nature.com saýtyna gireniňiz üçin sag boluň. Siz CSS üçin çäkli goldawa eýe bolan brauzer wersiýasyny ulanýarsyňyz. Iň gowy tejribäni almak üçin has täze brauzer ulanmagyňyzy maslahat berýäris (ýa-da Internet Explorer-de utgaşyklylyk režimini öçüriň). Şol bir wagtyň özünde, goldawy dowam etdirmek üçin saýty stillersiz we JavaScript-siz görkezýäris.
Biz 50 we 300 K aralygyndaky YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasynda gök lazer şöhlelendirmesi bilen döredilen ajaýyp fotowoltaik täsir barada habar berýäris, bu bolsa YBCO-nyň we YBCO-metal elektrod serhediniň aşyr geçirijiligi bilen gönüden-göni baglanyşyklydyr. YBCO aşyr geçirijilikden garşylykly ýagdaýa geçende, açyk zynjyr naprýaženiýesi Voc we gysga zynjyr togy Isc üçin polýarlyk öwrülişi bolýar. Biz aşyr geçirijilik-normal metal serhedinde elektrik potensialynyň bardygyny görkezýäris, bu bolsa foto bilen döredilen elektron-deşik jübütleri üçin bölüniş güýjüni üpjün edýär. Bu serhet potensialy YBCO aşyr geçirijilik wagtynda YBCO-dan metal elektroda gönükdirilendir we YBCO aşyr geçirijiliksiz bolanda ters ugra geçýär. Potensialyň gelip çykyşy, YBCO aşyr geçirijilik wagtynda metal-aşyr geçirijilik serhedinde ýakynlyk täsiri bilen aňsatlyk bilen baglanyşykly bolup biler we onuň gymmaty 502 mW/sm2 lazer intensiwligi bilen 50 K-da ~10–8 mV diýlip çaklanylýar. Adaty ýagdaýda p-tipli YBCO materialynyň n-tipli material bilen Ag-pastasynyň utgaşmasy kwazi-pn birleşmesini emele getirýär, bu bolsa ýokary temperaturada YBCO keramikasynyň fotowoltaik häsiýetine jogapkärdir. Biziň açyşlarymyz foton-elektron enjamlaryň täze ulanylyşlaryna ýol açyp biler we supergeçiriji-metal serhedindäki ýakynlyk täsirine has köp aýdyňlyk getirip biler.
Ýokary temperaturaly supergeçirijilerde fotoinduksiýa edilen naprýaženiýe 1990-njy ýyllaryň başynda habar berildi we şondan bäri giňden öwrenildi, ýöne onuň tebigaty we mehanizmi henizem çözülmedik1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) inçe plýonkalary6,7,8, aýratyn hem, sazlanyp bilýän energiýa aralygy sebäpli fotowoltaik (PV) öýjük görnüşinde intensiw öwrenilýär9,10,11,12,13. Şeýle-de bolsa, substratyň ýokary garşylygy hemişe enjamyň pes konwersiýa netijeliligine getirýär we YBCO8-iň esasy PV häsiýetlerini gizleýär. Bu ýerde biz 50 we 300 K (Tc ~ 90 K) aralygyndaky YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasynda gök lazer (λ = 450 nm) yşyklandyrma bilen döredilen ajaýyp fotowoltaik täsir barada habar berýäris. PV täsiriniň YBCO-nyň supergeçirijiligi we YBCO-metal elektrod serhediniň tebigaty bilen gönüden-göni baglanyşyklydygyny görkezýäris. YBCO aşa geçirijilikli fazadan garşylykly ýagdaýa geçende, açyk zynjyr naprýaženiýesi Voc we gysga zynjyr togy Isc üçin polýarlyk öwrülişi bolýar. Foto induksiýa edilen elektron-deşik jübütleri üçin bölüniş güýjüni üpjün edýän aşa geçiriji-normal metal serhedinde elektrik potensialynyň bardygy teklip edilýär. Bu serhet potensialy YBCO aşa geçirijilikli bolanda YBCO-dan metal elektroda gönükdirilýär we nusga aşa geçirijiliksiz bolanda ters ugra geçýär. Potensialyň gelip çykyşy, YBCO aşa geçirijilikli bolanda we onuň gymmaty 50 K-da ~10−8 mV diýlip çaklanylýan 502 mW/sm2 lazer intensiwligi bilen metal-aşa geçirijilikli serhetde ýakynlyk täsiri14,15,16,17 bilen tebigy ýagdaýda baglanyşykly bolup biler. Adaty ýagdaýda p-tipli YBCO materialynyň n-tipli Ag-pasta materialy bilen utgaşmasy, ähtimal, ýokary temperaturada YBCO keramikasynyň PV häsiýetine jogapkär bolan kwazi-pn geçişini emele getirýär. Biziň gözegçiliklerimiz ýokary temperaturaly aşyr geçiriji YBCO keramikalarynda PV täsiriniň gelip çykyşyny has aýdyňlaşdyrýar we onuň çalt passiw ýagtylyk detektory ýaly optoelektron enjamlarda ulanylmagynyň ýoluny açýar.
1a–c suratda 50 K temperaturada YBCO keramiki nusgasynyň IV häsiýetnamalary görkezilýär. Çyra yşyklandyrylmasyz, aşa geçiriji materialdan garaşylýan ýaly, tok üýtgeýän wagty nusgadaky naprýaženiýe nol derejesinde galýar. Lazer şöhlesi katoda gönükdirilende aýdyň fotowoltaik täsir ýüze çykýar (1a surat): I okuna parallel IV egrileri lazer intensiwliginiň artmagy bilen aşak hereket edýär. Hiç hili tok bolmazdan hem (köplenç açyk zynjyr naprýaženiýesi Voc diýilýär) negatiw fotoinduksiýa naprýaženiýesiniň bardygy aýdyňdyr. IV egrisiniň nol eňňidi lazer yşyklandyrmasy astynda nusganyň henizem aşa geçirijidigini görkezýär.
(a–c) we 300 K (e–g). V(I) gymmatlyklary wakuumda −10 mA-dan +10 mA-a çenli toguň täsirini süpürmek arkaly alyndy. Aýdyňlyk üçin synag maglumatlarynyň diňe bir bölegi görkezilýär. a, Katoda ýerleşdirilen lazer nokady bilen ölçenen YBCO-nyň tok-wolt häsiýetnamalary (i). Ähli IV egrileri lazer şöhlelendirmesi bilen nusganyň henizem aşa geçirijidigini görkezýän gorizontal göni çyzyklardyr. Egri lazer intensiwliginiň artmagy bilen aşak süýşýär, bu bolsa nol tok bilen hem iki wolt geçirijisiniň arasynda ters potensialyň (Voc) bardygyny görkezýär. Lazer 50 K (b) ýa-da 300 K (f) efirde nusganyň merkezine gönükdirilende IV egrileri üýtgewsiz galýar. Anod ýagtylandyrylanda gorizontal çyzyk ýokary süýşýär (c). 50 K-da metal-aşa geçiriji birikmesiniň shematiki modeli d-de görkezilen. Katoda we anoda gönükdirilen lazer şöhlesi bilen ölçenen 300 K-da normal ýagdaýdaky YBCO-nyň tok-wolt häsiýetnamalary degişlilikde e we g-de berilýär. 50 K-däki netijelerden tapawutlylykda, göni çyzyklaryň nol däl eňňitligi YBCO-nyň kadaly ýagdaýdadygyny görkezýär; Voc-nyň gymmatlyklary ters ugurda ýagtylygyň intensiwligi bilen üýtgeýär, bu bolsa başga zarýad bölmek mehanizmini görkezýär. 300 K-däki mümkin bolan serhet gurluşy hj-de görkezilen. Nyşanyň simleri bolan hakyky suraty.
Kislorodly baý YBCO örän kiçi energiýa aralygy (Eg)9,10 sebäpli gün şöhlesiniň spektriniň doly bölegini diýen ýaly özüne siňdirip bilýär we şonuň bilen elektron-deşik jübütlerini (e–h) döredýär. Fotonlaryň siňdirilmegi arkaly açyk zynjyr naprýaženiýesini (Voc) döretmek üçin, rekombinasiýa bolmazdan öň foto bilen döredilen eh jübütlerini giňişlikde bölmek zerurdyr18. 1i-nji suratda görkezilişi ýaly, katod we anoda görä negatiw Voc, metal-supergeçiriji serhedinde elektronlary anoda, deşikleri bolsa katodda süýräp geçýän elektrik potensialynyň bardygyny görkezýär. Eger şeýle bolsa, supergeçirijiden anoddaky metal elektroda gönükdirilýän potensial hem bolmaly. Netijede, anodyň golaýyndaky nusga meýdany ýagtylandyrylsa, oňyn Voc alynar. Mundan başga-da, lazer nokady elektrodlardan uzak ýerlere gönükdirilende foto bilen induksiýa edilen naprýaženiýeler bolmaly däl. 1b,c suratlardan görnüşi ýaly, elbetde şeýle.
Ýagtylyk nokady katod elektrodyndan nusganyň merkezine (aralyklardan takmynan 1,25 mm aralykda) geçende, lazer intensiwliginiň elýeterli iň ýokary gymmata çenli ýokarlanmagy bilen IV egrileriniň we Voc-nyň üýtgemelerini synlap bolmaýar (1b-nji surat). Elbetde, bu netijäni fotoinduksiýa edilen daşaýjylaryň çäkli ömrüne we nusgada bölüniş güýjüniň ýoklugyna degişli edip bolýar. Nusga ýagtylandyrylanda elektron-deşik jübütleri döredilip bilner, ýöne e-h jübütleriniň köpüsi ýok ediler we lazer nokady elektrodlaryň haýsydyr birinden uzak ýerlere düşse, fotowoltaik täsir synlanylmaýar. Lazer nokadyny anod elektrodlaryna süýşürmek bilen, I okuna parallel IV egrileri lazer intensiwliginiň ýokarlanmagy bilen ýokary hereket edýär (1c-nji surat). Anoddaky metal-süýtgeçiriji birleşmesinde meňzeş gurlan elektrik meýdany bar. Şeýle-de bolsa, metal elektrod bu gezek synag ulgamynyň oňyn ugruna birikýär. Lazer tarapyndan döredilen deşikler anod ugruna iterilýär we şeýlelik bilen oňyn Voc synlanylýar. Bu ýerde görkezilen netijeler, supergeçirijiden metal elektroda gönükdirilen serhet potensialynyň hakykatdanam bardygynyň güýçli subutnamasyny berýär.
300 K-da YBa2Cu3O6.96 keramikasyndaky fotowoltaik täsir 1e–g suratlarda görkezilen. Yşyk şöhlelenmesi bolmasa, nusganyň IV egrisi başlangyç nokady kesýän göni çyzykdyr. Bu göni çyzyk katod çyzyklarynda şöhlelendirilýän lazer intensiwliginiň artmagy bilen asyl çyzyk bilen ýokaryk parallel hereket edýär (1e surat). Fotowoltaik enjam üçin iki sany gyzykly çäklendiriji ýagdaý bar. Gysga zynjyr şerti V = 0 bolanda ýüze çykýar. Bu ýagdaýda tok gysga zynjyr tok (Isc) diýlip atlandyrylýar. Ikinji çäklendiriji ýagdaý bolsa R→∞ ýa-da tok nol bolanda ýüze çykýan açyk zynjyr şertidir (Voc). 1e suratda Voc-nyň pozitiwdigi we 50 K-da alnan netijeden tapawutlylykda, ýagtylygyň intensiwliginiň artmagy bilen artýandygy aýdyň görkezilýär; şol bir wagtyň özünde negatiw Isc-iň ýagtylyk şöhlelenmesi bilen ululygynyň artýandygy syn edilýär, bu bolsa adaty gün batareýalarynyň adaty häsiýetidir.
Şonuň ýaly-da, lazer şöhlesi elektrodlardan uzak ýerlere gönükdirilende, V(I) egrisi lazer intensiwligine bagly däldir we fotowoltaik täsir ýüze çykmaýar (1f-nji surat). 50 K-däki ölçeglere meňzeş, IV egrileri anod elektrody şöhlelendirilende ters ugra süýşýär (1g-nji surat). Nusganyň dürli ýerlerinde lazer şöhlelendirilen bu YBCO-Ag pasta ulgamy üçin 300 K-däki alnan ähli netijeler 50 K-de syn edilen potensiala ters bolan serhet potensialy bilen gabat gelýär.
Kuper jübütlerinde elektronlaryň köpüsi onuň geçiş temperaturasy Tc-den aşakda ýerleşýän supergeçiriji YBCO-da kondensasiýa bolýar. Metal elektrodda bolanda, ähli elektronlar ýekelik görnüşinde galýar. Metal-süýtgeçiriji serhetiniň golaýynda ýekelik elektronlar we Kuper jübütleri üçin uly dykyzlyk gradienti bar. Metal materialdaky köpçülikli göteriji ýekelik elektronlar supergeçiriji sebitine ýaýraýar, YBCO sebitindäki köpçülikli göteriji Kuper jübütleri bolsa metal sebitine ýaýraýar. Kuper jübütleri has köp zarýad göterýän we ýekelik elektronlardan has uly hereketlilige eýe bolansoň, YBCO-dan metal sebitine ýaýraýar, pozitiw zarýadly atomlar yzda galýar, bu bolsa giňişlik zarýad sebitinde elektrik meýdanynyň döremegine sebäp bolýar. Bu elektrik meýdanynyň ugry 1d-nji suratda shematiki diagrammada görkezilen. Giňişlik zarýad sebitiniň golaýynda düşýän foton yşyklandyrmasy bölünip, süpürilip çykaryljak eh jübütlerini döredip biler we ters ugur boýunça fototok öndürýär. Elektronlar gurlan elektrik meýdanyndan çykan badyna, olar jübütlere kondensasiýa bolýar we garşylyksyz beýleki elektroda akýar. Bu ýagdaýda, Voc öňünden bellenen polýarlyga ters gelýär we lazer şöhlesi negatiw elektrodyň töweregindäki meýdana gönükdirilende negatiw gymmat görkezýär. Voc gymmatyndan serhetdäki potensialy çaklap bolýar: iki naprýaženiýe geçirijisiniň arasyndaky aralyk d ~5 × 10−3 m, metal-süpergeçiriji serhetiniň galyňlygy, di, YBCO süpergeçirijisiniň kogerentlik uzynlygy (~1 nm)19,20 bilen birmeňzeş ululyk tertibine deň bolmaly, Voc gymmatyny = 0,03 mV alyň, metal-süpergeçiriji serhetindäki potensial Vms, 50 K-de 502 mW/sm2 lazer intensiwligi bilen ~10−11 V diýlip bahalandyrylýar, deňleme ulanylyp,
Bu ýerde foto induksiýa edilen naprýaženiýeni fototermiki effekt bilen düşündirip bolmaýandygyny nygtamak isleýäris. Eksperimental taýdan supergeçiriji YBCO-nyň Seebeck koeffisiýentiniň Ss = 021 bolandygy anyklandy. Mis gurşun simleri üçin Seebeck koeffisiýenti SCu = 0.34–1.15 μV/K3 aralygyndadyr. Lazer nokadyndaky mis simiň temperaturasyny 50 K-de elýeterli bolan maksimum lazer intensiwligi bilen az mukdarda 0.06 K ýokarlandyryp bolýar. Bu 1-nji suratda (a) alnan Voc-dan üç tertip kiçi bolan 6.9 × 10−8 V termoelektrik potensialyny döredip biler. Termoelektrik effektiň eksperimental netijeleri düşündirmek üçin gaty kiçidigi aýdyňdyr. Aslynda, lazer şöhlelendirmesinden ýüze çykýan temperatura üýtgemesi bir minutdan az wagtyň içinde ýitip gider, şonuň üçin termiki effektiň goşandyny howpsuz gözardy edip bolar.
Otag temperaturasyndaky YBCO-nyň bu fotowoltaik täsiri bu ýerde başga bir zarýad bölmek mehanizminiň gatnaşýandygyny görkezýär. Adaty ýagdaýda supergeçiriji YBCO zarýad daşaýjy hökmünde deşikleri bolan p-tipli materialdyr22,23, metal Ag-pastasy bolsa n-tipli materialyň häsiýetlerine eýedir. Pn geçişlerine meňzeş, YBCO keramikasyndaky kümüş pastasyndaky elektronlaryň we deşikleriň diffuziýasy serhetde YBCO keramikasyna gönükdirilen içki elektrik meýdanyny emele getirer (1h surat). Hut şu içki meýdan bölüniş güýjüni üpjün edýär we 1e suratda görkezilişi ýaly, otag temperaturasynda YBCO-Ag pasta ulgamy üçin oňyn Voc we negatiw Isc-e getirýär. Başgaça aýdylanda, Ag-YBCO ýokarda görkezilen modeldäki ýaly polýarlyga eýe bolan serhet potensialyna hem alyp barýan p-tipli Şottki geçişini emele getirip biler24.
YBCO-nyň supergeçiriji geçişi mahalynda fotowoltaik häsiýetleriniň jikme-jik ösüş prosesini öwrenmek üçin, 80 K-da nusganyň IV egrileri katod elektrodynda ýagtylandyrylýan saýlanan lazer intensiwlikleri bilen ölçeldi (2-nji surat). Lazer şöhlelendirilmezden, nusgadaky naprýaženiýe tokdan garamazdan nol derejesinde saklanýar, bu bolsa nusganyň 80 K-da supergeçirijilik ýagdaýyny görkezýär (2a-njy surat). 50 K-da alnan maglumatlara meňzeş, I okuna parallel IV egrileri lazer intensiwliginiň artmagy bilen aşak hereket edýär, bu bolsa kritiki Pc gymmatyna ýetýänçä. Bu kritiki lazer intensiwliginden (Pc) ýokary bolanda, supergeçiriji supergeçiriji fazadan garşylyk fazasyna geçýär; supergeçirijide garşylygyň peýda bolmagy sebäpli naprýaženiýe tok bilen artmaga başlaýar. Netijede, IV egri I oklary we V oklary bilen kesişip başlaýar we ilki başda negatiw Voc we oňyn Isc-e getirýär. Indi nusga Voc we Isc-iň polýarlygynyň ýagtylyk intensiwligine örän duýgur bolýan aýratyn ýagdaýda ýaly görünýär; Yşyk intensiwliginiň örän kiçi artmagy bilen Isc oňyndan negatiwe, Voc bolsa negatiwden oňyn gymmata öwrülýär we başlangyç nokadyndan geçýär (fotovoltaik häsiýetleriň, esasanam Isc-iň gymmatynyň, ýagtylygyň ýagtylygyna ýokary duýgurlygyny 2b-nji suratda has aýdyň görmek bolýar). Elýeterli iň ýokary lazer intensiwliginde IV egrileri biri-biri bilen parallel bolmagy maksat edinýär, bu bolsa YBCO nusgasynyň kadaly ýagdaýyny görkezýär.
Lazer nokadynyň merkezi katod elektrodlarynyň töwereginde ýerleşýär (1i-nji surata serediň). a, dürli lazer intensiwlikleri bilen şöhlelendirilen YBCO-nyň IV egrileri. b (ýokarky), Açyk zynjyr naprýaženiýesiniň Voc we gysga zynjyr togunyň lazer intensiwligine baglylygy Isc. Isc gymmatlyklaryny pes ýagtylyk intensiwliginde (< 110 mW/sm2) alyp bolmaýar, sebäbi nusga aşa geçirijilik ýagdaýynda IV egrileri I okuna parallel bolýar. b (aşakky), lazer intensiwliginiň funksiýasy hökmünde differensial garşylyk.
80 K-da Voc we Isc-iň lazer intensiwligine baglylygy 2b-nji suratda (ýokarda) görkezilen. Fotowoltaik häsiýetleri ýagtylygyň intensiwliginiň üç sebitinde ara alyp maslahatlaşyp bolýar. Birinji sebit 0 bilen Pc aralygynda, bu ýerde YBCO aşyp geçiriji, Voc negatiw we ýagtylygyň intensiwligi bilen azalýar (absolýut gymmat artýar) we Pc-de minimuma ýetýär. Ikinji sebit Pc-den başga bir kritiki intensiwlik P0-a çenli, bu ýerde Voc artýar, Isc bolsa ýagtylygyň intensiwliginiň artmagy bilen azalýar we ikisi hem P0-da nola ýetýär. Üçünji sebit YBCO-nyň kadaly ýagdaýyna ýetýänçä P0-dan ýokary bolýar. Voc we Isc ikisi hem 2-nji sebitdäki ýaly ýagtylygyň intensiwligi bilen üýtgese-de, olar kritiki intensiwlik P0-dan ýokarda ters polýarlyga eýedirler. P0-nyň ähmiýeti fotowoltaik täsiriň ýoklugynda we zarýadyň bölüniş mehanizminiň bu aýratyn nokada hil taýdan üýtgemeginde. YBCO nusgasy ýagtylygyň bu intensiwligi aralygynda aşyp geçiriji däl bolýar, ýöne heniz kadaly ýagdaýa ýetilmedik.
Elbetde, ulgamyň fotowoltaik häsiýetnamalary YBCO-nyň supergeçirijiligi we onuň supergeçirijilik geçişi bilen berk baglanyşyklydyr. YBCO-nyň differensial garşylygy, dV/dI, 2b-nji suratda (aşakda) lazer intensiwliginiň funksiýasy hökmünde görkezilen. Öň belläp geçişimiz ýaly, Kuper jübütiniň supergeçirijiden metala diffuziýa nokatlary sebäpli serhetde elektrik potensialynyň gurulmagy. 50 K-da syn edilen ýaly, fotowoltaik täsir lazer intensiwliginiň 0-dan Pc-a çenli ýokarlanmagy bilen güýçlenýär. Lazer intensiwligi Pc-den birneme ýokary baha ýetende, IV egrisi egilip başlaýar we nusganyň garşylygy peýda bolup başlaýar, ýöne serhet potensialynyň polýarlygy heniz üýtgemeýär. Optiki gyjyndyrmagyň supergeçirijilige täsiri görünýän ýa-da ýakyn IR sebitinde öwrenildi. Esasy proses Kuper jübütlerini bölmek we supergeçirijiligi ýok etmek bolsa-da25,26, käbir ýagdaýlarda supergeçirijilik geçişini güýçlendirip bolýar27,28,29, supergeçirijiligiň täze fazalaryny hem döredip bolýar30. Pc-de supergeçirijiligiň ýoklugyny fotoinduksiýa edilen jübütleriň döwülmegi bilen baglanyşdyryp bolýar. P0 nokadynda, serhetdäki potensial nola öwrülýär, bu bolsa serhetiň iki tarapyndaky zarýad dykyzlygynyň şu aýratyn ýagtylyk intensiwliginde birmeňzeş derejä ýetýändigini görkezýär. Lazer intensiwliginiň has-da ýokarlanmagy has köp Kuper jübütleriniň ýok edilmegine we YBCO-nyň ýuwaş-ýuwaşdan p-tipli materiala öwrülmegine getirýär. Elektron we Kuper jübütleriniň diffuziýasynyň ýerine, serhetiň aýratynlygy indi elektron we deşik diffuziýasy bilen kesgitlenýär, bu bolsa serhetdäki elektrik meýdanynyň polýarlygynyň üýtgemegine we netijede oňyn Voc-a getirýär (1d, h suratlary bilen deňeşdiriň). Örän ýokary lazer intensiwliginde YBCO-nyň differensial garşylygy normal ýagdaýa laýyk gelýän gymmata çenli doýgunlaşýar we Voc we Isc ikisi hem lazer intensiwligi bilen çyzykly üýtgeýär (2b surat). Bu gözegçilik normal ýagdaýdaky YBCO-da lazer şöhlelendirmesiniň indi onuň garşylygyny we supergeçiriji-metal serhetiniň aýratynlygyny üýtgetmejekdigini, diňe elektron-deşik jübütleriniň konsentrasiýasyny artdyrjakdygyny görkezýär.
Temperaturanyň fotowoltaik häsiýetlere täsirini öwrenmek üçin metal-süpergeçiriji ulgamy katodda 502 mW/sm2 intensiwlikli gök lazer bilen şöhlelendirildi. 50 we 300 K aralygyndaky saýlanan temperaturalarda alnan IV egrileri 3a suratda görkezilen. Soňra açyk zynjyr naprýaženiýesi Voc, gysga zynjyr togy Isc we differensial garşylyk şu IV egrilerinden alnyp bilner we 3b suratda görkezilen. Yşyk yşyklandyrylmasyz, dürli temperaturalarda ölçenen ähli IV egrileri garaşylyşy ýaly başlangyç nokadyndan geçýär (3a suratyň içine goşulan). Sistema deňeşdirme güýçli lazer şöhlesi (502 mW/sm2) bilen ýagtylandyrylanda, IV häsiýetnamalary temperatura ýokarlanmagy bilen düýpli üýtgeýär. Pes temperaturalarda IV egrileri Voc-yň negatiw gymmatlyklary bolan I okuna parallel bolan göni çyzyklardyr. Bu egri temperatura ýokarlanmagy bilen ýokary hereket edýär we kritiki temperatura Tcp-de noldan tapawutly eňňitli çyzyga öwrülýär (3a surat (ýokarky)). Görünüşine görä, ähli IV häsiýetli egriler üçünji kwadrantdaky bir nokadyň töwereginde aýlanýar. Voc otrisatel gymmatdan oňyn gymmata çenli artýar, Isc bolsa oňyn gymmatdan otrisatel gymmata çenli azalýar. YBCO-nyň asyl aşa geçirijilikli geçiş temperaturasynyň Tc-den ýokarda, IV egrisi temperatura bilen tapawutly üýtgeýär (3a-njy suratyň aşagy). Birinjiden, IV egrileriniň aýlanma merkezi birinji kwadrantda hereket edýär. Ikinjiden, Voc temperatura ýokarlanmagy bilen azalýar we Isc artýar (3b-nji suratyň aşagy). Üçünjiden, IV egrileriniň eňňitligi temperatura bilen çyzykly artýar, bu bolsa YBCO üçin garşylygyň oňyn temperatura koeffisiýentine getirýär (3b-nji suratyň aşagy).
502 mW/sm2 lazer şöhlelendirmesinde YBCO-Ag pasta ulgamy üçin fotowoltaik häsiýetnamalaryň temperatura baglylygy.
Lazer nokadynyň merkezi katod elektrodlarynyň töwereginde ýerleşýär (1i-nji surata serediň). a, 50-den 90 K-a çenli (ýokarky) we 100-den 300 K-a çenli (aşaky) temperatura degişlilikde 5 K we 20 K artmagy bilen alynýan IV egrileri. a goşmaçasy garaňkyda birnäçe temperaturada IV häsiýetlerini görkezýär. Ähli egriler başlangyç nokadyny kesip geçýär. b, açyk zynjyr naprýaženiýesi Voc we gysga zynjyr togy Isc (ýokarky) we YBCO-nyň (aşaky) differensial garşylygy, dV/dI, temperatura funksiýasy hökmünde. Nol garşylykly aşyr geçiriji geçiş temperaturasy Tcp berilmeýär, sebäbi ol Tc0-a gaty ýakyn.
3b-nji suratdan üç sany möhüm temperatura tanamak bolýar: Tcp, ondan ýokary YBCO aşa geçirijiliksiz bolýar; Tc0, onda Voc we Isc nola öwrülýär we Tc, lazer şöhlelenmesi bolmadyk YBCO-nyň başlangyç aşa geçirijilik geçiş temperaturasy. Tcp ~ 55 K-den aşakda, lazer şöhlelendirilen YBCO Kuper jübütleriniň deňeşdirme boýunça ýokary konsentrasiýasy bilen aşa geçirijilik ýagdaýynda bolýar. Lazer şöhlelendirmesiniň täsiri fotowoltaik naprýaženiýe we tok öndürmek bilen birlikde Kuper jübütleriniň konsentrasiýasyny azaltmak arkaly nol garşylykly aşa geçirijilik geçiş temperaturasyny 89 K-den ~55 K-e çenli azaltmakdyr (3b-nji suratyň aşagy). Temperaturanyň ýokarlanmagy Kuper jübütlerini hem dargadýar we bu bolsa serhetde pes potensiala getirýär. Netijede, lazer şöhlelendirmesiniň şol bir intensiwligi ulanylsa-da, Voc-yň absolýut gymmaty kiçeler. Termometriň has-da ýokarlanmagy bilen serhet potensialy barha kiçeler we Tc0-da nola ýeter. Bu aýratyn nokada fotowoltaik täsir ýok, sebäbi fotoinduksiýa edilen elektron deşik jübütlerini bölmek üçin içki meýdan ýok. Potensialyň polýarlygynyň üýtgemegi bu kritiki temperaturadan ýokary bolup geçýär, sebäbi Ag pastasyndaky erkin zarýad dykyzlygy YBCO-dakydan has uly bolýar, ol bolsa ýuwaş-ýuwaşdan p-tipli materiala gaýdyp gelýär. Bu ýerde biz Voc we Isc-iň polýarlygynyň üýtgemeginiň geçişiň sebäbine garamazdan, nol garşylykly supergeçiriji geçişden derrew soň bolup geçýändigini nygtamak isleýäris. Bu gözegçilik ilkinji gezek metal-supergeçiriji serhet potensialy bilen baglanyşykly supergeçirijilik bilen fotowoltaik täsirleriň arasyndaky baglanyşygy aýdyň görkezýär. Bu potensialyň supergeçiriji-normal metal serhetindäki tebigaty soňky birnäçe onýyllyklaryň dowamynda ylmy-barlag merkezi bolup geldi, ýöne henizem jogap tapylmaly köp soraglar bar. Fotowoltaik täsiri ölçemek bu möhüm potensialyň jikme-jikliklerini (meselem, onuň güýji we polýarlygy we ş.m.) öwrenmek üçin netijeli usul bolup biler we şonuň üçin ýokary temperaturaly supergeçirijilik ýakynlyk täsirine aýdyňlyk getirýär.
Temperaturanyň Tc0-dan Tc-a çenli has-da ýokarlanmagy Kuper jübütleriniň konsentrasiýasynyň azalmagyna we serhet potensialynyň ýokarlanmagyna, netijede Voc-yň ulalmagyna getirýär. Tc-de Kuper jübütleriniň konsentrasiýasy nola öwrülýär we serhetdäki gurluş potensialy maksimuma ýetýär, netijede maksimum Voc we minimal Isc emele gelýär. Bu temperatura aralygynda Voc we Isc-iň (absolýut gymmat) çalt ýokarlanmagy 502 mW/sm2 intensiwlikli lazer şöhlelendirmesi arkaly ΔT ~ 3 K-dan ~ 34 K-a çenli giňeldilýän aşyryjy geçişe gabat gelýär (3b-nji surat). Tc-den ýokardaky normal ýagdaýlarda, açyk zynjyr naprýaženiýesi Voc temperatura bilen azalýar (3b-nji suratyň ýokarsy), bu bolsa pn geçişlerine esaslanýan adaty gün batareýalary üçin Voc-yň çyzykly häsiýetine meňzeýär31,32,33. Lazer intensiwligine berk bagly bolan Voc-yň temperatura bilen üýtgeme tizligi (−dVoc/dT) adaty gün batareýalaryndan has kiçi bolsa-da, YBCO-Ag geçişi üçin Voc-yň temperatura koeffisiýenti gün batareýalarynyňky bilen birmeňzeş ululyk tertibine eýedir. Adaty gün batareýasy enjamy üçin pn geçişiniň syzma togunyň temperatura ýokarlanmagy bilen artmagy, temperatura ýokarlanmagy bilen Voc-yň azalmagyna getirýär. Bu Ag-supergeçiriji ulgamy üçin syn edilen çyzykly IV egrileri, ilki bilen gaty kiçi serhet potensialy we ikinjiden, iki getero geçişiň yzky-yzyna baglanyşygy sebäpli, syzma toguny kesgitlemegi kynlaşdyrýar. Şeýle-de bolsa, syzma togunyň şol bir temperatura baglylygynyň biziň tejribemizde syn edilen Voc hereketine sebäp bolmagynyň ähtimallygy örän ýokary. Kesgitleme görä, Isc, umumy naprýaženiýe nola deň bolmagy üçin Voc-yň kompensasiýasyny etmek üçin negatiw naprýaženiýe döretmek üçin zerur bolan tokdyr. Temperatura ýokarlanmagy bilen, Voc kiçelýär, şonuň üçin negatiw naprýaženiýe döretmek üçin az tok gerek bolýar. Mundan başga-da, YBCO-nyň garşylygy Tc-den ýokary temperatura bilen çyzykly artýar (3b-nji suratyň aşagy), bu hem ýokary temperaturalarda Isc-iň absolýut gymmatynyň azalmagyna goşant goşýar.
2, 3-nji suratlarda berlen netijeleriň katod elektrodlarynyň töweregindäki meýdana lazer şöhlelendirmek arkaly alnandygyna üns beriň. Ölçegler anodda ýerleşdirilen lazer nokady bilen hem gaýtalandy we şuňa meňzeş IV häsiýetnamalary we fotowoltaik häsiýetleri syn edildi, ýöne bu ýagdaýda Voc we Isc-iň polýarlygy tersine öwrüldi. Bu maglumatlaryň hemmesi fotowoltaik täsiriň mehanizmine getirýär, bu bolsa supergeçiriji-metal serhedi bilen ýakyn baglanyşyklydyr.
Gysgaça aýdylanda, lazer bilen şöhlelendirilen supergeçiriji YBCO-Ag pasta ulgamynyň IV häsiýetnamalary temperatura we lazer intensiwliginiň funksiýalary hökmünde ölçeldi. 50-den 300 K-a çenli temperatura aralygynda ajaýyp fotowoltaik täsir syn edildi. Fotowoltaik häsiýetleriň YBCO keramikasynyň supergeçirijiligi bilen berk baglanyşyklydygy anyklandy. Voc we Isc-iň polýarlygynyň üýtgemegi foto bilen induksiýa edilen supergeçirijiden supergeçiriji däl geçişden derrew soň ýüze çykýar. Lazeriň berk intensiwliginde ölçenen Voc we Isc-iň temperatura baglylygy, nusganyň garşylykly bolýan kritik temperaturada hem aýdyň polýarlygyň üýtgemegini görkezýär. Lazer nokadyny nusganyň dürli bölegine ýerleşdirmek bilen, biz interfeýsde foto bilen induksiýa edilen elektron-deşik jübütleri üçin bölüniş güýjüni üpjün edýän elektrik potensialynyň bardygyny görkezýäris. Bu interfeýs potensialy YBCO supergeçiriji bolanda YBCO-dan metal elektroda tarap ugur alýar we nusga supergeçiriji bolmadyk bolanda ters ugra geçýär. Potensialyň gelip çykyşy, YBCO aşa geçirijilikli bolanda we 50 K-da ~10−8 mV, lazer intensiwligi 502 mW/sm2 bolanda metal-aşa geçirijilik serhedindäki ýakynlyk täsiri bilen tebigy ýagdaýda baglanyşykly bolup biler. Adaty ýagdaýda p-tipli YBCO materialynyň n-tipli material bilen gatnaşygy Ag-pasta YBCO keramikasynyň ýokary temperaturada fotowoltaik häsiýetine jogapkär bolan kwazi-pn birleşmesini emele getirýär. Ýokardaky gözegçilikler ýokary temperaturaly aşa geçirijilikli YBCO keramikasyndaky PV täsirine aýdyňlyk getirýär we çalt passiw ýagtylyk detektory we ýeke foton detektory ýaly optoelektron enjamlarda täze ulanylyşlara ýol açýar.
Fotowoltaik täsir tejribeleri 0,52 mm galyňlykda we 8,64 × 2,26 mm2 gönüburçluk görnüşli we radiusy 1,25 mm bolan lazer nokadynyň ululygy bilen üznüksiz tolkun gök lazer (λ = 450 nm) bilen ýagtylandyrylan YBCO keramiki nusgasynda geçirildi. Inçe plýonka nusgasynyň ýerine göwrümli materialy ulanmak, substratyň çylşyrymly täsiri bilen iş salyşmazdan, supergeçirijiniň fotowoltaik häsiýetlerini öwrenmäge mümkinçilik berýär6,7. Mundan başga-da, göwrümli material ony taýýarlamak üçin ýönekeý prosedura we deňeşdirme boýunça arzan baha üçin amatly bolup biler. Mis gurşun simleri YBCO nusgasynda kümüş pastasy bilen birleşdirilip, diametri takmynan 1 mm bolan dört tegelek elektrod emele getirýär. Iki wolt elektrodlarynyň arasyndaky aralyk takmynan 5 mm. Nusganyň IV häsiýetnamalary kwars kristal penjiresi bolan wibrasiýa nusgasy magnitometri (VersaLab, Quantum Design) arkaly ölçeldi. IV egrilerini almak üçin standart dört simli usul ulanyldy. Elektrodlaryň we lazer nokadynyň deňeşdirme ýerleri 1i-nji suratda görkezilen.
Bu makalany nähili sitirlemeli: Ýang, F. we beýlekiler. Supergeçirijili YBa2Cu3O6.96 keramikasynda fotowoltaik täsiriň gelip çykyşy. Ylmy. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Çang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG we Testardi, LR YBa2Cu3O7-de simmetriýa gadagan edilen lazer bilen induksiýa edilen naprýaženiýeler. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP we Dong, SY Y-Ba-Cu-O-da anomal fotowoltaik signalyň gelip çykyşy. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR we Wang, GW Aşa geçiriji Bi-Sr-Ca-Cu-O-nyň lazer bilen induksiýa edilen naprýaženiýeleriniň ölçegi. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Teýt, KL we başg. YBa2Cu3O7-x-iň otag temperaturasyndaky plýonkalaryndaky wagtlaýyn lazer bilen döredilen naprýaženiýeler. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS we Zheng, JP YBa2Cu3O7-de anomal fotowoltaik reaksiýa. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. we Hiroi, Z. Oksid geterostrukturasynda YBa2Cu3O7−x-e fotogenerasiýa edilen deşik daşaýjysynyň inýeksiýasy. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. we beýlekiler. Yşyk şöhlelendirmesiniň aşagynda YBa2Cu3Oy inçe plýonkalarynyň fotoemissiýa barlagy. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Ýang, F. we beýlekiler. Dürli kislorodyň parsial basyşynda tawlanan YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb geterogeçişiniň fotowoltaik täsiri. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminow, BA we beýlekiler. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristallarynda iki boşlukly gurluş. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. we Mihailovic, D. Dürli aralyk gurluşly supergeçirijilerde kwazipartikullaryň relaksasiýa dinamikasy: YBa2Cu3O7-δ boýunça teoriýa we tejribeler. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ we Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb geterogeçişiniň rektifikasion häsiýetleri. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ-da eksitonik siňdiriş we aşagy geçirijilik. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ we Stucky, G. YBa2Cu3O6.3 ýarymgeçirijili monokristallarynda geçiş fotoinduksiýa geçirijiligi: fotoinduksiýa edilen metallyk ýagdaýy we fotoinduksiýa edilen aşyr geçirijiligi gözlemek. Gaty Jisimler Birleşmesi. 72, 345–349 (1989).
Makmillan, WL Aşa geçirijilikli ýakynlyk täsiriniň tunel modeli. Fizika ylmy 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. we beýlekiler. Mezoskopik uzynlyk ölçeginde barlanan supergeçiriji ýakynlyk täsiri. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. we Manske, D. Sentrosimmetrik däl supergeçirijiler bilen ýakynlyk täsiri. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM we beýlekiler. Pb-Bi2Te3 gibrid gurluşlarynda güýçli aşa geçirijilikli ýakynlyk täsiri. Ylmy 2-nji žurnal, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS we Pearson, GL Gün radiasiýasyny elektrik energiýasyna öwürmek üçin täze kremniý pn birleşme fotoelementi. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn- ýa-da Ni-legallaşdyrylan YBa2Cu3O6.9 monokristallarynda aşgazan geçirijilikli kogerentlik uzynlygyna garyndynyň täsiri. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. we Segawa, K. Giň lehimlemede goşalanmaýan YBa2Cu3Oy monokristallarynyň magnitorezisligi: kogerentlik uzynlygynyň anomal deşik-lehimleme baglylygy. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD we Cooper, JR Ýokary T-oksidleriň termoelektrik güýjünde sistematika. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. we beýlekiler. p-tipli ýokary Tc supergeçirijilerde kogerent pikiň we LO fonon režiminiň daşaýjynyň dykyzlygyna bagly impuls üýtgemesi. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. we başg. Elektrokimiki usul arkaly YBa2Cu3Oy inçe plýonkalarynda deşikleriň reduksiýasy we elektronlaryň toplanmagy: n-tipli metal ýagdaýynyň subutnamalary. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Şottki böwetiniň beýikliginiň fizikasy we himiýasy. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Çi, CC, Denenstein, A. we Langenberg, DN Supergeçiriji plýonkalarda dinamiki daşarky jübütleriň üzülmeginiň täsiri. Fizika ylmy žurnaly 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. we başg. Supergeçirijiligiň fotoinduksiýa arkaly güýçlendirilmegi. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinow, VI we beýlekiler. YBa2Cu3O6+x plýonkalaryndaky dowamly fotogeçirijilik metal we aşagy geçiriji fazalara fotodoping usuly hökmünde. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. we beýlekiler. YBa2Cu3O6.5-de ýokary geçirijilik üçin esas hökmünde çyzykly däl tor dinamikasy. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. we beýlekiler. Zolakly kubratda ýagtylyk sebäpli döreýän aşyr geçirijilik. Ylym 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK we Al-Nuaim, IA Gün batareýasy üçin uçujy birikmeleriň (UOC) temperatura funksional baglylygy, onuň netijeliligine baglylygy täze çemeleşme. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM we Anderson, WA Şottki-barýer kremniýli gün batareýalarynda temperatura täsirleri. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. we Tuladhar, SM Iş şertlerinde polimer-fulleren gün batareýalarynyň fotowoltaik enjam parametrleriniň temperatura baglylygy. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Bu iş Hytaýyň Milli Tebigy Ylymlar Gaznasy (Grant № 60571063), Hytaýyň Henan welaýatynyň Esasy Ylmy Taslamalary (Grant № 122300410231) tarapyndan goldanyldy.
FY makalanyň tekstini ýazdy, MYH bolsa YBCO keramiki nusgasyny taýýarlady. FY we MYH synag geçirdiler we netijeleri seljerdiler. FGC taslama we maglumatlaryň ylmy düşündirişine ýolbaşçylyk etdi. Ähli awtorlar golýazmany gözden geçirdiler.
Bu iş Creative Commons Attribution 4.0 Halkara Lisenziýasynyň esasynda ygtyýarnama berilýär. Bu makaladaky suratlar ýa-da beýleki üçünji tarap materiallary, eger kredit setirinde başgaça görkezilmedik bolsa, makalanyň Creative Commons lisenziýasyna goşulýar; eger material Creative Commons lisenziýasyna goşulmadyk bolsa, ulanyjylar materiallary köpeltmek üçin ygtyýarnama eýesinden rugsat almaly bolarlar. Bu lisenziýanyň nusgasyny görmek üçin http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ sahypasyna giriň.
Ýang, F., Han, M. we Çang, F. Supergeçirijili YBa2Cu3O6.96 keramikasynda fotowoltaik täsiriň gelip çykyşy. Ylmy Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Teswir ibermek bilen, siz biziň Şertlerimize we Jemgyýetçilik Düzgünlerimize boýun bolmaga razylaşýarsyňyz. Eger bir kemsidiji ýa-da şertlerimize ýa-da görkezmelerimize laýyk gelmeýän bir zat tapsaňyz, ony nädogry diýip belläň.
Ýerleşdirilen wagty: 2020-nji ýylyň 22-nji apreli