermisko efektu. Eksperimentāli ir noteikts, ka supravadītāja YBCO Zēbeka koeficients ir Ss = 021. Vara svina vadu Zēbeka koeficients ir diapazonā no SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Vara vada temperatūru lāzera punktā var nedaudz paaugstināt par 0,06 K, sasniedzot maksimālo lāzera intensitāti 50 K temperatūrā. Tas varētu radīt termoelektrisko potenciālu 6,9 × 10−8 V, kas ir par trim lieluma kārtām mazāks nekā 1. attēlā (a) iegūtais Voc. Ir skaidrs, ka termoelektriskais efekts ir pārāk mazs, lai izskaidrotu eksperimentālos rezultātus. Faktiski temperatūras svārstības lāzera apstarošanas dēļ izzustu mazāk nekā vienas minūtes laikā, tāpēc termiskā efekta ietekmi var droši ignorēt.
Šis YBCO fotoelektriskais efekts istabas temperatūrā atklāj, ka šeit ir iesaistīts atšķirīgs lādiņu atdalīšanas mehānisms. Supravadošs YBCO normālā stāvoklī ir p-tipa materiāls ar caurumiem kā lādiņnesējiem22,23, savukārt metāliskajai Ag pastai piemīt n-tipa materiāla īpašības. Līdzīgi kā pn pārejās, elektronu difūzija sudraba pastā un caurumi YBCO keramikā veidos iekšēju elektrisko lauku, kas vērsts uz YBCO keramiku saskarnē (1.h att.). Tieši šis iekšējais lauks nodrošina atdalīšanas spēku un rada pozitīvu Voc un negatīvu Isc YBCO-Ag pastas sistēmā istabas temperatūrā, kā parādīts 1.e attēlā. Alternatīvi, Ag-YBCO varētu veidot p-tipa Šotki pāreju, kas arī rada saskarnes potenciālu ar tādu pašu polaritāti kā iepriekš parādītajā modelī24.
Lai detalizēti izpētītu fotoelektrisko īpašību evolūcijas procesu YBCO supravadīšanas pārejas laikā, parauga IV līknes 80 K temperatūrā tika mērītas ar izvēlētām lāzera intensitātēm, kas apgaismoja katoda elektrodu (2. att.). Bez lāzera apstarošanas spriegums uz parauga saglabājas nulle neatkarīgi no strāvas, norādot parauga supravadīšanas stāvokli 80 K temperatūrā (2.a att.). Līdzīgi datiem, kas iegūti 50 K temperatūrā, IV līknes, kas ir paralēlas I asij, virzās uz leju, palielinoties lāzera intensitātei, līdz tiek sasniegta kritiskā vērtība Pc. Virs šīs kritiskās lāzera intensitātes (Pc) supravadītājs pāriet no supravadīšanas fāzes uz rezistīvo fāzi; spriegums sāk pieaugt līdz ar strāvas pieaugumu, jo supravadītājā parādās pretestība. Tā rezultātā IV līkne sāk krustoties ar I asi un V asi, kā rezultātā sākumā rodas negatīvs Voc un pozitīvs Isc. Tagad paraugs, šķiet, atrodas īpašā stāvoklī, kurā Voc un Isc polaritāte ir ārkārtīgi jutīga pret gaismas intensitāti; Ar ļoti nelielu gaismas intensitātes pieaugumu Isc tiek pārveidots no pozitīvas uz negatīvu un Voc no negatīvas uz pozitīvu vērtību, pārejot uz sākuma punktu (fotoelektrisko īpašību, īpaši Isc vērtības, augstā jutība pret gaismas apgaismojumu ir skaidrāk redzama 2.b attēlā). Pie pieejamās augstākās lāzera intensitātes IV līknes ir paralēlas viena otrai, norādot uz YBCO parauga normālo stāvokli.
Lāzera punkta centrs ir novietots ap katoda elektrodiem (skatiet 1.i att.). a, YBCO IV līknes, kas apstarotas ar dažādu lāzera intensitāti. b (augšā), lāzera intensitātes atkarība no tukšgaitas sprieguma Voc un īsslēguma strāvas Isc. Isc vērtības nevar iegūt pie zemas gaismas intensitātes (< 110 mW/cm2), jo IV līknes ir paralēlas I asij, kad paraugs ir supravadošā stāvoklī. b (apakšā), diferenciālā pretestība kā lāzera intensitātes funkcija.
Lāzera intensitātes atkarība no Voc un Isc 80 K temperatūrā ir parādīta 2.b attēlā (augšpusē). Fotoelektriskās īpašības var apspriest trīs gaismas intensitātes reģionos. Pirmais reģions ir starp 0 un Pc, kur YBCO ir supravadošs, Voc ir negatīvs un samazinās (absolūtā vērtība palielinās) līdz ar gaismas intensitāti un sasniedz minimumu pie Pc. Otrais reģions ir no Pc līdz citai kritiskajai intensitātei P0, kur Voc palielinās, bet Isc samazinās, palielinoties gaismas intensitātei, un abi sasniedz nulli pie P0. Trešais reģions ir virs P0, līdz tiek sasniegts YBCO normālais stāvoklis. Lai gan gan Voc, gan Isc mainās līdz ar gaismas intensitāti tāpat kā 2. reģionā, tiem ir pretēja polaritāte virs kritiskās intensitātes P0. P0 nozīme ir tāda, ka nav fotoelektriskā efekta un lādiņa atdalīšanas mehānisms šajā konkrētajā punktā mainās kvalitatīvi. YBCO paraugs šajā gaismas intensitātes diapazonā kļūst nevadošs, bet normālais stāvoklis vēl nav sasniegts.
Ir skaidrs, ka sistēmas fotoelektriskās īpašības ir cieši saistītas ar YBCO supravadītspēju un tā supravadīšanas pāreju. YBCO diferenciālā pretestība dV/dI ir parādīta 2.b attēlā (apakšā) kā lāzera intensitātes funkcija. Kā minēts iepriekš, elektriskā potenciāla veidošanās saskarnē Kūpera pāra difūzijas punktu dēļ no supravadītāja uz metālu. Līdzīgi tam, kas novērots 50 K temperatūrā, fotoelektriskais efekts pastiprinās, palielinot lāzera intensitāti no 0 līdz Pc. Kad lāzera intensitāte sasniedz vērtību, kas nedaudz pārsniedz Pc, IV līkne sāk slīpt un sāk parādīties parauga pretestība, bet saskarnes potenciāla polaritāte vēl nemainās. Optiskās ierosmes ietekme uz supravadītspēju ir pētīta redzamajā jeb tuvajā infrasarkanajā diapazonā. Lai gan pamatprocess ir Kūpera pāru sadalīšana un supravadītspējas iznīcināšana25,26, dažos gadījumos supravadītspējas pāreju var pastiprināt27,28,29, var pat inducēt jaunas supravadītspējas fāzes30. Supravadītspējas neesamību pie Pc var attiecināt uz fotoinducētu pāra pārraušanu. Punktā P0 potenciāls pāri saskarnei kļūst nulle, kas norāda, ka lādiņa blīvums abās saskarnes pusēs sasniedz vienādu līmeni pie šīs konkrētās gaismas apgaismojuma intensitātes. Turpmāka lāzera intensitātes palielināšana izraisa vairāk Kūpera pāru iznīcināšanu un YBCO pakāpeniski pārveidojas atpakaļ par p-tipa materiālu. Elektronu un Kūpera pāru difūzijas vietā saskarnes īpašības tagad nosaka elektronu un caurumu difūzija, kas noved pie elektriskā lauka polaritātes maiņas saskarnē un līdz ar to pozitīva Voc (salīdziniet 1.d,h att.). Pie ļoti augstas lāzera intensitātes YBCO diferenciālā pretestība piesātinās līdz vērtībai, kas atbilst normālajam stāvoklim, un gan Voc, gan Isc mēdz mainīties lineāri atkarībā no lāzera intensitātes (2.b att.). Šis novērojums atklāj, ka lāzera apstarošana normālā stāvoklī esošajam YBCO vairs nemainīs tā pretestību un supravadītāja-metāla saskarnes īpašības, bet tikai palielinās elektronu-caurumu pāru koncentrāciju.
Lai izpētītu temperatūras ietekmi uz fotoelektriskajām īpašībām, metāla-supravadītāja sistēma katodā tika apstarota ar zilu lāzeru ar intensitāti 502 mW/cm2. IV līknes, kas iegūtas izvēlētajās temperatūrās no 50 līdz 300 K, ir parādītas 3.a attēlā. Tukšgaitas spriegumu Voc, īsslēguma strāvu Isc un diferenciālo pretestību pēc tam var iegūt no šīm IV līknēm, un tās ir parādītas 3.b attēlā. Bez gaismas apgaismojuma visas IV līknes, kas izmērītas dažādās temperatūrās, šķērso sākuma punktu, kā paredzēts (3.a attēla ieliktnis). IV raksturlīknes krasi mainās, palielinoties temperatūrai, kad sistēmu apgaismo relatīvi spēcīgs lāzera stars (502 mW/cm2). Zemās temperatūrās IV līknes ir taisnas līnijas, kas ir paralēlas I asij ar negatīvām Voc vērtībām. Šī līkne virzās uz augšu, palielinoties temperatūrai, un kritiskā temperatūrā Tcp pakāpeniski pārvēršas līnijā ar atšķirīgu slīpumu (3.a attēls (augšpusē)). Šķiet, ka visas IV raksturlīknes rotē ap punktu trešajā kvadrantā. Voc palielinās no negatīvas vērtības uz pozitīvu, savukārt Isc samazinās no pozitīvas uz negatīvu vērtību. Virs sākotnējās YBCO supravadošās pārejas temperatūras Tc IV līkne mainās diezgan atšķirīgi atkarībā no temperatūras (3.a attēla apakšdaļa). Pirmkārt, IV līkņu rotācijas centrs pārvietojas uz pirmo kvadrantu. Otrkārt, Voc turpina samazināties un Isc palielinās, palielinoties temperatūrai (3.b attēla augšdaļa). Treškārt, IV līkņu slīpums lineāri palielinās līdz ar temperatūru, kā rezultātā YBCO pretestības temperatūras koeficients ir pozitīvs (3.b attēla apakšdaļa).
YBCO-Ag pastas sistēmas fotoelektrisko raksturlielumu atkarība no temperatūras 502 mW/cm2 lāzera apgaismojuma apstākļos.
Lāzera punkta centrs ir novietots ap katoda elektrodiem (skatiet 1.i att.). a, IV līknes, kas iegūtas no 50 līdz 90 K (augšā) un no 100 līdz 300 K (apakšā) ar temperatūras pieaugumu attiecīgi par 5 K un 20 K. a ieliktnī parādītas IV raksturlīknes vairākās temperatūrās tumsā. Visas līknes šķērso sākuma punktu. b, atvērtās ķēdes spriegums Voc un īsslēguma strāva Isc (augšā) un YBCO diferenciālā pretestība dV/dI (apakšā) kā temperatūras funkcija. Nulles pretestības supravadošā pārejas temperatūra Tcp nav norādīta, jo tā ir pārāk tuvu Tc0.
No 3.b attēla var atšķirt trīs kritiskās temperatūras: Tcp, virs kuras YBCO kļūst nevadošs; Tc0, pie kuras gan Voc, gan Isc kļūst par nulli, un Tc ir YBCO sākotnējā supravadošās pārejas temperatūra bez lāzera apstarošanas. Zem Tcp ~ 55 K lāzera apstarotais YBCO atrodas supravadošā stāvoklī ar relatīvi augstu Kūpera pāru koncentrāciju. Lāzera apstarošanas efekts ir samazināt nulles pretestības supravadošās pārejas temperatūru no 89 K līdz ~55 K (3.b attēla apakšdaļa), samazinot Kūpera pāru koncentrāciju papildus fotoelektriskā sprieguma un strāvas radīšanai. Pieaugot temperatūrai, Kūpera pāri arī sadalās, kā rezultātā saskarnē samazinās potenciāls. Līdz ar to Voc absolūtā vērtība samazināsies, lai gan tiek pielietota tāda pati lāzera apgaismojuma intensitāte. Saskarnes potenciāls samazināsies un samazināsies, palielinoties temperatūrai, un sasniedz nulli pie Tc0. Šajā īpašajā punktā nav fotoelektriskā efekta, jo nav iekšējā lauka, kas atdalītu fotoinducētos elektronu-caurumu pārus. Virs šīs kritiskās temperatūras notiek potenciāla polaritātes maiņa, jo brīvā lādiņa blīvums Ag pastā ir lielāks nekā YBCO, kas pakāpeniski tiek pārnests atpakaļ uz p-tipa materiālu. Šeit mēs vēlamies uzsvērt, ka Voc un Isc polaritātes maiņa notiek tūlīt pēc nulles pretestības supravadošās pārejas neatkarīgi no pārejas cēloņa. Šis novērojums pirmo reizi skaidri atklāj korelāciju starp supravadītspēju un fotoelektriskajiem efektiem, kas saistīti ar metāla-supravadītāja saskarnes potenciālu. Šī potenciāla daba pāri supravadītāja-normālajam metāla saskarnei ir bijusi pētījumu uzmanības centrā pēdējās desmitgadēs, taču joprojām ir daudz jautājumu, uz kuriem nav atbildes. Fotoelektriskā efekta mērīšana varētu izrādīties efektīva metode, lai izpētītu šī svarīgā potenciāla detaļas (piemēram, tā stiprumu un polaritāti utt.) un tādējādi izgaismotu augstas temperatūras supravadošā tuvuma efektu.
Turpmāka temperatūras paaugstināšanās no Tc0 līdz Tc noved pie mazākas Kūpera pāru koncentrācijas un saskarnes potenciāla palielināšanās, un līdz ar to lielāka Voc. Pie Tc Kūpera pāru koncentrācija kļūst par nulli, un iebūvētais potenciāls saskarnē sasniedz maksimumu, kā rezultātā rodas maksimālais Voc un minimālais Isc. Straujais Voc un Isc (absolūtās vērtības) pieaugums šajā temperatūras diapazonā atbilst supravadīšanas pārejai, kas tiek paplašināta no ΔT ~ 3 K līdz ~ 34 K ar lāzera apstarošanu ar intensitāti 502 mW/cm2 (3.b att.). Normālos stāvokļos virs Tc atvērtās ķēdes spriegums Voc samazinās līdz ar temperatūru (3.b attēla augšdaļa), līdzīgi Voc lineārajai uzvedībai parastām saules baterijām, kuru pamatā ir pn pārejas 31,32,33. Lai gan Voc izmaiņas ātrums atkarībā no temperatūras (−dVoc/dT), kas ir ļoti atkarīgs no lāzera intensitātes, ir daudz mazāks nekā parastajām saules baterijām, Voc temperatūras koeficients YBCO-Ag savienojumam ir tādā pašā lieluma kārtā kā saules baterijām. Parastas saules baterijas ierīces pn pārejas noplūdes strāva palielinās, palielinoties temperatūrai, kā rezultātā samazinās Voc, palielinoties temperatūrai. Šīs Ag-supravadītāja sistēmas lineārās IV līknes, pirmkārt, ļoti mazā saskarnes potenciāla un, otrkārt, abu heterosavienojumu savstarpējā savienojuma dēļ, apgrūtina noplūdes strāvas noteikšanu. Tomēr šķiet ļoti ticams, ka tā pati noplūdes strāvas temperatūras atkarība ir atbildīga par mūsu eksperimentā novēroto Voc uzvedību. Saskaņā ar definīciju Isc ir strāva, kas nepieciešama, lai radītu negatīvu spriegumu, kas kompensē Voc, lai kopējais spriegums būtu nulle. Pieaugot temperatūrai, Voc samazinās, tāpēc negatīvā sprieguma radīšanai ir nepieciešams mazāks strāvas stiprums. Turklāt YBCO pretestība lineāri palielinās līdz ar temperatūru virs Tc (3.b attēla apakšdaļa), kas arī veicina mazāku Isc absolūto vērtību augstās temperatūrās.
Ņemiet vērā, ka 2. un 3. attēlā redzamie rezultāti ir iegūti, apstarojot ar lāzeru apgabalā ap katoda elektrodiem. Mērījumi ir atkārtoti arī ar lāzera punktu, kas novietots pie anoda, un ir novērotas līdzīgas IV raksturlielumi un fotoelektriskās īpašības, izņemot to, ka šajā gadījumā Voc un Isc polaritāte ir apgriezta. Visi šie dati ļauj secināt fotoelektriskā efekta mehānismu, kas ir cieši saistīts ar supravadītāja un metāla saskarni.
Rezumējot, lāzera apstarotas supravadošas YBCO-Ag pastas sistēmas IV raksturlielumi ir izmērīti kā temperatūras un lāzera intensitātes funkcijas. Ievērojams fotoelektriskais efekts ir novērots temperatūras diapazonā no 50 līdz 300 K. Ir konstatēts, ka fotoelektriskās īpašības ir cieši saistītas ar YBCO keramikas supravadītspēju. Voc un Isc polaritātes maiņa notiek tūlīt pēc fotoinducētas supravadošas pārejas uz nesupravadošu stāvokli. Voc un Isc temperatūras atkarība, kas izmērīta pie fiksētas lāzera intensitātes, parāda arī izteiktu polaritātes maiņu kritiskā temperatūrā, virs kuras paraugs kļūst rezistīvs. Novietojot lāzera punktu uz citu parauga daļu, mēs parādām, ka visā saskarnē pastāv elektriskais potenciāls, kas nodrošina atdalīšanas spēku fotoinducētajiem elektronu-caurumu pāriem. Šis saskarnes potenciāls virzās no YBCO uz metāla elektrodu, kad YBCO ir supravadošs, un pārslēdzas pretējā virzienā, kad paraugs kļūst nevadošs. Potenciāla izcelsme varētu būt dabiski saistīta ar tuvuma efektu metāla un supravadītāja saskarnē, kad YBCO ir supravadošs, un tiek lēsts, ka tas ir ~10−8 mV pie 50 K ar lāzera intensitāti 502 mW/cm2. P-tipa materiāla YBCO saskare normālā stāvoklī ar n-tipa materiālu Ag-pastu veido kvazi-pn pāreju, kas ir atbildīga par YBCO keramikas fotoelektrisko uzvedību augstās temperatūrās. Iepriekš minētie novērojumi izgaismo PV efektu augstas temperatūras supravadošā YBCO keramikā un paver ceļu jauniem pielietojumiem optoelektroniskās ierīcēs, piemēram, ātrās pasīvās gaismas detektorā un viena fotona detektorā.
Fotoelektriskā efekta eksperimenti tika veikti ar YBCO keramikas paraugu ar biezumu 0,52 mm un izmēru 8,64 × 2,26 mm2 taisnstūra formā, kas tika apgaismots ar nepārtrauktas darbības viļņa zilo lāzeru (λ = 450 nm) ar lāzera punkta izmēru 1,25 mm rādiusā. Izmantojot masas, nevis plānas plēves paraugu, mēs varam pētīt supravadītāja fotoelektriskās īpašības, neņemot vērā substrāta sarežģīto ietekmi6,7. Turklāt masas materiāls varētu būt piemērots tā vienkāršai sagatavošanas procedūrai un relatīvi zemām izmaksām. Vara svina vadi ir savienoti uz YBCO parauga ar sudraba pastu, veidojot četrus apaļus elektrodus aptuveni 1 mm diametrā. Attālums starp diviem sprieguma elektrodiem ir aptuveni 5 mm. Parauga IV raksturlielumi tika mērīti, izmantojot vibrācijas parauga magnetometru (VersaLab, Quantum Design) ar kvarca kristāla logu. IV līkņu iegūšanai tika izmantota standarta četru vadu metode. Elektrodu un lāzera punkta relatīvās pozīcijas ir parādītas 1.i attēlā.
Kā citēt šo rakstu: Yang, F. et al. Fotoelektriskā efekta izcelsme supravadošā YBa2Cu3O6.96 keramikā. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG un Testardi, LR. Simetrijas aizliegti lāzera inducēti spriegumi YBa2Cu3O7 vielā. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kvoks, HS, Džens, DžP un Duns, S. Y. Anomālā fotoelektriskā signāla izcelsme Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Vangs, LP, Lins, Dž. L., Fens, K. R. un Vangs, G. V. Lāzera inducēto spriegumu mērīšana supravadošam Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Teits, KL u. c. Pārejoši lāzera inducēti spriegumi istabas temperatūras YBa2Cu3O7-x plēvēs. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kvoks, HS un Džens, Dž. P. Anomāla fotoelektriskā reakcija YBa2Cu3O7 vielā. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. un Hiroi, Z. Fotoģenerētas caurumu nesēju injekcijas YBa2Cu3O7−x oksīda heterostruktūrā. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. u.c. YBa2Cu3Oy plāno kārtiņu fotoemisijas pētījums gaismas apgaismojumā. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterosavienojuma fotoelektriskais efekts, atkvēlinot to dažādos skābekļa parciālajos spiedienos. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminovs, BA u.c. Divu spraugu struktūra Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristālos. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanovs, VV, Demsars, J., Podobņiks, B. un Mihailovičs, D. Kvazidaļiņu relaksācijas dinamika supravadītājos ar dažādām spraugu struktūrām: teorija un eksperimenti ar YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Suns, Dž. R., Siongs, K. M., Džans, J. Z. un Šens, B. G. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterosavienojuma rektificējošās īpašības. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL un Tanner, DB. Eksitoniskā absorbcija un supravadītspēja YBa2Cu3O7-δ vielā. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Ju, G., Hīgers, A. Dž. un Stakijs, G. Pārejoša fotoinducēta vadītspēja YBa2Cu3O6.3 pusvadošos monokristālos: fotoinducēta metāliska stāvokļa un fotoinducētas supravadītspējas meklējumi. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
Makmilans, V. L. Supravadošā tuvuma efekta tunelēšanas modelis. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Gerons, S. u.c. Supravadoša tuvuma efekta pārbaude mezoskopiskā garuma skalā. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. un Manske, D. Tuvuma efekts ar necentrosimetriskām supravadītājām. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Spēcīgs supravadoša tuvuma efekts Pb-Bi2Te3 hibrīdstruktūrās. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Čapins, D. M., Fullers, K. S. un Pīrsons, Dž. L. Jauns silīcija pn pārejas fotoelements saules starojuma pārveidošanai elektriskajā enerģijā. J. App. Phys. 25, 676.–677. lpp. (1954).
Tomimoto, K. Piemaisījumu ietekme uz supravadošās koherences garumu Zn vai Ni leģētos YBa2Cu3O6.9 monokristālos. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. un Segawa, K. Nedvīņu YBa2Cu3Oy monokristālu magnētiskā pretestība plašā dopinga diapazonā: anomāla caurumu dopinga atkarība no koherences garuma. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, S. D. un Kūpers, Dž. R. Augstas temperatūras oksīdu termoelektriskās jaudas sistemātika. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. u.c. No nesēju blīvuma atkarīgā koherentā pīķa un LO fononu režīma impulsa nobīde p-tipa augsta Tc supravadītājos. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Caurumu reducēšana un elektronu uzkrāšanās YBa2Cu3Oy plānajās kārtiņās, izmantojot elektroķīmisko metodi: pierādījumi n-tipa metāliska stāvokļa esamībai. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT. Šotkija barjeras augstuma fizika un ķīmija. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. un Langenberg, DN, Dinamiskas ārējo pāru pārraušanas ietekme uz supravadošām plēvēm. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. u.c. Fotoinducēta supravadītspējas pastiprināšana. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinovs, VI u. c. Noturīga fotovadītspēja YBa2Cu3O6+x plēvēs kā fotodopinga metode metālisko un supravadošo fāžu virzienā. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Nelineāra režģa dinamika kā pamats uzlabotai supravadītspējai YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. u.c. Gaismas inducēta supravadītspēja svītraini sakārtotā kuprātā. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK un Al-Nuaim, IA. Saules baterijas gaistošo organisko savienojumu (GOS) temperatūras funkcionālā atkarība saistībā ar tās efektivitāti, izmantojot jaunu pieeju. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernons, SM un Andersons, WA. Temperatūras ietekme uz Šotkija barjeras silīcija saules baterijām. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. un Tuladhar, SM. Polimēru-fullerēna saules bateriju fotoelektrisko ierīču parametru temperatūras atkarība darbības apstākļos. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Šo darbu ir atbalstījis Ķīnas Nacionālais dabaszinātņu fonds (dotācijas Nr. 60571063) un Henanas provinces fundamentālo pētījumu projekti Ķīnā (dotācijas Nr. 122300410231).
FY uzrakstīja raksta tekstu, un MYH sagatavoja YBCO keramikas paraugu. FY un MYH veica eksperimentu un analizēja rezultātus. FGC vadīja projektu un datu zinātnisko interpretāciju. Visi autori pārskatīja manuskriptu.
Šis darbs ir licencēts saskaņā ar Creative Commons Attribution 4.0 starptautisko licenci. Šajā rakstā iekļautie attēli vai citi trešo pušu materiāli ir iekļauti raksta Creative Commons licencē, ja vien autora norādījumā nav norādīts citādi; ja materiāls nav iekļauts Creative Commons licencē, lietotājiem būs jāsaņem licences turētāja atļauja materiāla reproducēšanai. Lai skatītu šīs licences kopiju, apmeklējiet vietni http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. un Chang, F. Fotoelektriskā efekta izcelsme supravadošā YBa2Cu3O6.96 keramikā. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Iesniedzot komentāru, jūs piekrītat ievērot mūsu noteikumus un kopienas vadlīnijas. Ja atrodat kaut ko aizskarošu vai neatbilstošu mūsu noteikumiem vai vadlīnijām, lūdzu, atzīmējiet to kā nepiedienīgu.
Publicēšanas laiks: 2020. gada 22. aprīlis