Bedankt voor uw bezoek aan nature.com. U gebruikt een browserversie met beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een recentere browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te kunnen voortzetten, tonen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript.
We rapporteren een opmerkelijk fotovoltaïsch effect in YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramiek tussen 50 en 300 K, geïnduceerd door belichting met een blauwe laser. Dit effect is direct gerelateerd aan de supergeleiding van YBCO en de YBCO-metaalelektrode-interface. Er is een polariteitsomkering voor de openklemspanning Voc en de kortsluitstroom Isc wanneer YBCO een overgang ondergaat van supergeleidende naar resistieve toestand. We tonen aan dat er een elektrisch potentiaal bestaat over de supergeleider-normale metaalinterface, wat zorgt voor de scheidingskracht voor de foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Dit interfacepotentiaal loopt van YBCO naar de metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en schakelt over naar de tegenovergestelde richting wanneer YBCO niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van het potentiaal kan eenvoudig worden geassocieerd met het nabijheidseffect aan de metaal-supergeleiderinterface wanneer YBCO supergeleidend is. De waarde ervan wordt geschat op ~10–8 mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm². De combinatie van een p-type YBCO-materiaal in normale toestand met een n-type Ag-pasta vormt een quasi-pn-overgang die verantwoordelijk is voor het fotovoltaïsche gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. Onze bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe toepassingen van foton-elektronische apparaten en meer inzicht verschaffen in het nabijheidseffect aan de supergeleider-metaalinterface.
Foto-geïnduceerde spanning in hogetemperatuursupergeleiders is al sinds begin jaren negentig bekend en sindsdien uitgebreid onderzocht, maar de aard en het mechanisme ervan blijven onduidelijk1,2,3,4,5. Dunne YBa2Cu3O7-δ (YBCO)-films6,7,8 worden met name intensief bestudeerd in de vorm van fotovoltaïsche (PV) cellen vanwege de instelbare energiekloof9,10,11,12,13. De hoge weerstand van het substraat leidt echter altijd tot een lage conversie-efficiëntie van het apparaat en maskeert de primaire PV-eigenschappen van YBCO8. Hier rapporteren we een opmerkelijk fotovoltaïsch effect, geïnduceerd door belichting met een blauwe laser (λ = 450 nm) in YBa2Cu3O6.96 (YBCO)-keramiek tussen 50 en 300 K (Tc ~ 90 K). We laten zien dat het PV-effect direct verband houdt met de supergeleiding van YBCO en de aard van de YBCO-metaalelektrode-interface. Er is sprake van een polariteitsomkering voor de openklemspanning Voc en kortsluitstroom Isc wanneer YBCO een overgang ondergaat van de supergeleidende fase naar een resistieve toestand. Er wordt verondersteld dat er een elektrisch potentiaal bestaat over het grensvlak tussen de supergeleider en het normale metaal, wat zorgt voor de scheidingskracht voor de foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Dit grensvlakpotentiaal loopt van YBCO naar de metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en schakelt over naar de tegenovergestelde richting wanneer het monster niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van het potentiaal kan van nature samenhangen met het nabijheidseffect14,15,16,17 aan het grensvlak tussen het metaal en de supergeleider wanneer YBCO supergeleidend is. De waarde ervan wordt geschat op ~10−8 mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm². De combinatie van een p-type YBCO-materiaal in normale toestand met een n-type Ag-pasta vormt hoogstwaarschijnlijk een quasi-pn-overgang die verantwoordelijk is voor het PV-gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. Onze observaties werpen meer licht op de oorsprong van het PV-effect in hogetemperatuur-supergeleidende YBCO-keramiek en maken de weg vrij voor de toepassing ervan in opto-elektronische apparaten zoals snelle passieve lichtdetectoren, etc.
Figuur 1a–c toont de IV-karakteristieken van een YBCO-keramisch monster bij 50 K. Zonder belichting blijft de spanning over het monster nul bij een veranderende stroomsterkte, zoals te verwachten is van een supergeleidend materiaal. Er treedt een duidelijk fotovoltaïsch effect op wanneer de laserstraal op de kathode wordt gericht (Fig. 1a): de IV-curves parallel aan de I-as bewegen omlaag met toenemende laserintensiteit. Het is duidelijk dat er zelfs zonder stroom een negatieve foto-geïnduceerde spanning is (vaak open circuit voltage Voc genoemd). De nulhelling van de IV-curve geeft aan dat het monster nog steeds supergeleidend is onder laserbelichting.
(a–c) en 300 K (e–g). Waarden van V(I) werden verkregen door de stroom van -10 mA naar +10 mA in vacuüm te laten lopen. Slechts een deel van de experimentele gegevens wordt ter verduidelijking gepresenteerd. a, Stroom-spanningskarakteristieken van YBCO gemeten met een laserspot gepositioneerd bij de kathode (i). Alle IV-curven zijn horizontale rechte lijnen die aangeven dat het monster nog steeds supergeleidend is met laserbestraling. De curve beweegt omlaag met toenemende laserintensiteit, wat aangeeft dat er een negatief potentiaal (Voc) bestaat tussen de twee spanningsdraden, zelfs bij nulstroom. De IV-curven blijven onveranderd wanneer de laser op het midden van het monster wordt gericht bij 50 K (b) of 300 K (f). De horizontale lijn beweegt omhoog als de anode wordt belicht (c). Een schematisch model van de metaal-supergeleiderovergang bij 50 K wordt getoond in d. Stroom-spanningskarakteristieken van YBCO in normale toestand bij 300 K, gemeten met een laserstraal gericht op de kathode en anode, worden respectievelijk weergegeven in e en g. In tegenstelling tot de resultaten bij 50 K, geeft een helling van de rechte lijnen (niet nul) aan dat YBCO zich in normale toestand bevindt; de waarden van Voc variëren met de lichtintensiteit in een tegengestelde richting, wat wijst op een ander ladingsscheidingsmechanisme. Een mogelijke interfacestructuur bij 300 K wordt weergegeven in hj. De werkelijke afbeelding van het monster met de meetsnoeren.
Zuurstofrijk YBCO in supergeleidende toestand kan dankzij zijn zeer kleine energiekloof (Eg)9,10 bijna het volledige spectrum aan zonlicht absorberen, waardoor elektron-gatparen (e–h) ontstaan. Om een open circuit spanning Voc te produceren door absorptie van fotonen, is het noodzakelijk om fotogegenereerde eh-paren ruimtelijk te scheiden voordat recombinatie plaatsvindt18. De negatieve Voc, ten opzichte van de kathode en anode, zoals aangegeven in Fig. 1i, suggereert dat er een elektrisch potentiaal bestaat over het grensvlak tussen metaal en supergeleider, dat de elektronen naar de anode en de gaten naar de kathode voert. Als dit het geval is, zou er ook een potentiaal moeten zijn die van de supergeleider naar de metaalelektrode bij de anode wijst. Bijgevolg zou een positieve Voc worden verkregen als het monstergebied nabij de anode wordt belicht. Bovendien zouden er geen foto-geïnduceerde spanningen mogen zijn wanneer de laserstraal naar gebieden ver van de elektroden wordt gericht. Dit is zeker het geval, zoals te zien is in Fig. 1b,c!.
Wanneer de lichtvlek van de kathode-elektrode naar het midden van het monster beweegt (ongeveer 1,25 mm van de grensvlakken), is er geen variatie in de IV-curven en geen Voc waar te nemen bij toenemende laserintensiteit tot de maximaal beschikbare waarde (Fig. 1b). Dit resultaat kan uiteraard worden toegeschreven aan de beperkte levensduur van foto-geïnduceerde dragers en het gebrek aan scheidingskracht in het monster. Elektron-gatparen kunnen worden gecreëerd wanneer het monster wordt belicht, maar de meeste e-h-paren zullen worden vernietigd en er wordt geen fotovoltaïsch effect waargenomen als de laservlek op gebieden valt die ver van de elektroden verwijderd zijn. Door de laservlek naar de anode-elektroden te verplaatsen, bewegen de IV-curven parallel aan de I-as omhoog met toenemende laserintensiteit (Fig. 1c). Een soortgelijk ingebouwd elektrisch veld bestaat in de metaal-supergeleiderverbinding bij de anode. De metalen elektrode is dit keer echter verbonden met de positieve pool van het testsysteem. De door de laser geproduceerde gaten worden naar de anode geleid, waardoor een positieve Voc wordt waargenomen. De hier gepresenteerde resultaten leveren sterk bewijs dat er inderdaad een grensvlakpotentiaal bestaat die van de supergeleider naar de metalen elektrode wijst.
Het fotovoltaïsche effect in YBa2Cu3O6.96-keramiek bij 300 K wordt getoond in Fig. 1e–g. Zonder belichting met licht is de IV-curve van het monster een rechte lijn die de oorsprong kruist. Deze rechte lijn beweegt parallel aan de oorspronkelijke lijn omhoog met toenemende laserintensiteit die op de kathode-aansluitingen schijnt (Fig. 1e). Er zijn twee grensgevallen van belang voor een fotovoltaïsch apparaat. De kortsluittoestand treedt op wanneer V = 0. De stroom wordt in dit geval de kortsluitstroom (Isc) genoemd. Het tweede grensgeval is de open circuit-toestand (Voc), die optreedt wanneer R→∞ of de stroom nul is. Figuur 1e laat duidelijk zien dat Voc positief is en toeneemt met toenemende lichtintensiteit, in tegenstelling tot het resultaat verkregen bij 50 K; terwijl een negatieve Isc in grootte toeneemt met belichting met licht, een typisch gedrag van normale zonnecellen.
Evenzo is de V(I)-curve onafhankelijk van de laserintensiteit wanneer de laserstraal op gebieden ver van de elektroden wordt gericht en treedt er geen fotovoltaïsch effect op (Fig. 1f). Net als bij de meting bij 50 K bewegen de IV-curven in de tegenovergestelde richting wanneer de anode-elektrode wordt bestraald (Fig. 1g). Al deze resultaten, verkregen voor dit YBCO-Ag-pastasysteem bij 300 K met laserbestraling op verschillende posities van het monster, komen overeen met een grensvlakpotentiaal die tegengesteld is aan die waargenomen bij 50 K.
De meeste elektronen condenseren in Cooperparen in supergeleidend YBCO onder de overgangstemperatuur Tc. In de metaalelektrode blijven alle elektronen in singuliere vorm. Er is een grote dichtheidsgradiënt voor zowel singuliere elektronen als Cooperparen in de buurt van het metaal-supergeleider-grensvlak. Sinuliere elektronen van de meerderheidsdragers in metallisch materiaal zullen diffunderen in het supergeleidergebied, terwijl Cooperparen van de meerderheidsdragers in het YBCO-gebied zullen diffunderen in het metaalgebied. Omdat Cooperparen die meer ladingen dragen en een grotere mobiliteit hebben dan singuliere elektronen van YBCO naar het metaalgebied diffunderen, blijven positief geladen atomen achter, wat resulteert in een elektrisch veld in het ruimteladingsgebied. De richting van dit elektrische veld is weergegeven in het schematische diagram Fig. 1d. Invallende fotonenbelichting nabij het ruimteladingsgebied kan eh-paren creëren die worden gescheiden en weggevaagd, waardoor een fotostroom in de sperrichting ontstaat. Zodra de elektronen het ingebouwde elektrische veld verlaten, condenseren ze in paren en stromen ze zonder weerstand naar de andere elektrode. In dit geval is de Voc tegengesteld aan de vooraf ingestelde polariteit en vertoont een negatieve waarde wanneer de laserstraal naar het gebied rond de negatieve elektrode wijst. Uit de waarde van Voc kan de potentiaal over het grensvlak worden geschat: de afstand tussen de twee spanningsdraden d is ~5 × 10−3 m, de dikte van het grensvlak tussen metaal en supergeleider, di, moet van dezelfde grootteorde zijn als de coherentielengte van de YBCO-supergeleider (~1 nm)19,20, neem de waarde van Voc = 0,03 mV, de potentiaal Vms aan het grensvlak tussen metaal en supergeleider wordt geschat op ~10−11 V bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm², met behulp van de vergelijking:
We willen hier benadrukken dat de foto-geïnduceerde spanning niet kan worden verklaard door het fotothermische effect. Experimenteel is vastgesteld dat de Seebeck-coëfficiënt van supergeleider YBCO Ss = 021 is. De Seebeck-coëfficiënt voor koperen aansluitdraden ligt in het bereik van SCu = 0,34–1,15 μV/K3. De temperatuur van de koperdraad ter hoogte van de laserspot kan met een kleine hoeveelheid van 0,06 K worden verhoogd, met een maximale laserintensiteit van 50 K. Dit zou een thermo-elektrisch potentiaal van 6,9 × 10−8 V kunnen opleveren, wat drie ordes van grootte kleiner is dan de Voc verkregen in Fig. 1 (a). Het is duidelijk dat het thermo-elektrische effect te klein is om de experimentele resultaten te verklaren. Sterker nog, de temperatuurvariatie als gevolg van laserbestraling zou binnen een minuut verdwijnen, zodat de bijdrage van het thermische effect veilig kan worden genegeerd.
Dit fotovoltaïsche effect van YBCO bij kamertemperatuur laat zien dat hier een ander mechanisme voor ladingsscheiding een rol speelt. Supergeleidend YBCO is in normale toestand een p-type materiaal met gaten als ladingsdrager22,23, terwijl metallische Ag-pasta kenmerken heeft van een n-type materiaal. Net als bij pn-overgangen zal de diffusie van elektronen in de zilverpasta en gaten in YBCO-keramiek een intern elektrisch veld vormen dat naar het YBCO-keramiek aan het grensvlak wijst (Fig. 1h). Het is dit interne veld dat de scheidingskracht levert en leidt tot een positieve Voc en negatieve Isc voor het YBCO-Ag-pastasysteem bij kamertemperatuur, zoals weergegeven in Fig. 1e. Als alternatief zou Ag-YBCO een p-type Schottky-overgang kunnen vormen, wat eveneens leidt tot een grensvlakpotentiaal met dezelfde polariteit als in het bovenstaande model24.
Om het gedetailleerde evolutieproces van de fotovoltaïsche eigenschappen tijdens de supergeleidende overgang van YBCO te onderzoeken, werden IV-curven van het monster bij 80 K gemeten met geselecteerde laserintensiteiten die de kathode-elektrode belichten (Fig. 2). Zonder laserbestraling blijft de spanning over het monster, ongeacht de stroomsterkte, nul, wat de supergeleidende toestand van het monster bij 80 K aangeeft (Fig. 2a). Net als bij de gegevens verkregen bij 50 K, bewegen IV-curven parallel aan de I-as naar beneden met toenemende laserintensiteit tot een kritische waarde Pc is bereikt. Boven deze kritische laserintensiteit (Pc) ondergaat de supergeleider een overgang van een supergeleidende fase naar een resistieve fase; de spanning begint toe te nemen met de stroomsterkte als gevolg van het ontstaan van weerstand in de supergeleider. Hierdoor begint de IV-curve de I-as en V-as te kruisen, wat aanvankelijk leidt tot een negatieve Voc en een positieve Isc. Het monster lijkt zich nu in een bijzondere toestand te bevinden, waarbij de polariteit van Voc en Isc extreem gevoelig is voor de lichtintensiteit. Bij een zeer kleine toename in de lichtintensiteit verandert Isc van positief naar negatief en Voc van negatief naar positief, waarbij de oorsprong wordt gepasseerd (de hoge gevoeligheid van fotovoltaïsche eigenschappen, met name de waarde van Isc, voor lichtinval is duidelijker te zien in figuur 2b). Bij de hoogst beschikbare laserintensiteit lijken de IV-curven parallel aan elkaar te lopen, wat de normale toestand van het YBCO-monster aangeeft.
Het laserpuntcentrum bevindt zich rond de kathode-elektroden (zie Fig. 1i). a, IV-curven van YBCO bestraald met verschillende laserintensiteiten. b (boven), Laserintensiteitsafhankelijkheid van de openklemspanning Voc en kortsluitstroom Isc. De Isc-waarden kunnen niet worden verkregen bij een lage lichtintensiteit (< 110 mW/cm²) omdat de IV-curven parallel aan de I-as lopen wanneer het monster zich in supergeleidende toestand bevindt. b (onder), Differentiële weerstand als functie van de laserintensiteit.
De laserintensiteitsafhankelijkheid van Voc en Isc bij 80 K wordt weergegeven in Fig. 2b (boven). De fotovoltaïsche eigenschappen kunnen worden besproken in drie lichtintensiteitsgebieden. Het eerste gebied ligt tussen 0 en Pc, waarin YBCO supergeleidend is, Voc negatief is en afneemt (de absolute waarde neemt toe) met de lichtintensiteit en een minimum bereikt bij Pc. Het tweede gebied loopt van Pc tot een andere kritische intensiteit P0, waarin Voc toeneemt terwijl Isc afneemt met toenemende lichtintensiteit en beide nul bereiken bij P0. Het derde gebied ligt boven P0 totdat de normale toestand van YBCO is bereikt. Hoewel zowel Voc als Isc variëren met de lichtintensiteit op dezelfde manier als in gebied 2, hebben ze een tegengestelde polariteit boven de kritische intensiteit P0. Het belang van P0 ligt in het feit dat er geen fotovoltaïsch effect is en het ladingsscheidingsmechanisme op dit specifieke punt kwalitatief verandert. Het YBCO-monster wordt niet-supergeleidend in dit lichtintensiteitsbereik, maar de normale toestand moet nog worden bereikt.
Het is duidelijk dat de fotovoltaïsche eigenschappen van het systeem nauw verband houden met de supergeleiding van YBCO en zijn supergeleidende overgang. De differentiële weerstand, dV/dI, van YBCO wordt weergegeven in Fig. 2b (onder) als functie van de laserintensiteit. Zoals eerder vermeld, richt de ingebouwde elektrische potentiaal in het grensvlak zich, dankzij Cooper-paardiffusiepunten, van de supergeleider naar het metaal. Net als bij 50 K wordt het fotovoltaïsche effect versterkt bij een toenemende laserintensiteit van 0 naar Pc. Wanneer de laserintensiteit een waarde iets boven Pc bereikt, begint de IV-curve te kantelen en begint de weerstand van het monster zichtbaar te worden, maar verandert de polariteit van het grensvlakpotentiaal nog niet. Het effect van optische excitatie op de supergeleiding is onderzocht in het zichtbare of nabij-infrarode gebied. Hoewel het basisproces bestaat uit het verbreken van de Cooperparen en het vernietigen van de supergeleiding25,26, kan de overgang naar supergeleiding in sommige gevallen worden versterkt27,28,29, en kunnen zelfs nieuwe fasen van supergeleiding worden geïnduceerd30. De afwezigheid van supergeleiding bij Pc kan worden toegeschreven aan de foto-geïnduceerde breuk van het paar. Op het punt P0 wordt de potentiaal over het grensvlak nul, wat aangeeft dat de ladingsdichtheid aan beide zijden van het grensvlak hetzelfde niveau bereikt bij deze specifieke lichtintensiteit. Een verdere toename van de laserintensiteit resulteert in de vernietiging van meer Cooperparen en YBCO wordt geleidelijk terug getransformeerd naar een p-type materiaal. In plaats van elektronen- en Cooperpaardiffusie wordt de eigenschap van het grensvlak nu bepaald door elektronen- en gatdiffusie, wat leidt tot een polariteitsomkering van het elektrische veld in het grensvlak en bijgevolg een positieve Voc (vergelijk Fig. 1d,h). Bij zeer hoge laserintensiteit verzadigt de differentiële weerstand van YBCO tot een waarde die overeenkomt met de normale toestand, en zowel Voc als Isc variëren lineair met de laserintensiteit (Fig. 2b). Deze observatie laat zien dat laserbestraling op YBCO in normale toestand de soortelijke weerstand en de eigenschappen van de supergeleider-metaalinterface niet langer verandert, maar alleen de concentratie van elektron-gatparen verhoogt.
Om het effect van temperatuur op de fotovoltaïsche eigenschappen te onderzoeken, werd het metaal-supergeleidersysteem aan de kathode bestraald met een blauwe laser met een intensiteit van 502 mW/cm². IV-curven verkregen bij geselecteerde temperaturen tussen 50 en 300 K zijn weergegeven in figuur 3a. De openklemspanning Voc, kortsluitstroom Isc en de differentiële weerstand kunnen vervolgens uit deze IV-curven worden verkregen en worden weergegeven in figuur 3b. Zonder belichting passeren alle bij verschillende temperaturen gemeten IV-curven de oorsprong zoals verwacht (inzet van figuur 3a). De IV-karakteristieken veranderen drastisch met toenemende temperatuur wanneer het systeem wordt belicht met een relatief sterke laserstraal (502 mW/cm²). Bij lage temperaturen zijn de IV-curven rechte lijnen parallel aan de I-as met negatieve waarden voor Voc. Deze curve beweegt omhoog met toenemende temperatuur en verandert geleidelijk in een lijn met een helling ongelijk aan nul bij een kritische temperatuur Tcp (figuur 3a (boven)). Het lijkt erop dat alle IV-karakteristieken rond een punt in het derde kwadrant roteren. Voc neemt toe van een negatieve waarde naar een positieve waarde, terwijl Isc afneemt van een positieve naar een negatieve waarde. Boven de oorspronkelijke supergeleidende overgangstemperatuur Tc van YBCO verandert de IV-curve nogal verschillend met de temperatuur (onder in Fig. 3a). Ten eerste verplaatst het rotatiecentrum van de IV-curven zich naar het eerste kwadrant. Ten tweede blijft Voc afnemen en Isc toenemen met toenemende temperatuur (boven in Fig. 3b). Ten derde neemt de helling van de IV-curven lineair toe met de temperatuur, wat resulteert in een positieve temperatuurcoëfficiënt van de weerstand voor YBCO (onder in Fig. 3b).
Temperatuurafhankelijkheid van fotovoltaïsche eigenschappen voor het YBCO-Ag-pastasysteem onder 502 mW/cm2 laserbelichting.
Het laserpuntcentrum is rond de kathode-elektroden gepositioneerd (zie Fig. 1i). a, IV-curven verkregen van 50 tot 90 K (boven) en van 100 tot 300 K (onder) met een temperatuurtoename van respectievelijk 5 K en 20 K. Inzet a toont de IV-karakteristieken bij verschillende temperaturen in het donker. Alle curven kruisen het oorsprongspunt. b, openklemspanning Voc en kortsluitstroom Isc (boven) en de differentiële weerstand, dV/dI, van YBCO (onder) als functie van de temperatuur. De nulweerstand van de supergeleidende overgangstemperatuur Tcp is niet gegeven omdat deze te dicht bij Tc0 ligt.
Drie kritische temperaturen zijn te herkennen in Fig. 3b: Tcp, waarboven YBCO niet-supergeleidend wordt; Tc0, waarbij zowel Voc als Isc nul worden en Tc, de oorspronkelijke onset supergeleidende overgangstemperatuur van YBCO zonder laserbestraling. Beneden Tcp ~ 55 K, bevindt de met laser bestraalde YBCO zich in een supergeleidende toestand met een relatief hoge concentratie Cooperparen. Het effect van laserbestraling is dat de supergeleidende overgangstemperatuur met nulweerstand wordt verlaagd van 89 K naar ~ 55 K (onderaan Fig. 3b) door de concentratie van Cooperparen te verlagen en daarnaast fotovoltaïsche spanning en stroom te produceren. Toenemende temperatuur breekt ook de Cooperparen af, wat leidt tot een lagere potentiaal in het grensvlak. Bijgevolg zal de absolute waarde van Voc kleiner worden, hoewel dezelfde intensiteit van laserbestraling wordt toegepast. Het grensvlakpotentiaal zal steeds kleiner worden bij verdere temperatuurstijging en bereikt nul bij Tc0. Er is geen fotovoltaïsch effect op dit speciale punt, omdat er geen intern veld is om de foto-geïnduceerde elektron-gatparen te scheiden. Een polariteitsomkering van het potentiaal vindt plaats boven deze kritische temperatuur, omdat de vrije ladingsdichtheid in aluminiumpasta groter is dan die in YBCO, dat geleidelijk terugkeert naar een p-type materiaal. We willen hier benadrukken dat de polariteitsomkering van Voc en Isc direct na de overgang van supergeleidende deeltjes naar nulweerstand plaatsvindt, ongeacht de oorzaak van de overgang. Deze observatie onthult voor het eerst duidelijk de correlatie tussen supergeleiding en de fotovoltaïsche effecten die verband houden met het potentiaal van het metaal-supergeleiderinterface. De aard van dit potentiaal over het grensvlak tussen supergeleider en normaal metaal is de afgelopen decennia een onderzoeksfocus geweest, maar er zijn nog veel vragen die beantwoord moeten worden. Meting van het fotovoltaïsche effect kan een effectieve methode blijken te zijn om de details (zoals de sterkte en polariteit, enz.) van dit belangrijke potentiaal te onderzoeken en zo licht te werpen op het nabijheidseffect van supergeleidende deeltjes bij hoge temperaturen.
Een verdere temperatuurstijging van Tc0 naar Tc leidt tot een kleinere concentratie Cooperparen en een verhoging van het grensvlakpotentiaal en dus een hogere Voc. Bij Tc wordt de Cooperpaarconcentratie nul en bereikt het ingebouwde potentiaal aan het grensvlak een maximum, wat resulteert in een maximale Voc en een minimale Isc. De snelle stijging van Voc en Isc (absolute waarde) in dit temperatuurbereik komt overeen met de supergeleidende overgang, die verbreed wordt van ΔT ~ 3 K naar ~ 34 K door laserbestraling met een intensiteit van 502 mW/cm² (Fig. 3b). In de normale toestanden boven Tc neemt de openklemspanning Voc af met de temperatuur (boven in Fig. 3b), vergelijkbaar met het lineaire gedrag van Voc voor normale zonnecellen op basis van pn-overgangen31,32,33. Hoewel de veranderingssnelheid van Voc met de temperatuur (−dVoc/dT), die sterk afhankelijk is van de laserintensiteit, veel kleiner is dan die van normale zonnecellen, heeft de temperatuurcoëfficiënt van Voc voor een YBCO-Ag-overgang dezelfde grootteorde als die van zonnecellen. De lekstroom van een pn-overgang voor een normaal zonnecelapparaat neemt toe met toenemende temperatuur, wat leidt tot een afname van Voc bij stijgende temperatuur. De lineaire IV-curven die voor dit Ag-supergeleidersysteem zijn waargenomen, ten eerste vanwege het zeer kleine interfacepotentiaal en ten tweede de rug-aan-rugverbinding van de twee heterojuncties, maken het moeilijk om de lekstroom te bepalen. Desalniettemin lijkt het zeer waarschijnlijk dat dezelfde temperatuurafhankelijkheid van de lekstroom verantwoordelijk is voor het Voc-gedrag dat in ons experiment is waargenomen. Volgens de definitie is Isc de stroom die nodig is om een negatieve spanning te produceren om Voc te compenseren, zodat de totale spanning nul is. Naarmate de temperatuur stijgt, wordt Voc kleiner, waardoor er minder stroom nodig is om de negatieve spanning te produceren. Bovendien neemt de weerstand van YBCO lineair toe met de temperatuur boven Tc (onderaan figuur 3b), wat ook bijdraagt aan de kleinere absolute waarde van Isc bij hoge temperaturen.
Merk op dat de resultaten in figuur 2 en 3 zijn verkregen door laserbestraling rond de kathode-elektroden. Metingen zijn ook herhaald met een laserpunt op de anode. Vergelijkbare IV-karakteristieken en fotovoltaïsche eigenschappen werden waargenomen, behalve dat de polariteit van Voc en Isc in dit geval was omgedraaid. Al deze gegevens leiden tot een mechanisme voor het fotovoltaïsche effect, dat nauw verband houdt met de interface tussen supergeleider en metaal.
Samenvattend zijn de IV-karakteristieken van het laserbestraalde supergeleidende YBCO-Ag-pastasysteem gemeten als functies van temperatuur en laserintensiteit. Een opmerkelijk fotovoltaïsch effect is waargenomen in het temperatuurbereik van 50 tot 300 K. De fotovoltaïsche eigenschappen blijken sterk te correleren met de supergeleiding van YBCO-keramiek. Een polariteitsomkering van Voc en Isc treedt direct op na de overgang van supergeleidend naar niet-supergeleidend, geïnduceerd door licht. De temperatuurafhankelijkheid van Voc en Isc, gemeten bij een vaste laserintensiteit, toont ook een duidelijke polariteitsomkering bij een kritische temperatuur waarboven het monster resistief wordt. Door de laserspot op een ander deel van het monster te plaatsen, tonen we aan dat er een elektrisch potentiaal over het grensvlak bestaat, dat de scheidingskracht voor de fotogeïnduceerde elektron-gatparen levert. Dit grensvlakpotentiaal loopt van YBCO naar de metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en schakelt over naar de tegenovergestelde richting wanneer het monster niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van het potentiaal kan van nature verband houden met het nabijheidseffect op het grensvlak tussen metaal en supergeleider wanneer YBCO supergeleidend is, en wordt geschat op ~10−8 mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm². Contact van een p-type YBCO-materiaal in normale toestand met een n-type Ag-pasta vormt een quasi-pn-overgang die verantwoordelijk is voor het fotovoltaïsche gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. Bovenstaande observaties werpen licht op het PV-effect in hogetemperatuur supergeleidende YBCO-keramiek en effenen de weg naar nieuwe toepassingen in opto-elektronische apparaten, zoals snelle passieve lichtdetectoren en enkelvoudige fotondetectoren.
De experimenten met het fotovoltaïsche effect werden uitgevoerd op een YBCO-keramisch monster met een dikte van 0,52 mm en een rechthoekige vorm van 8,64 × 2,26 mm² en belicht met een continue blauwe laser (λ = 450 nm) met een laserspotgrootte van 1,25 mm in straal. Door bulkmonsters in plaats van dunnefilmmonsters te gebruiken, kunnen we de fotovoltaïsche eigenschappen van de supergeleider bestuderen zonder dat we te maken hebben met de complexe invloed van het substraat6,7. Bovendien zou het bulkmateriaal geschikt kunnen zijn vanwege de eenvoudige voorbereidingsprocedure en relatief lage kosten. De koperen aansluitdraden zijn met zilverpasta op het YBCO-monster bevestigd, waardoor vier ronde elektroden met een diameter van ongeveer 1 mm ontstaan. De afstand tussen de twee spanningselektroden is ongeveer 5 mm. De IV-karakteristieken van het monster werden gemeten met behulp van de vibratiemagnetometer (VersaLab, Quantum Design) met een kwartskristalvenster. De standaard vierdraadsmethode werd gebruikt om de IV-curven te verkrijgen. De relatieve posities van de elektroden en de laserspot worden weergegeven in Afb. 1i.
Hoe dit artikel te citeren: Yang, F. et al. Oorsprong van het fotovoltaïsche effect in supergeleidende YBa2Cu3O6.96-keramiek. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetrie-verboden laser-geïnduceerde spanningen in YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oorsprong van het anomale fotovoltaïsche signaal in Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Meting van lasergeïnduceerde spanningen van supergeleidend Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Transiënte lasergeïnduceerde spanningen in YBa2Cu3O7-x-films bij kamertemperatuur. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP: Anomale fotovoltaïsche respons in YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogegenereerde gatdragerinjectie in YBa2Cu3O7−x in een oxideheterostructuur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Foto-emissiestudie van dunne YBa2Cu3Oy-films onder belichting met licht. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotovoltaïsch effect van YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunctie gegloeid bij verschillende zuurstofpartiële druk. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Twee-gatenstructuur in Yb(Y)Ba2Cu3O7-x-kristallen. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Quasideeltjesrelaxatiedynamiek in supergeleiders met verschillende gapstructuren: theorie en experimenten met YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Rectificerende eigenschappen van de YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunctie. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Excitonische absorptie en supergeleiding in YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transiënte fotogeïnduceerde geleidbaarheid in halfgeleidende eenkristallen van YBa2Cu3O6.3: zoektocht naar fotogeïnduceerde metallische toestand en fotogeïnduceerde supergeleiding. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunnelmodel van het supergeleidende nabijheidseffect. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Supergeleidend nabijheidseffect onderzocht op een mesoscopische lengteschaal. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Nabijheidseffect met niet-centrosymmetrische supergeleiders. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Sterk supergeleidend nabijheidseffect in Pb-Bi2Te3 hybride structuren. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Een nieuwe silicium pn-overgangsfotocel voor het omzetten van zonnestraling in elektrische energie. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Effecten van onzuiverheden op de coherentielengte van supergeleidende deeltjes in Zn- of Ni-gedoteerde YBa2Cu3O6.9-kristallen. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistentie van ongetwinnde YBa2Cu3Oy-kristallen in een breed doteringsbereik: anomale gatdopingafhankelijkheid van de coherentielengte. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR. Systematiek in de thermo-elektrische energie van hoge-T-oxiden. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Ladingsdichtheidsafhankelijke momentumverschuiving van de coherente piek en de LO-fononmodus in p-type hoge-Tc supergeleiders. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Gatreductie en elektronenaccumulatie in YBa2Cu3Oy-dunne films met behulp van een elektrochemische techniek: bewijs voor een n-type metaaltoestand. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT De fysica en chemie van de Schottky-barrièrehoogte. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effecten van dynamische externe paarbreuk in supergeleidende films. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Foto-geïnduceerde verbetering van supergeleiding. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Aanhoudende fotogeleiding in YBa2Cu3O6+x-films als methode voor fotodoping naar metallische en supergeleidende fasen. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Niet-lineaire roosterdynamiek als basis voor verbeterde supergeleiding in YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Lichtgeïnduceerde supergeleiding in een streepgeordend cupraat. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA: De temperatuursafhankelijke functie van vluchtige organische stoffen (VOS) voor een zonnecel in relatie tot zijn efficiëntie, een nieuwe benadering. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatuureffecten in Schottky-barrière silicium zonnecellen. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperatuurafhankelijkheid voor de parameters van fotovoltaïsche apparaten van polymeer-fullereen zonnecellen onder bedrijfsomstandigheden. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Dit werk is ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (subsidie nr. 60571063) en de fundamentele onderzoeksprojecten van de provincie Henan, China (subsidie nr. 122300410231).
FY schreef de tekst van het artikel en MYH bereidde het YBCO-keramische monster voor. FY en MYH voerden het experiment uit en analyseerden de resultaten. FGC leidde het project en de wetenschappelijke interpretatie van de gegevens. Alle auteurs beoordeelden het manuscript.
Dit werk valt onder een Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie. De afbeeldingen of ander materiaal van derden in dit artikel vallen onder de Creative Commons-licentie van het artikel, tenzij anders aangegeven in de creditline. Indien het materiaal niet onder de Creative Commons-licentie valt, dienen gebruikers toestemming van de licentiehouder te verkrijgen om het materiaal te reproduceren. Een kopie van deze licentie is te bekijken op http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oorsprong van het fotovoltaïsche effect in supergeleidende YBa2Cu3O6.96-keramiek. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Door een reactie te plaatsen, ga je akkoord met onze voorwaarden en communityrichtlijnen. Als je iets aanstootgevends vindt of iets dat niet voldoet aan onze voorwaarden of richtlijnen, markeer het dan als ongepast.
Plaatsingstijd: 22-04-2020