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Relatamos um efeito fotovoltaico notável na cerâmica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 e 300 K, induzido por iluminação a laser azul, que está diretamente relacionado à supercondutividade da YBCO e à interface YBCO-eletrodo metálico. Há uma inversão de polaridade para a tensão de circuito aberto Voc e a corrente de curto-circuito Isc quando a YBCO passa de um estado supercondutor para um estado resistivo. Mostramos que existe um potencial elétrico através da interface supercondutor-metal normal, que fornece a força de separação para os pares elétron-lacuna fotoinduzidos. Esse potencial de interface se direciona da YBCO para o eletrodo metálico quando a YBCO é supercondutora e muda para a direção oposta quando a YBCO se torna não supercondutora. A origem do potencial pode ser facilmente associada ao efeito de proximidade na interface metal-supercondutor quando o YBCO é supercondutor, e seu valor é estimado em ~10–8 mV a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm². A combinação de um material YBCO do tipo p no estado normal com um material de pasta de Ag do tipo n forma uma junção quase-pn, responsável pelo comportamento fotovoltaico das cerâmicas YBCO em altas temperaturas. Nossas descobertas podem abrir caminho para novas aplicações de dispositivos fóton-eletrônicos e lançar mais luz sobre o efeito de proximidade na interface supercondutor-metal.
A tensão fotoinduzida em supercondutores de alta temperatura foi relatada no início da década de 1990 e extensivamente investigada desde então, mas sua natureza e mecanismo permanecem incertos1,2,3,4,5. Filmes finos de YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, em particular, são intensamente estudados na forma de células fotovoltaicas (PV) devido à sua lacuna de energia ajustável9,10,11,12,13. No entanto, a alta resistência do substrato sempre leva a uma baixa eficiência de conversão do dispositivo e mascara as propriedades PV primárias do YBCO8. Aqui relatamos um notável efeito fotovoltaico induzido pela iluminação de laser azul (λ = 450 nm) em cerâmica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 e 300 K (Tc ~ 90 K). Mostramos que o efeito PV está diretamente relacionado à supercondutividade do YBCO e à natureza da interface YBCO-eletrodo metálico. Há uma inversão de polaridade para a tensão de circuito aberto Voc e a corrente de curto-circuito Isc quando YBCO passa por uma transição da fase supercondutora para um estado resistivo. Propõe-se que exista um potencial elétrico através da interface supercondutor-metal normal, que fornece a força de separação para os pares elétron-buraco fotoinduzidos. Este potencial de interface direciona de YBCO para o eletrodo de metal quando YBCO é supercondutor e muda para a direção oposta quando a amostra se torna não supercondutora. A origem do potencial pode estar naturalmente associada ao efeito de proximidade14,15,16,17 na interface metal-supercondutor quando YBCO é supercondutor e seu valor é estimado em ~10−8 mV a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm2. A combinação de um material YBCO do tipo p no estado normal com um material Ag-pasta do tipo n forma, muito provavelmente, uma junção quase-pn que é responsável pelo comportamento PV de cerâmicas YBCO em altas temperaturas. Nossas observações lançam mais luz sobre a origem do efeito fotovoltaico em cerâmicas YBCO supercondutoras de alta temperatura e abrem caminho para sua aplicação em dispositivos optoeletrônicos, como detectores de luz passiva rápidos, etc.
As Figuras 1a-c mostram as características da IV da amostra de cerâmica YBCO a 50 K. Sem iluminação, a voltagem na amostra permanece zero com a variação da corrente, como esperado de um material supercondutor. O efeito fotovoltaico óbvio surge quando o feixe de laser é direcionado ao cátodo (Fig. 1a): as curvas da IV paralelas ao eixo I movem-se para baixo com o aumento da intensidade do laser. É evidente que existe uma voltagem fotoinduzida negativa mesmo sem qualquer corrente (frequentemente chamada de tensão de circuito aberto Voc). A inclinação zero da curva da IV indica que a amostra ainda é supercondutora sob iluminação a laser.
(a–c) e 300 K (e–g). Os valores de V(I) foram obtidos pela varredura da corrente de −10 mA para +10 mA no vácuo. Apenas parte dos dados experimentais é apresentada por uma questão de clareza. a, Características de corrente-tensão de YBCO medidas com ponto de laser posicionado no cátodo (i). Todas as curvas IV são linhas retas horizontais, indicando que a amostra ainda é supercondutora com irradiação de laser. A curva se move para baixo com o aumento da intensidade do laser, indicando que existe um potencial negativo (Voc) entre os dois fios de tensão, mesmo com corrente zero. As curvas IV permanecem inalteradas quando o laser é direcionado para o centro da amostra a 50 K (b) ou 300 K (f). A linha horizontal se move para cima conforme o ânodo é iluminado (c). Um modelo esquemático da junção metal-supercondutor a 50 K é mostrado em d. As características de corrente-tensão do YBCO em estado normal a 300 K, medidas com um feixe de laser apontado para o cátodo e o ânodo, são apresentadas em e e g, respectivamente. Em contraste com os resultados a 50 K, a inclinação diferente de zero das retas indica que o YBCO está em estado normal; os valores de Voc variam com a intensidade da luz em uma direção oposta, indicando um mecanismo diferente de separação de carga. Uma possível estrutura de interface a 300 K é mostrada em hj. A imagem real da amostra com os terminais.
O YBCO rico em oxigênio no estado supercondutor pode absorver quase todo o espectro da luz solar devido à sua lacuna de energia muito pequena (Eg)9,10, criando assim pares elétron-lacuna (e–h). Para produzir uma tensão de circuito aberto Voc pela absorção de fótons, é necessário separar espacialmente os pares eh fotogerados antes que ocorra a recombinação18. A Voc negativa, em relação ao cátodo e ao ânodo, como indicado na Fig. 1i, sugere que existe um potencial elétrico através da interface metal-supercondutor, que varre os elétrons para o ânodo e as lacunas para o cátodo. Se este for o caso, também deve haver um potencial apontando do supercondutor para o eletrodo metálico no ânodo. Consequentemente, uma Voc positiva seria obtida se a área da amostra próxima ao ânodo fosse iluminada. Além disso, não deve haver tensões fotoinduzidas quando o ponto do laser for apontado para áreas distantes dos eletrodos. Certamente é o caso, como pode ser visto na Fig. 1b,c!.
Quando o ponto de luz se move do eletrodo catódico para o centro da amostra (a cerca de 1,25 mm de distância das interfaces), nenhuma variação nas curvas IV e nenhuma Voc podem ser observadas com o aumento da intensidade do laser até o valor máximo disponível (Fig. 1b). Naturalmente, esse resultado pode ser atribuído à vida útil limitada dos portadores fotoinduzidos e à ausência de força de separação na amostra. Pares elétron-lacuna podem ser criados sempre que a amostra é iluminada, mas a maioria dos pares e-h será aniquilada e nenhum efeito fotovoltaico será observado se o ponto do laser incidir em áreas distantes de qualquer um dos eletrodos. Movendo o ponto do laser para os eletrodos anódicos, as curvas IV paralelas ao eixo I se movem para cima com o aumento da intensidade do laser (Fig. 1c). Um campo elétrico embutido semelhante existe na junção metal-supercondutor no ânodo. No entanto, o eletrodo metálico se conecta ao terminal positivo do sistema de teste desta vez. As lacunas produzidas pelo laser são empurradas para o terminal anódico e, portanto, uma Voc positiva é observada. Os resultados apresentados aqui fornecem fortes evidências de que existe de fato um potencial de interface apontando do supercondutor para o eletrodo metálico.
O efeito fotovoltaico em cerâmicas YBa2Cu3O6.96 a 300 K é mostrado na Fig. 1e–g. Sem iluminação, a curva IV da amostra é uma linha reta cruzando a origem. Essa linha reta se move para cima paralelamente à original com o aumento da intensidade do laser irradiando nos terminais do cátodo (Fig. 1e). Existem dois casos limites de interesse para um dispositivo fotovoltaico. A condição de curto-circuito ocorre quando V = 0. A corrente, neste caso, é chamada de corrente de curto-circuito (Isc). O segundo caso limite é a condição de circuito aberto (Voc), que ocorre quando R→∞ ou a corrente é zero. A Figura 1e mostra claramente que Voc é positivo e aumenta com o aumento da intensidade da luz, em contraste com o resultado obtido a 50 K; enquanto um Isc negativo aumenta em magnitude com a iluminação, um comportamento típico de células solares normais.
Da mesma forma, quando o feixe de laser é apontado para áreas distantes dos eletrodos, a curva V(I) é independente da intensidade do laser e não há efeito fotovoltaico (Fig. 1f). Semelhante à medição a 50 K, as curvas IV movem-se na direção oposta à medida que o eletrodo anódico é irradiado (Fig. 1g). Todos os resultados obtidos para este sistema de pasta de YBCO-Ag a 300 K, com laser irradiado em diferentes posições da amostra, são consistentes com um potencial de interface oposto ao observado a 50 K.
A maioria dos elétrons condensa em pares de Cooper no YBCO supercondutor abaixo de sua temperatura de transição Tc. Enquanto no eletrodo metálico, todos os elétrons permanecem na forma singular. Há um grande gradiente de densidade para elétrons singulares e pares de Cooper na vizinhança da interface metal-supercondutor. Os elétrons singulares portadores majoritários em material metálico se difundirão para a região supercondutora, enquanto os pares de Cooper portadores majoritários na região YBCO se difundirão para a região metálica. À medida que os pares de Cooper carregando mais cargas e tendo uma mobilidade maior do que os elétrons singulares se difundem do YBCO para a região metálica, átomos carregados positivamente são deixados para trás, resultando em um campo elétrico na região de carga espacial. A direção desse campo elétrico é mostrada no diagrama esquemático Fig. 1d. A iluminação incidente de fótons perto da região de carga espacial pode criar pares eh que serão separados e varridos, produzindo uma fotocorrente na direção de polarização reversa. Assim que os elétrons saem do campo elétrico incorporado, eles são condensados em pares e fluem para o outro eletrodo sem resistência. Neste caso, o Voc é oposto à polaridade predefinida e exibe um valor negativo quando o feixe de laser aponta para a área ao redor do eletrodo negativo. A partir do valor de Voc, o potencial através da interface pode ser estimado: a distância entre os dois fios de tensão d é ~5 × 10−3 m, a espessura da interface metal-supercondutor, di, deve ser da mesma ordem de grandeza que o comprimento de coerência do supercondutor YBCO (~1 nm)19,20, tome o valor de Voc = 0,03 mV, o potencial Vms na interface metal-supercondutor é avaliado como sendo ~10−11 V a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm², usando a equação,
Queremos enfatizar aqui que a tensão fotoinduzida não pode ser explicada pelo efeito fototérmico. Foi estabelecido experimentalmente que o coeficiente de Seebeck do supercondutor YBCO é Ss = 0,21. O coeficiente de Seebeck para fios de cobre está na faixa de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. A temperatura do fio de cobre no ponto do laser pode ser aumentada em uma pequena quantidade de 0,06 K com a intensidade máxima do laser disponível a 50 K. Isso poderia produzir um potencial termoelétrico de 6,9 × 10−8 V, que é três ordens de magnitude menor que o Voc obtido na Fig. 1 (a). É evidente que o efeito termoelétrico é muito pequeno para explicar os resultados experimentais. De fato, a variação de temperatura devido à irradiação do laser desapareceria em menos de um minuto, de modo que a contribuição do efeito térmico pode ser ignorada com segurança.
Este efeito fotovoltaico do YBCO à temperatura ambiente revela que um mecanismo diferente de separação de carga está envolvido aqui. O YBCO supercondutor no estado normal é um material do tipo p com buracos como portadores de carga22,23, enquanto a pasta metálica de Ag tem características de um material do tipo n. Semelhante às junções pn, a difusão de elétrons na pasta de prata e buracos na cerâmica YBCO formará um campo elétrico interno apontando para a cerâmica YBCO na interface (Fig. 1h). É este campo interno que fornece a força de separação e leva a um Voc positivo e Isc negativo para o sistema de pasta YBCO-Ag à temperatura ambiente, como mostrado na Fig. 1e. Alternativamente, Ag-YBCO poderia formar uma junção Schottky do tipo p que também leva a um potencial de interface com a mesma polaridade do modelo apresentado acima24.
Para investigar o processo detalhado de evolução das propriedades fotovoltaicas durante a transição supercondutora do YBCO, as curvas IV da amostra a 80 K foram medidas com intensidades de laser selecionadas iluminando o eletrodo catódico (Fig. 2). Sem irradiação a laser, a voltagem na amostra permanece em zero independentemente da corrente, indicando o estado supercondutor da amostra a 80 K (Fig. 2a). Similarmente aos dados obtidos a 50 K, as curvas IV paralelas ao eixo I se movem para baixo com o aumento da intensidade do laser até que um valor crítico Pc seja atingido. Acima dessa intensidade crítica do laser (Pc), o supercondutor passa por uma transição de uma fase supercondutora para uma fase resistiva; a voltagem começa a aumentar com a corrente devido ao aparecimento de resistência no supercondutor. Como resultado, a curva IV começa a se cruzar com os eixos I e V, levando a um Voc negativo e um Isc positivo inicialmente. Agora, a amostra parece estar em um estado especial no qual a polaridade de Voc e Isc é extremamente sensível à intensidade da luz; Com um aumento muito pequeno na intensidade luminosa, Isc é convertido de positivo para negativo e Voc de negativo para positivo, passando pela origem (a alta sensibilidade das propriedades fotovoltaicas, particularmente o valor de Isc, à iluminação luminosa pode ser vista mais claramente na Fig. 2b). Na maior intensidade de laser disponível, as curvas de IV tendem a ser paralelas entre si, indicando o estado normal da amostra de YBCO.
O centro do ponto do laser é posicionado ao redor dos eletrodos catódicos (ver Fig. 1i). a, Curvas IV de YBCO irradiado com diferentes intensidades de laser. b (acima), Dependência da intensidade do laser em relação à tensão de circuito aberto Voc e à corrente de curto-circuito Isc. Os valores de Isc não podem ser obtidos em baixa intensidade luminosa (< 110 mW/cm²) porque as curvas IV são paralelas ao eixo I quando a amostra está no estado supercondutor. b (abaixo), Resistência diferencial em função da intensidade do laser.
A dependência da intensidade do laser de Voc e Isc a 80 K é mostrada na Fig. 2b (topo). As propriedades fotovoltaicas podem ser discutidas em três regiões de intensidade luminosa. A primeira região está entre 0 e Pc, na qual YBCO é supercondutor, Voc é negativo e diminui (o valor absoluto aumenta) com a intensidade luminosa e atinge um mínimo em Pc. A segunda região vai de Pc até outra intensidade crítica P0, na qual Voc aumenta enquanto Isc diminui com o aumento da intensidade luminosa e ambos atingem zero em P0. A terceira região está acima de P0 até que o estado normal de YBCO seja atingido. Embora Voc e Isc variem com a intensidade luminosa da mesma forma que na região 2, eles têm polaridade oposta acima da intensidade crítica P0. A importância de P0 reside no fato de que não há efeito fotovoltaico e o mecanismo de separação de carga muda qualitativamente neste ponto específico. A amostra de YBCO torna-se não supercondutora nesta faixa de intensidade luminosa, mas o estado normal ainda não foi atingido.
Claramente, as características fotovoltaicas do sistema estão intimamente relacionadas à supercondutividade do YBCO e sua transição supercondutora. A resistência diferencial, dV/dI, do YBCO é mostrada na Fig. 2b (embaixo) como uma função da intensidade do laser. Como mencionado anteriormente, o potencial elétrico acumulado na interface devido aos pontos de difusão do par de Cooper do supercondutor para o metal. Semelhante ao observado a 50 K, o efeito fotovoltaico é aumentado com o aumento da intensidade do laser de 0 a Pc. Quando a intensidade do laser atinge um valor ligeiramente acima de Pc, a curva IV começa a se inclinar e a resistência da amostra começa a aparecer, mas a polaridade do potencial da interface ainda não é alterada. O efeito da excitação óptica na supercondutividade foi investigado na região visível ou no infravermelho próximo. Embora o processo básico seja quebrar os pares de Cooper e destruir a supercondutividade25,26, em alguns casos, a transição para a supercondutividade pode ser aprimorada27,28,29, e novas fases de supercondutividade podem até ser induzidas30. A ausência de supercondutividade em Pc pode ser atribuída à quebra de pares fotoinduzida. No ponto P0, o potencial através da interface torna-se zero, indicando que a densidade de carga em ambos os lados da interface atinge o mesmo nível sob essa intensidade específica de iluminação. Um aumento adicional na intensidade do laser resulta na destruição de mais pares de Cooper e o YBCO é gradualmente transformado de volta em um material do tipo p. Em vez da difusão de elétrons e pares de Cooper, a característica da interface agora é determinada pela difusão de elétrons e lacunas, o que leva a uma reversão da polaridade do campo elétrico na interface e, consequentemente, a um Voc positivo (compare Fig. 1d,h). Em intensidades de laser muito altas, a resistência diferencial do YBCO satura para um valor correspondente ao estado normal, e tanto Voc quanto Isc tendem a variar linearmente com a intensidade do laser (Fig. 2b). Essa observação revela que a irradiação a laser no YBCO em estado normal não altera mais sua resistividade e as características da interface supercondutor-metal, mas apenas aumenta a concentração dos pares elétron-lacuna.
Para investigar o efeito da temperatura nas propriedades fotovoltaicas, o sistema metal-supercondutor foi irradiado no cátodo com um laser azul de intensidade de 502 mW/cm². As curvas IV obtidas em temperaturas selecionadas entre 50 e 300 K são apresentadas na Fig. 3a. A tensão de circuito aberto Voc, a corrente de curto-circuito Isc e a resistência diferencial podem ser obtidas a partir dessas curvas IV e são mostradas na Fig. 3b. Sem iluminação, todas as curvas IV medidas em diferentes temperaturas passam pela origem, como esperado (inserção da Fig. 3a). As características IV mudam drasticamente com o aumento da temperatura quando o sistema é iluminado por um feixe de laser relativamente forte (502 mW/cm²). Em baixas temperaturas, as curvas IV são retas paralelas ao eixo I com valores negativos de Voc. Essa curva se move para cima com o aumento da temperatura e gradualmente se transforma em uma linha com inclinação diferente de zero a uma temperatura crítica Tcp (Fig. 3a (topo)). Parece que todas as curvas características IV giram em torno de um ponto no terceiro quadrante. Voc aumenta de um valor negativo para um positivo, enquanto Isc diminui de um valor positivo para um negativo. Acima da temperatura de transição supercondutora original Tc de YBCO, a curva IV muda de forma bastante diferente com a temperatura (parte inferior da Fig. 3a). Primeiramente, o centro de rotação das curvas IV se move para o primeiro quadrante. Em segundo lugar, Voc continua diminuindo e Isc aumentando com o aumento da temperatura (parte superior da Fig. 3b). Em terceiro lugar, a inclinação das curvas IV aumenta linearmente com a temperatura, resultando em um coeficiente de resistência de temperatura positivo para YBCO (parte inferior da Fig. 3b).
Dependência da temperatura das características fotovoltaicas do sistema de pasta YBCO-Ag sob iluminação a laser de 502 mW/cm2.
O centro do ponto do laser é posicionado ao redor dos eletrodos catódicos (ver Fig. 1i). a, Curvas de IV obtidas de 50 a 90 K (superior) e de 100 a 300 K (inferior) com incrementos de temperatura de 5 K e 20 K, respectivamente. O detalhe a mostra as características de IV em diversas temperaturas no escuro. Todas as curvas cruzam o ponto de origem. b, Tensão de circuito aberto Voc e Corrente de curto-circuito Isc (superior) e a resistência diferencial, dV/dI, de YBCO (inferior) em função da temperatura. A temperatura de transição supercondutora de resistência zero Tcp não é fornecida por ser muito próxima de Tc0.
Três temperaturas críticas podem ser reconhecidas na Fig. 3b: Tcp, acima da qual YBCO se torna não supercondutor; Tc0, na qual Voc e Isc se tornam zero e Tc, a temperatura de transição supercondutora inicial original de YBCO sem irradiação a laser. Abaixo de Tcp ~ 55 K, o YBCO irradiado a laser está em estado supercondutor com concentração relativamente alta de pares de Cooper. O efeito da irradiação a laser é reduzir a temperatura de transição supercondutora de resistência zero de 89 K para ~ 55 K (parte inferior da Fig. 3b), reduzindo a concentração de pares de Cooper, além de produzir tensão e corrente fotovoltaicas. O aumento da temperatura também quebra os pares de Cooper, levando a um potencial menor na interface. Consequentemente, o valor absoluto de Voc se tornará menor, embora a mesma intensidade de iluminação a laser seja aplicada. O potencial da interface se tornará cada vez menor com o aumento adicional da temperatura e atinge zero em Tc0. Não há efeito fotovoltaico neste ponto especial porque não há campo interno para separar os pares elétron-lacuna fotoinduzidos. Uma reversão de polaridade do potencial ocorre acima desta temperatura crítica, pois a densidade de carga livre na pasta de Ag é maior do que em YBCO, que é gradualmente transferida de volta para um material do tipo p. Aqui, queremos enfatizar que a reversão de polaridade de Voc e Isc ocorre imediatamente após a transição supercondutora de resistência zero, independentemente da causa da transição. Esta observação revela claramente, pela primeira vez, a correlação entre a supercondutividade e os efeitos fotovoltaicos associados ao potencial da interface metal-supercondutor. A natureza deste potencial através da interface supercondutor-metal normal tem sido um foco de pesquisa nas últimas décadas, mas ainda há muitas questões esperando para serem respondidas. A medição do efeito fotovoltaico pode provar ser um método eficaz para explorar os detalhes (como sua força e polaridade, etc.) deste importante potencial e, portanto, lançar luz sobre o efeito de proximidade supercondutor de alta temperatura.
Aumentos adicionais na temperatura de Tc0 para Tc levam a uma menor concentração de pares de Cooper e a um aumento no potencial de interface e, consequentemente, a um maior Voc. Em Tc, a concentração de pares de Cooper torna-se zero e o potencial de acumulação na interface atinge um máximo, resultando em Voc máximo e Isc mínimo. O rápido aumento de Voc e Isc (valor absoluto) nesta faixa de temperatura corresponde à transição supercondutora que é ampliada de ΔT ~ 3 K para ~ 34 K pela irradiação a laser de intensidade 502 mW/cm² (Fig. 3b). Nos estados normais acima de Tc, a tensão de circuito aberto Voc diminui com a temperatura (parte superior da Fig. 3b), semelhante ao comportamento linear de Voc para células solares normais baseadas em junções pn31,32,33. Embora a taxa de variação de Voc com a temperatura (−dVoc/dT), que depende fortemente da intensidade do laser, seja muito menor do que a de células solares normais, o coeficiente de temperatura de Voc para a junção YBCO-Ag tem a mesma ordem de grandeza que o das células solares. A corrente de fuga de uma junção pn para um dispositivo de célula solar normal aumenta com o aumento da temperatura, levando a uma diminuição de Voc à medida que a temperatura aumenta. As curvas IV lineares observadas para este sistema Ag-supercondutor, devido, em primeiro lugar, ao potencial de interface muito pequeno e, em segundo lugar, à conexão consecutiva das duas heterojunções, dificultam a determinação da corrente de fuga. No entanto, parece muito provável que a mesma dependência da temperatura da corrente de fuga seja responsável pelo comportamento de Voc observado em nosso experimento. De acordo com a definição, Isc é a corrente necessária para produzir uma tensão negativa para compensar Voc de forma que a tensão total seja zero. À medida que a temperatura aumenta, Voc se torna menor, de modo que menos corrente é necessária para produzir a tensão negativa. Além disso, a resistência do YBCO aumenta linearmente com a temperatura acima de Tc (parte inferior da Fig. 3b), o que também contribui para o menor valor absoluto de Isc em altas temperaturas.
Observe que os resultados apresentados nas Figuras 2 e 3 foram obtidos por irradiação a laser na área ao redor dos eletrodos catódicos. As medições também foram repetidas com o ponto de laser posicionado no ânodo, e características de IV e propriedades fotovoltaicas semelhantes foram observadas, exceto que a polaridade de Voc e Isc foi invertida neste caso. Todos esses dados levam a um mecanismo para o efeito fotovoltaico, que está intimamente relacionado à interface supercondutor-metal.
Em resumo, as características IV do sistema de pasta supercondutora de YBCO-Ag irradiada a laser foram medidas em função da temperatura e da intensidade do laser. Um efeito fotovoltaico notável foi observado na faixa de temperatura de 50 a 300 K. Foi descoberto que as propriedades fotovoltaicas se correlacionam fortemente com a supercondutividade das cerâmicas de YBCO. Uma reversão de polaridade de Voc e Isc ocorre imediatamente após a transição de supercondutor para não supercondutor fotoinduzida. A dependência da temperatura de Voc e Isc medida em intensidade de laser fixa mostra também uma reversão de polaridade distinta em uma temperatura crítica acima da qual a amostra se torna resistiva. Ao localizar o ponto do laser em diferentes partes da amostra, mostramos que existe um potencial elétrico através da interface, que fornece a força de separação para os pares elétron-lacuna fotoinduzidos. Este potencial de interface direciona de YBCO para o eletrodo metálico quando YBCO é supercondutor e muda para a direção oposta quando a amostra se torna não supercondutora. A origem do potencial pode estar naturalmente associada ao efeito de proximidade na interface metal-supercondutor quando o YBCO é supercondutor, sendo estimado em ~10−8 mV a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm². O contato de um material YBCO do tipo p no estado normal com uma pasta de Ag do tipo n forma uma junção quase pn, responsável pelo comportamento fotovoltaico das cerâmicas YBCO em altas temperaturas. As observações acima esclarecem o efeito fotovoltaico em cerâmicas YBCO supercondutoras de alta temperatura e abrem caminho para novas aplicações em dispositivos optoeletrônicos, como detectores rápidos de luz passiva e detectores de fóton único.
Os experimentos de efeito fotovoltaico foram realizados em uma amostra de cerâmica YBCO de 0,52 mm de espessura e formato retangular de 8,64 × 2,26 mm² e iluminada por laser azul de onda contínua (λ = 450 nm) com tamanho de ponto de laser de 1,25 mm de raio. Usar uma amostra em massa em vez de uma amostra de filme fino nos permite estudar as propriedades fotovoltaicas do supercondutor sem ter que lidar com a influência complexa do substrato6,7. Além disso, o material em massa pode ser propício para seu procedimento de preparação simples e custo relativamente baixo. Os fios de cobre são coesos na amostra de YBCO com pasta de prata formando quatro eletrodos circulares de cerca de 1 mm de diâmetro. A distância entre os dois eletrodos de voltagem é de cerca de 5 mm. As características IV da amostra foram medidas usando o magnetômetro de amostra de vibração (VersaLab, Quantum Design) com uma janela de cristal de quartzo. O método padrão de quatro fios foi empregado para obter as curvas IV. As posições relativas dos eletrodos e do ponto de laser são mostradas na Fig. 1i.
Como citar este artigo: Yang, F. et al. Origem do efeito fotovoltaico em cerâmicas supercondutoras de YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Tensões induzidas por laser proibidas por simetria em YBa2Cu3O7 . B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP e Dong, SY Origem do sinal fotovoltaico anômalo em Y-Ba-Cu-O. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR e Wang, GW Medição de tensões induzidas por laser de Bi-Sr-Ca-Cu-O supercondutor. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Tensões induzidas por laser transiente em filmes de YBa2Cu3O7-x em temperatura ambiente. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Resposta fotovoltaica anômala em YBa2Cu3O7 . Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injeção fotogerada de portador de lacunas em YBa2Cu3O7−x em uma heteroestrutura de óxido. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Estudo de fotoemissão de filmes finos de YBa2Cu3Oy sob iluminação suave. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Efeito fotovoltaico da heterojunção YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb recozida em diferentes pressões parciais de oxigênio. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Estrutura de duas lacunas em monocristais de Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinâmica de relaxamento de quasipartículas em supercondutores com diferentes estruturas de lacuna: Teoria e experimentos em YBa2Cu3O7-δ. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ e Shen, BG Propriedades de retificação da heterojunção YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Absorção excitônica e supercondutividade em YBa2Cu3O7-δ . 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Condutividade fotoinduzida transiente em monocristais semicondutores de YBa2Cu3O6.3: busca por estado metálico fotoinduzido e por supercondutividade fotoinduzida. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Modelo de tunelamento do efeito de proximidade supercondutor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Efeito de proximidade supercondutor investigado em uma escala de comprimento mesoscópica. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efeito de proximidade com supercondutores não centrossimétricos. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Forte efeito de proximidade supercondutora em estruturas híbridas de Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS e Pearson, GL Uma nova fotocélula de junção pn de silício para conversão de radiação solar em energia elétrica. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Efeitos de impurezas no comprimento de coerência supercondutor em monocristais de YBa2Cu3O6.9 dopados com Zn ou Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetorresistência de monocristais de YBa2Cu3Oy não geminados em uma ampla faixa de dopagem: dependência anômala da dopagem de lacunas em relação ao comprimento de coerência. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistemática na energia termoelétrica de óxidos de alta temperatura. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Deslocamento de momento dependente da densidade da portadora do pico coerente e do modo do fônon LO em supercondutores de alta temperatura do tipo p. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Redução de lacunas e acúmulo de elétrons em filmes finos de YBa2Cu3Oy usando uma técnica eletroquímica: Evidência de um estado metálico do tipo n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT A física e a química da altura da barreira Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efeitos da quebra dinâmica de pares externos em filmes supercondutores. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Aumento fotoinduzido da supercondutividade. Appl.
Kudinov, VI et al. Fotocondutividade persistente em filmes de YBa2Cu3O6+x como método de fotodopagem em fases metálicas e supercondutoras. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Dinâmica de rede não linear como base para supercondutividade aprimorada em YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Supercondutividade induzida pela luz em um cuprato ordenado por faixas. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK e Al-Nuaim, IA A dependência funcional da temperatura do COV para uma célula solar em relação à sua eficiência: uma nova abordagem. Dessalinização 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Efeitos da temperatura em células solares de silício com barreira Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Dependência da temperatura para os parâmetros do dispositivo fotovoltaico de células solares de polímero-fulereno sob condições operacionais. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Concessão nº 60571063) e pelos Projetos de Pesquisa Fundamental da Província de Henan, China (Concessão nº 122300410231).
FY escreveu o texto do artigo e MYH preparou a amostra de cerâmica YBCO. FY e MYH realizaram o experimento e analisaram os resultados. FGC liderou o projeto e a interpretação científica dos dados. Todos os autores revisaram o manuscrito.
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Yang, F., Han, M. & Chang, F. Origem do efeito fotovoltaico em cerâmicas supercondutoras de YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
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Horário da publicação: 22/04/2020